李斯欽，楊國豪，黃加亮

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

0 引言

燃油共軌噴射技術(shù)是20世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)三大突破之一，全球的大型船用柴油機(jī)生產(chǎn)商都致力于該項(xiàng)技術(shù)的研究以推動(dòng)船用智能柴油機(jī)的應(yīng)用.國內(nèi)相關(guān)院校和船舶重工研究所都先后展開了燃油共軌系統(tǒng)仿真、伺服油系統(tǒng)仿真、共軌管壓力波動(dòng)仿真、噴射控制策略等研究［1-4］.船用智能柴油機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比具有所有運(yùn)行轉(zhuǎn)速下低排放、部分負(fù)荷時(shí)有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性、操作簡便，減少維護(hù)保養(yǎng)的工作量、延長柴油機(jī)大修的時(shí)間、能夠在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［5-6］.因此，開展對燃油共軌系統(tǒng)的建模仿真研究可以詳細(xì)地反映出燃油系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，可以減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改造和升級等的工作量，節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力.而Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，目前Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)，筆者采用Simulink進(jìn)行模塊化建模仿真，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，符合要求.

1 Sulzer RT-flex柴油機(jī)共軌系統(tǒng)

RT-flex柴油機(jī)共軌系統(tǒng)原理如圖1所示.該系統(tǒng)包含燃油共軌系統(tǒng)、起動(dòng)空氣系統(tǒng)和排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由共軌單元、WECS控制系統(tǒng)、供油單元、噴射控制單元、排氣閥驅(qū)動(dòng)單元、傳感器等組成［7］.

圖1 Sulzer RT-flex的共軌系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematics of the common-rail systems of Sulzer RT-flex engines

圖2為Sulzer RT-flex大型低速船用柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由WECS-9500控制系統(tǒng)、噴射控制閥、燃油共軌管、高壓油泵、噴油器和伺服單元等組成的.

Sulzer 7RT-flex 60C型柴油機(jī)每個(gè)氣缸有3個(gè)噴油器，WECS-9500控制系統(tǒng)可根據(jù)檢測的負(fù)荷控制噴油器工作，可以3個(gè)同時(shí)噴油，也可2個(gè)或1個(gè)單獨(dú)工作，還可3個(gè)輪流噴油.低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，減少工作噴油器的數(shù)量，從而節(jié)省燃油、減少廢氣排放①W?rtsil? Switzerland Ltd.Common Rail At Sea:The Sulzer KT-flex Engine.瓦錫蘭公司內(nèi)部資料..

圖2 Sulzer RT-flex燃油共軌系統(tǒng)Fig.2 Fuel common-rail system of Sulzer RT-flex engines

2 燃油共軌系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)燃油軌內(nèi)充滿燃油，則燃油軌的壓力可表示為［8-11］:

式中:p為燃油共軌管壓力;V為燃油共軌管體積;Be為燃油彈性模量;Qin為流入共軌管燃油體積流量;Qout為流出流量;dV/dt為機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成的體積變化量.

燃油噴射控制閥如圖3所示.

1)控制閥的運(yùn)動(dòng)

由于電磁閥動(dòng)作迅速，所以假設(shè)電磁閥動(dòng)作為開關(guān)量.由牛頓定律得到閥芯的受力平衡方程為［9-11］:

式中:mc為閥芯的質(zhì)量;yc為控制閥芯位移;Bc為粘性阻尼系數(shù);kc為彈簧彈性系數(shù);fc為閥芯摩擦力;pso為驅(qū)動(dòng)活塞的伺服油壓力;Ac為執(zhí)行活塞橫截面積.

假設(shè)閥芯在上升0.5 cm時(shí)全開、錐角為45°，則閥芯通流面積可表示為:

式中:R為閥孔的直徑;h為閥芯升程.

圖3 燃油噴射控制閥Fig.3 Injection control valves

2)量油活塞的運(yùn)動(dòng)

量油活塞的運(yùn)動(dòng)速度的方程為:

式中:yo為量油活塞位移;Ao1為量油活塞截面積;Qout為共軌管到噴油器的燃油量.

共軌管到噴油器的油量Qout的方程為:

式中:pr為燃油軌壓力;pn為噴嘴腔壓力;ρr為燃油密度;μn為噴射控制閥的流量系數(shù);Ao為噴射控制閥截面積.

當(dāng)噴油量達(dá)到要求時(shí)，控制單元發(fā)出停油指令，量油活塞不動(dòng).根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，可得量油活塞的運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:mo為量油活塞的質(zhì)量;fo為摩擦力;Ao2為量油活塞連桿的截面積;Bo為粘性阻尼系數(shù).

Sulzer RT-flex60C的高壓油泵為三作用柱塞泵，泵的出口裝配蓄壓器，因此可采用平均流量:

式中:ne為柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速;i為曲軸齒輪和油泵齒輪傳動(dòng)比;x為高壓油泵流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)油泵供油量;Vp為高壓油泵的額定供油量.

噴嘴壓力為:

式中:pn為噴油器噴嘴的壓力;Vn為噴嘴的容積;Be為燃油油彈性模量;Qinj為噴油器噴入氣缸的燃油體積流量;Qout為經(jīng)噴射控制閥到噴油嘴的燃油流量;dVn/dt為機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成的噴嘴容積變化.

