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        基于SimulationX的船用高壓共軌燃油系統(tǒng)仿真

        2015-12-04 07:06:46屠星星王俊雄黃丹清張和牧銀海中
        艦船科學(xué)技術(shù) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:軌壓共軌齒條

        屠星星,王俊雄,黃丹清,張和牧,銀海中

        (1.上海交通大學(xué) 動力裝置及自動化研究所,上海200030;2.中船動力研究院有限公司,上海200129)

        0 引 言

        對物理系統(tǒng)建模主要有2 種方法:基于數(shù)學(xué)關(guān)系的建模和基于物理對象的建模。前者需對物理部件蘊含的數(shù)學(xué)關(guān)系十分清楚,通過編程或利用Simulink 之類軟件的基本數(shù)學(xué)模塊搭建模型,往往簡單的物理系統(tǒng)需要龐大的數(shù)學(xué)模型來表征。后者將物理系統(tǒng)分解成工程系統(tǒng)的各種最小要素,這些要素可由專門的建模軟件提供,用戶即便在不了解內(nèi)在數(shù)學(xué)關(guān)系的情況下,也能夠根據(jù)物理結(jié)構(gòu)用最小要素搭建系統(tǒng)模型,不但搭建過程簡便快捷,而且系統(tǒng)模型比數(shù)學(xué)模型簡潔的多,很適合復(fù)雜、龐大物理系統(tǒng)的建模。

        SimulationX 是一種可以基于物理對象建模的軟件。它是一款多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析工具,在汽車、航空航天、船舶等工業(yè)領(lǐng)域有著許多成功案例[1]。本文以瓦錫蘭RT-flex48 柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)為研究對象,用SimulationX 對其建模仿真,根據(jù)仿真結(jié)果對進油量、軌壓波動和噴油率等進行分析。

        1 燃油系統(tǒng)建模

        1.1 SimulationX 基本要素分析

        液壓系統(tǒng)基本元件主要有阻性元件、容性元件和感性元件3 類。在SimulaitionX 中,阻性元件有節(jié)流孔、單向閥等;容性元件有容積、活塞腔等;感性元件主要是管路。

        對于節(jié)流孔,數(shù)學(xué)關(guān)系可表示為

        式中:Q,Cq和A 分別為節(jié)流孔的流量、流量系數(shù)和流通面積;ΔP 為節(jié)流孔兩端壓差;ρ 為流體密度。

        容性元件基于連續(xù)性方程[2]

        對于管路模型,主要基于以下公式

        式中:ΔPAB為管路兩端壓差;ΔPvisc,ΔPaccel和ΔPhydrost是因摩擦、流體慣性及重力引起的壓力降。

        1.2 SimulationX 模型搭建

        RT-flex48 機高壓共軌燃油系統(tǒng)主要由高壓油泵、燃油共軌管、噴油控制單元(ICU)和噴油器組成[3]。

        圖1 高壓共軌燃油系統(tǒng)原理圖Fig.1 Common rail fuel system schematic diagram

        RT-flex48 機的高壓油泵是機帶單體柱塞泵。柱塞上部開有斜槽,柱塞下行到某一位置,斜槽與進油口對上,燃油進入柱塞腔;柱塞上行,斜槽與進油口分離后,進油口關(guān)閉[4]。柱塞旋轉(zhuǎn)之后,斜槽與進油口對接的流通面積也會被改變。油泵執(zhí)行器控制油泵齒條位移,油泵齒條拉動柱塞旋轉(zhuǎn),從而控制油泵進油量,即控制了高壓油泵泵入共軌管的油量。

        圖2 高壓油泵及燃油共軌管結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the pump and common rail

        圖2 中,進油口和節(jié)流孔是阻性元件類的節(jié)流孔,油泵出油單向閥和共軌進油單向閥是阻性元件類的單向閥,柱塞腔和緩沖腔是容性元件類的活塞腔和容積。高壓燃油輸送管和燃油共軌管是感性元件類的管路。共軌管要給6個噴油控制單元供油,所以共軌管需分解成7 段管路。

        圖3 泵和共軌管的SimulationX 模型Fig.3 The SimulationX model of the pump and common rail

        同理可建噴油控制單元的SimulationX 模型。高壓燃油管將燃油輸送到盛油槽,盛油槽油壓升高,推動針閥往上運動,因此盛油槽內(nèi)燃油進入噴油嘴,開始噴射。達(dá)到噴射時間長度后,不再有燃油進入盛油槽,盛油槽油壓下降,針閥落座,噴油結(jié)束[5]。

        圖4 噴油器結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the injector

        圖4 中,進油通道、回油槽、回油通道及噴孔是阻性元件類的節(jié)流孔,盛油槽、噴油嘴以及另外2個液壓腔和是容性元件類的活塞腔,頂桿及針閥是質(zhì)量元件,針閥座可由座閥搭建。

        圖5 噴油器的SimulationX 模型Fig.5 The SimulationX model of the injector

        2 仿真結(jié)果分析

        本次仿真,燃油采用380 號重油,最大凸輪轉(zhuǎn)速為838 rpm,最大油泵齒條位移為31 mm。

        2.1 齒條位移及凸輪轉(zhuǎn)速對進油量的影響

        圖6所示為最大油泵齒條位移下,100%、70%和40%轉(zhuǎn)速對應(yīng)的進油口流量。轉(zhuǎn)速雖然不同,但進油口流量的峰值相同。轉(zhuǎn)速越大,2 次進油之間時間間隔越小,進油頻率越高;轉(zhuǎn)速越小,進油口流量持續(xù)時間越長。40%轉(zhuǎn)速時,進油口流量出現(xiàn)負(fù)值,說明柱塞腔已經(jīng)完全進滿燃油,并且有燃油被壓出,進油口同時也起到了回油作用。因此,凸輪轉(zhuǎn)速決定了進油持續(xù)時間和進油頻率。

