針對高壓燃油系統精細化控制問題的分析

劉闖

摘要：隨著發動機系統的普及，高壓燃油系統自然成為環境污染罪魁禍首之一。本文研究了如何對高壓油管內的燃油壓力進行精細化控制，提高燃油系統的經濟性及排放性能。首先將整體穩壓過程分割成每個小工作周期內的穩壓過程;其次，根據質量守恒定律與物體密度公式得到目標輸入質量，通過擬合算法確立出P與的對應關系推出流速表達式;接著引入微元思想，利用MATLAB 迭代每 0.01ms內的燃油進入質量，得到開閥時間。

關鍵詞：小周期;微元思想;迭代算法;二分和理想化模型

1? 問題背景

燃油發動機是能源消耗大戶，自然是環境污染罪魁禍首之一，人們意識到日益嚴峻的能源危機與環境污染問題正威脅著世界經濟的可持續發展。圖1顯示了我國對燃油機污染治理投資總額在逐年增加，因此，進一步降低燃油消耗率、改善燃油機的工作效率是燃油發動機工作者今后的主要任務。

某型號高壓油管通過單向閥開關控制供油時間的長短，單向閥每打開一次后就要關閉 10ms。噴油器每秒工作 10 次，每次工作時噴油時間為 2.4ms，噴油器工作時從噴油嘴 B 處向外噴油的速率如圖1所示。高壓油泵在入口 A 處提供的壓力恒為160MPa，高壓油管內的初始壓力為 100MPa。如果要將高壓油管內的壓力盡可能穩定在100MPa左右，如何設置單向閥每次開啟的時長。

2? 合理假設

①假設噴油器在 1s 內每隔 100ms 開始工作一次。

②假設高壓燃油系統工作時環境溫度恒定在 20℃±5℃。

③假設噴油器出油過程中高壓管內燃油密度不變。

④假設單向閥入油工作在噴油器每次工作完成后進行。

⑤假設噴出的燃油密度和壓力始終與原始高壓油管內的保持一致。

⑥假設高壓油泵只在每次噴油結束后工作一次。當高壓油泵內燃油的壓力大于油管內的壓力時，開始進油。

3? 符號說明（表1）

4? 模型建立與問題求解

4.1 求解 Mr

根據噴油速率與時間關系可知一個小工作周期t內，噴出的總油量Vc為圖1中的陰影面積，由此我們可以得出Vc。在假設高壓油管進行工作時管內燃油密度恒為0.850mg/mm3的情況下根據物質密度公式可以得出Mc、Vy、My，若要使一個小工作周期t內的壓力P盡可能恒定應則需要讓Mc與Mr近似相等。

4.2 分析 P 與ρ的對應關系

一個小工作周期結束后我們可以得出Ms，再根據物質的密度公式可以得出ρ。在建立M 的模型前需要對高壓油管內的壓力與密度的關系進行分析：

擬合算法是指已知某函數的若干離散函數值{f1，f2…fn}，通過調整該函數中若干待定系數f（？姿1，？姿2…？姿3）使得該函數與已知點集的差距（即最小二乘意義） 最小。

我們把 P=100MPa 與其對應的彈性模量作為起點，把數據利用MATLAB軟件中CFTOOL 函數進行置信度為 99%的一階線性擬合。當取P=0.5MPa時，我們可以通過公式（1）得到 P=100.5MPa 時對應密度，在 200 次迭代后可得到P與ρ的關系式：ρ=0.0003254P+0.8187（2）

其線性關系如圖 3所示。

4.3 求解T

單位時間內進入高壓油管的燃油量可由下式計算：

4.3.1 理想模型

在此模型下假設一個小工作周期內高壓油泵的入油速度不隨時間改變。在噴油嘴完成第一次小工作周期時，

4.3.2 實際模型

此模型下小工作周期內高壓油泵的入油速度隨時間改變。在第一次小工作周期后Q 初始值為 8.2713m3/s，P 初始值為69.6MPa，由：

經迭代計算可以得出：當迭代 619 次后∑m與Mr 近似相等。綜上所述，在每個小工作周期噴油嘴工作完成后，開閥時間在6.19ms時高壓油管內壓強可近似穩定在100MPa。

5? 模型評價

本文針對高壓燃油系統的結構特點，建立不同的模型并綜合運用各種方法得到精細化控制的方案，對于實際過程具有一定的理論指導意義。但是針對解題關鍵點燃油密度的求解，我們選擇忽略溫度這一條件對密度的影響;同時針對進出油順序我們選擇先出后進的原則，這些都具有一定的局限性。在考慮實際問題中，需要對其做一定的修正。

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