可變噴油速率的電控單體泵噴射系統控制研究

張志清，尹自斌，藍廣林

(1. 欽州學院 海運學院，廣西 欽州 535000；2. 集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

可變噴油速率的電控單體泵噴射系統控制研究

張志清1，尹自斌2，藍廣林1

(1. 欽州學院 海運學院，廣西 欽州 535000；2. 集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

利用 AMESim軟件建立柴油機噴射系統仿真模型，對柴油機的結構參數進行匹配優化，選取 5 種比較合理的方案，并將其中的兩組導入到 AVL-BOOST 整機仿真模型中，選取最優的供油定時角。在定噴油量、定供油定時角前提下，將不同噴油速率導入到柴油機仿真模型當中，研究不同噴油速率對柴油機缸內溫度、壓力、排放、放熱率以及油耗和轉矩的影響。結果表明：合理的噴油速率和供油定時角能進一步優化柴油機的綜合性能，同時選取 1 組動力性能和經濟性比較好的方案，進行柴油機的臺架試驗，仿真和實驗的誤差在 2% 以內。結果表明仿真有助于探索柴油機的綜合性能規律。

柴油機；變噴油速率；噴射控制；仿真

0 引 言

隨著社會經濟的發展，由于柴油機經濟性和可靠性高，現已成為船舶、工程機械以及重型車的主要動力。但如何有效減少排放，提高效率已成為人們研究的重要課題。噴射系統中噴油規律是實現先進燃燒控制的核心技術。它直接關系到柴油機的燃燒性能的好壞。與高壓共軌系統相比，電控單體泵噴射系統結構簡單，實用性強，對燃油品質要求低等優點。結合國內的實際情況，更符合我國的國情，更具有深遠的發展前景[1-2]。相對機械式噴射系統，電控單體泵不僅可以大大提高燃油噴油壓力（可達 200mPa 以上），而且可以靈活的對影響噴油規律的各參數進行調節，有效地改善柴油機各工況下的排放性能和經濟性能。

本文針對某船用電控單體泵中速柴油結構參數的匹配進行研究，采用實驗驗證的 AMESim和 AVLBOOST 仿真模型進行仿真研究。首先通過 AMESim仿真得到定噴油量即不同噴油速率的噴油規律，然后再導入到 AVL-BOOST 整機模型中進行仿真，研究噴油速率對船用中速柴油機運行性能的影響，從而實現對柴油機的優化[3-5]。

1 噴射系統仿真模型的建立

本文采用系統工程建模和仿真模型軟件（即AMESim軟件）對柴油機液壓噴射系統進行仿真模型如圖1 所示。它功能強大、易于操作，集熱力學、機械、流體、電磁、控制等復雜學科于一體，因此主要用于汽車、航天航空等的重型的工業設備的多學科領域。仿真模型建立好以后，依次選取相對應的數學模型，并設置相關參數，柴油機的主要參數如表1所示。

按照表1 對柴油機參數進行設置。依據文獻[6]對該模型進行驗證。仿真值和試驗值誤差不超過 3%，說明該模型能夠較準確的預測柴油機的噴油規律。結合船用中速柴油機電控化改造，優化柴油機結構參數的匹配，本文選取了柱塞（13.5，14，14.5）、噴油器孔徑（0.22，24，26 和 28）、和高壓油管（850 和 900）4 個結構參數進行全仿真研究。在定噴油量的情況下，以噴油壓力大于 100mPa，噴油持續角小于 35° 為參考對各種組合進行初步篩選。

從 AMESim仿真結果中選取了 5 組噴油規律比較合理的噴油方案。這 5 組方案的選取參數如表2 所示，噴油規律如圖2 所示。方案 3 的噴油持續角最小，為 33.2° CA；方案 2 的噴油壓力最大，為 108.33mPa。高壓油管對噴油規律的影響比較小。在定噴油量的情況下隨著噴孔直徑和柱塞的增加，噴油速率上升，噴油壓力增加，噴油持續角減小。然而高壓油管對噴油持續角的影響很小，只要是由于高壓油管變長，導致燃油在管內運動距離變長，阻力增加，因此噴油壓力下降，噴油持續角增加。

圖1 AMESim電控柴油機噴射系統仿真模型圖Fig. 1 The AMESimsimulationmodel of electronically controlled diesel engine for injection system

表1 電控柴油機的主要參數Tab. 1 Themain parameters of electronically controlled diesel engine