噴油器噴入氣缸燃油體積流量為:

式中:ρn為燃油密度;pn為噴嘴的燃油壓力;pz為噴油時(shí)的氣缸壓力;μn為噴嘴的流量系數(shù);An為噴嘴的通流面積.

燃油共軌管壓力采用比例-積分-微分控制，根據(jù)控制器設(shè)定的共軌管壓力與實(shí)際壓力進(jìn)行計(jì)算:˙p=(Be/V)(Qin-Qout).

3 基于MATLAB/Simulink的燃油共軌系統(tǒng)模型

根據(jù)式 (1)和式 (7)建立了燃油軌模塊，如圖4所示.其中，高壓油泵流量調(diào)節(jié)c.X是根據(jù)轉(zhuǎn)速ne和負(fù)荷pe計(jì)算得到的共軌管設(shè)定壓力prs與實(shí)際壓力preat經(jīng)過比例-積分-微分計(jì)算所得，如圖5所示.

圖4 燃油軌模塊Fig.4 Fuel common rail system module

圖5 燃油流量調(diào)節(jié)PID計(jì)算Fig.5 PID calculation module of fuel flow control

根據(jù)公式 (5)建立了燃油軌閥模塊，如圖6所示.

根據(jù)式 (3)—式 (9)建立了噴油嘴模型，如圖7所示.

圖6 燃油軌閥模塊Fig.6 Rail valve module

圖7 噴油嘴模塊Fig.7 Injector module

噴油定時(shí)模塊是通過查表的方法得到不同工況下柴油機(jī)的噴油定時(shí)的，模塊以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷為輸入量進(jìn)行查表，得到當(dāng)前工況下的噴油定時(shí)輸出量.不同工況下柴油機(jī)噴油定時(shí)如表1所示.

其中:“+”表示的曲軸轉(zhuǎn)角 (CA)為上止點(diǎn)之后的，“-”表示的曲軸轉(zhuǎn)角為上止點(diǎn)之前.噴油正時(shí)在上止點(diǎn)后的原因在于在某些工況下，為滿足MARPOL公約排放要求而使得噴油器滯后噴油.

噴射控制模塊 (Inj Ctl模塊)包括噴油開始觸發(fā)模塊和量油活塞位移比較模塊.如圖8所示.

表1 不同工況下柴油機(jī)噴油正時(shí)Tab.1 Injection timing in different conditions

圖8 Inj Ctl模塊結(jié)構(gòu)Fig.8 Inj Ctl module

封裝之后的燃油共軌系統(tǒng)模型如圖9所示.

圖9 燃油共軌系統(tǒng)模型Fig.9 Model of fuel common rail system

4 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖10和表2所示.其中，設(shè)定值為柴油機(jī)電子控制單元 (ECU)根據(jù)不同工況的軌壓設(shè)定值和噴油正時(shí)設(shè)定值設(shè)定，來自柴油機(jī)參數(shù)圖譜(MAP圖).仿真結(jié)果顯示:噴嘴腔壓力曲線在噴油時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)，波動(dòng)大小與共軌管容積大小有關(guān);燃油共軌管軌壓實(shí)際值和實(shí)際噴油正時(shí)隨負(fù)荷增加誤差變大，可能與高壓油泵調(diào)節(jié)桿和簡化噴油電磁閥、閥芯通流面積計(jì)算方式的選擇有關(guān)，但總的仿真結(jié)果接近于設(shè)定值，誤差均小于5%，滿足要求，說明所建仿真模型是準(zhǔn)確有效性的.

圖10 各典型工況下噴嘴腔壓力Fig.10 Pressure of nozzle chamber under different typical conditions

表2 各典型工況下的仿真數(shù)據(jù)Tab.2 Simulated data in different typical conditions

5 結(jié)論

采用模塊化方法建立Sulzer 7RT-flex 60C燃油共軌系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型，使燃油共軌系統(tǒng)各部件以及控制系統(tǒng)之間的關(guān)系清晰明了，仿真界面簡潔，整個(gè)仿真模型封裝之后只有ECU模塊和燃油系統(tǒng)模塊.模型的建立對柴油機(jī)試驗(yàn)和仿真測試以及燃油共軌系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值.

此外，模型存在誤差的原因:1)在建模過程中，對次要因素進(jìn)行了一定的假設(shè)，如噴射控制閥的開關(guān)動(dòng)作、噴油器針閥啟閥壓力等等，從而產(chǎn)生了誤差;2)燃油系統(tǒng)部件的尺寸、動(dòng)作原理、參數(shù)等數(shù)據(jù)不夠完整，少部分?jǐn)?shù)據(jù)依靠實(shí)物測量或推導(dǎo)計(jì)算等方式得到，會產(chǎn)生一定誤差.

今后，將進(jìn)一步完善該系統(tǒng)各個(gè)部件的相關(guān)參數(shù)，盡量減少條件假設(shè)，繼續(xù)完善該系統(tǒng)的仿真以提高準(zhǔn)確度.

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