表2 仿真方案選取情況表Tab. 2 Simulation scheme

圖2 噴油速率曲線對比圖Fig. 2 Fuel injection rate curve

2 柴油機整機模型的建模與仿真

AVL-BOOST 仿真軟件具有強大的功能，能夠對柴油機的穩態和動態性能進行分析，并可以實現對柴油機件部件的設計優化。因此，為了分析上述 5 組方案的匹配優化情況，本文采用 AVL-BOOST 軟件對該柴油機進行整機建模并展開研究，建立的仿真模型如圖3所示。選用 AVLmCCmodel 燃燒模型，相對其他模型它有效的考慮了噴射動能和噴油規律對瞬時放熱的影響，能較好的預測氮氧化物和 SOOT 的生成。同時選用適用于高壓循環的 Woschni1978 傳熱模型分析其傳熱過程[7-8]。

圖3 AVL-BOOST 電控柴油機整機仿真模型圖Fig. 3 The AVL-BOOST simulationmodel of electronically controlled diesel engine

按照表1 設置仿真模型參數。在船用機械式電控柴油機改造過程中研究相同噴油量情況下不同噴油速率對柴油機綜合性能的影響，以達到選取合適的供油定時角的目的。參照原機說明書選取方案 1 和方案 3進行多次供油定時角的仿真研究。將 AMESim中方案 1和方案 3 的噴油規律曲線導入到 AVL-BOOST 仿真模型中，仿真的供油定時角分別從 -28° ～ -12° 進行仿真。因為計算的數值差值都比較小，為了方便觀察，將計算得到的柴油機 NOx 排放量，SOOT 排放量、油耗量、IMEP 和轉矩進行歸一化處理，進行歸一化處理的結果如圖4 ～ 圖5 所示[9]。

從圖4 和圖5 可見，在供油定時角從 -28° ～ -12°范圍內，柴油機有效轉矩和 IMEP 都呈向下開口的拋物線形狀，在供油定時角為 -20° 的時候達到最大波峰值；而油耗的曲線則相反，呈開口向上的拋物線形狀，在供油定時角為 -20° 的時候油耗最低。隨著供油定時角的推遲，碳煙的排放量總體呈單調遞增的趨勢，而 NOx 排放量剛好相反，呈單調遞減的趨勢。因此，在綜合考慮柴油機動力性能、經濟性能和排放性能的前提下，選取供油定時角為 -20°，即把該供油定時角作為電控改造后的供油定時角[10]。

將 AMESim中方案 1 ～ 方案 5 中的噴油規律曲線導入到 AVL-BOOST 仿真模型中，從而得到柴油機氣缸內壓力、放熱速率、碳煙生成速率、氮氧化物生成速率、溫度與曲軸轉角的關系曲線圖，如圖6 ～ 圖10所示。

圖4 方案一噴油速率對柴油機性能的影響Fig. 4 Effect of injection rate on the performance of case 1

圖5 方案三噴油速率對柴油機性能的影響Fig. 5 Effect of injection rate on the performance of case 3

圖6 噴油速率對柴油機缸內壓力的影響Fig. 6 Effect of fuel injection rate on cylinder pressure of diesel engine

從圖6 和圖7 可見，在噴油量和供油定時角相同的前提下，方案 2 獲得了最高的爆發壓力。并且隨著噴油壓力加壓的推遲，最高缸內壓力相應的降低，而且達到峰值壓力的時間也有一定的推遲。這主要是因為方案 2 的噴射壓力比較大，霧化效果比較好，燃燒效果比較好，所以缸內壓力比較大。方案 3 與其他 4種方案相比，缸內放熱率前期比較大，方案 4 有些延遲。這主要是因為方案 3 中噴孔直徑比較大，噴油速率相對比較大，因此放熱速率比較大，而方案 4 雖然噴射壓力相差不大，但是噴孔直徑比較小噴油速率比較小，噴油持續角比較大，所以缸內放熱率有點推遲。

從圖8 可見，在噴油量和供油定時角相同的前提下，方案 3 噴油速率最大，碳煙生成速率最先達到峰值而且在 5 種方案中生成速率最大，其次是方案一和方案 4 的，方案 2 的生成速率最低。即隨著噴油壓力的增大，碳煙生成速率逐漸減小。這主要是因為方案 3噴孔直徑比較大，噴射速率比較大，噴射壓力比較小，燃油霧化效果比較差，因此，碳煙生成速率比較大。而方案 2 噴射壓力最大，霧化效果最好，即碳煙生成速率最小。

從圖9 和圖10 可見，在燃油噴油量和供油定時角相同的前提下，隨著噴油速率的減小，噴油脈寬的增加，氮氧化物的生成曲線向后推遲，氮氧化物的生成速率依次達到生成最大值。即方案 4 生成氮氧化物的量最小，主要是因為燃油噴射壓力比較小，而且缸內溫度比較低。燃油噴射壓力對缸內溫度的影響最大，柱塞比較大，燃油加壓比較快，即隨著建壓時間的推遲，缸內溫度呈推遲的趨勢。

從表3 可以看到，在相同供油定時角和噴油量的情況下噴油速率對柴油機動力性、經濟性和排放性能的影響。方案 5 使得柴油機獲得了比較大的有效功率和轉矩，燃油消耗量和碳煙生成量都最少，氮氧化物生成量有點偏大。相對于方案 3，有效功率和有效轉矩分別提高了 1.02% 和 1.023%，碳煙生成量減少了7.4%，但是氮氧化物增加了 1.1%。方案 3 經濟性最差，但是氮氧化物排放量最少。綜合考慮，方案五噴油規律更為合理，燃燒效果最佳，因此做功輸出功率最集中，動力性、經濟性最佳，碳煙生成量最少，氮氧化物稍微偏高。

圖7 噴油速率對柴油機放熱速率的影響Fig. 7 Effect of fuel injection rate on heat release rate of diesel engine

圖8 噴油速率對碳煙生成速率的影響Fig. 8 Effect of fuel injection rate on Soot of diesel engine

圖9 噴油速率對氮氧化物生成速率的影響Fig. 9 Effect of fuel injection rate on NOx of diesel engine

圖10 噴油速率對缸內溫度的影響Fig. 10 Effect of fuel injection rate on cylinder temperature of diesel engine

3 實驗研究

表3 五組方案仿真結果列表Tab. 3 Simulation results of the five cases

為了對電控單體泵柴油機噴射系統的結構參數進行優化，根據選取的方案 3 利用電控單體泵柴油機實驗臺架進行實驗研究，圖11 為電控單體泵柴油機實驗臺架。實驗過程中通過改變噴油脈寬來保持相同的噴油量。采用法國 EFS-IFR600 型噴油規律測量儀對單體泵噴油規律開展噴油率測試。采用 Horiba 煙度檢測儀對柴油機廢氣中的 NO 等排放物進行測量；采用FCMM-2 燃油耗測量儀測量 1 次燃油消耗質量，從而計算出耗油率。

圖11 電控柴油機實驗臺架Fig. 11 Diesel engine experimental bench

從表4 可得，在柴油機額定轉速 1 000 r/min，定噴油量和定供油定時角的前提下，有效轉矩、有效功率、氮氧化物生成量和燃油消耗量都在 2% 以內，說明了該仿真的結果在誤差范圍之內，能夠比較準確的反應柴油機綜合性能變化的趨勢。

表4 仿真和實驗結果分析表Tab. 4 Simulation results of the five cases

4 結 語

在定噴油量的前提下，以變噴油速率的電控單體泵燃油噴射控制為目的，分別對噴油率噴油速率的產生、柴油機結構參數的匹配和噴油速率的控制進行了仿真研究和實驗驗證，結論如下：

1）利用 AMESim建立了電控柴油機的燃油噴射系統仿真模型，并利用驗證后的仿真模型得出了 5 組噴油壓力比較大，噴油規律比較合理的方案。

2）利用建立的 AVL-BOOST 柴油機整機模型，通過仿真，對數據進行了歸一化處理，在綜合考慮柴油機經濟性、動力性和排放性的前提下，得到了最優的供油定時角。

3）在相同噴油量和供油定時角的前提下，燃油噴射壓力越大，燃油霧化質量越高缸內溫度、缸內放熱速率、氮氧化物生成量和缸內壓力增加，碳煙生成量下降。選取一組經濟性、動力性比較好的方案，并通過實驗對其進行了實驗驗證。

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Research on injection control of electron-controlled unit pump systemwith variable fuel injection rate

ZHANG Zhi-qing1, YIN Zi-bin2, LAN Guang-lin1
(1.maritime College of Qinzhou University, Qinzhou 535000, China; 2.marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

Simulationmodel of diesel engine injection systemwith variable fuel injection rate was established by AMESim. The structure parameters of diesel engine were optimized by themodel and selected five reasonable schemes. The soft of AVL-BOOST was used to establish themodel of diesel engine, with fuel injection rate brought into the enginemodel among the two schemes, to research the effect of different fuel injection rates on cylinder temperature, cylinder pressure, heat release rate, emission, fuel consumption and torque, and simulation results show the performance of the engine can be optimized by the injection rate shaped as suitable fuel injection advanced angle. And selectedaset of best power and economy performance, into the diesel engine bench test, the error of simulation and experiment is less than 2%. The research conclusions can help to explore the law of fuel injection rate improving the engine performance.

diesel engine；variable injection rate；injection control；simulation

U664

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0111 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.022

2016 - 01 - 15；

2016 - 05 - 06

2016年廣西教育廳資助項目(KY2016YB473)

張志清(1982 - )，男，博士，講師，研究方向為現代輪機管理。