        圖6 不同轉(zhuǎn)速下進油口流量Fig.6 The flow rate of the oil inlet at different speeds

        圖7所示為100% 轉(zhuǎn)速下,最大齒條位移、70%齒條位移及40%齒條位移對應(yīng)的進油口流量。雖然齒條位移不同,但流通時間相同。隨著齒條位移的減小,流量峰值減小,而且峰值位置偏離流量曲線的中心,齒條位移越小,峰值位置偏離越大。因此,齒條位移決定進油流量峰值。

        圖7 不同齒條位移下進油口流量Fig.7 The flow rate of the oil inlet at different rack displacements

        2.2 軌壓波動分析

        圖8 是共軌管左右兩端的油壓。左右兩端油壓不同,說明沿著管方向軌壓不一樣。在高壓油泵給共軌管供油時,左端軌壓滯后于右端軌壓,滯后時間約為4 ms,共軌壓力波傳遞效果明顯;其他時刻,壓力波也在傳遞,只是左右段軌壓滯后時間變化。共軌管內(nèi)存在明顯的壓力波傳遞。

        圖8 共軌管左右兩端油壓Fig.8 The rail pressure at the left and right sides

        面向數(shù)學(xué)關(guān)系的燃油系統(tǒng)建模,往往將共軌管簡化成一個具有單一壓力的容積,未考慮管內(nèi)因燃油慣性引起的壓力波傳遞。圖9 是容積模型軌壓以及本文管路模型軌壓(取右端壓力)。

        容積模型軌壓變化平穩(wěn),波動頻率小。管路模型考慮了壓力波傳遞,更接近真實情況:不僅供油和噴油階段會產(chǎn)生壓力波動,其他時刻壓力也不穩(wěn)定,因壓力波傳遞也存在明顯的波動。一次供油或噴油導(dǎo)致的最大壓力波動約為30 bar,其他時刻因壓力波傳遞導(dǎo)致的最大壓力波動約為20 bar,達(dá)到供噴油最大壓力波動的70%。壓力波傳遞使得軌壓波動頻率更高,振幅更大,這種影響不可忽視。

        圖9 兩種模型軌壓對比Fig.9 The comparison of rail pressure from two models

        容積模型弱化了共軌管的軌壓波動,基于容積模型的軌壓控制策略在調(diào)控實際系統(tǒng)軌壓時,存在較大風(fēng)險,不易達(dá)到理想的穩(wěn)壓效果。所以,以研究控制策略為目的的燃油系統(tǒng)建模,考慮共軌管壓力波傳遞很有必要。

        2.3 軌壓對噴油的影響

        噴油量取決于噴射時間及噴射壓力。對于一個既定的燃油系統(tǒng),噴射壓力取決于軌壓。因此軌壓對噴油速率和噴油量有著較大影響。

        圖10所示為噴射等量燃油900 bar、700 bar和500 bar 軌壓對應(yīng)的噴油速率曲線。軌壓越高,噴油速率峰值越大,噴油持續(xù)時間越短。

        圖10 不同軌壓下噴油速率Fig.10 The injection rate under different pressure

        軌壓變高,燃油的噴射壓力也隨之變高,因此燃油的霧化質(zhì)量更好。隨著軌壓的提高,噴孔流量峰值明顯提高,噴射時間明顯縮短,燃油更快速地噴入氣缸,并且在急燃期內(nèi)快速燃燒。更好的霧化質(zhì)量和快速燃燒使得缸內(nèi)爆壓和最高溫度變高,因此同樣的噴油量能夠做更多的功,柴油機的經(jīng)濟性能更好。

        不過隨著爆壓的升高,零部件受到強烈沖擊,柴油機運轉(zhuǎn)粗暴,振動加強,影響柴油機壽命[6]。

        3 結(jié) 語

        1)凸輪轉(zhuǎn)速越大,進油持續(xù)時間越短,進油頻率越高;油泵齒條位移越大,進油流量峰值越大,通過調(diào)節(jié)油泵齒條位移控制進油量達(dá)到穩(wěn)定軌壓的目的。

        2)共軌管內(nèi)存在明顯的壓力波傳遞。壓力波傳遞使得軌壓波動頻率更高,振幅更大。以研究控制策略為目的的燃油系統(tǒng)建模,有必要考慮共軌管內(nèi)的壓力波傳遞。

        3)軌壓越高,噴油速率峰值越大,霧化質(zhì)量越好,燃油進入氣缸快速燃燒,柴油機做功效率更高,經(jīng)濟性能更好,但運轉(zhuǎn)粗暴,影響壽命。

        [1]劉寶生.SimulationX 多學(xué)科建模和仿真工具[J].CAD/CAM 與制造業(yè)信息化,2009(9):34-36.LIU Bao-sheng.SimulationX- A multidisciplinary tool os modeling and simulating [J].Digital Manufacturing Industry,2009(9):34-36.

        [2]陳卓如.工程流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1992:101-106.

        [3]BRUNNER H,BETSCHART M,F(xiàn)RANKHAUSER S.Common-rail wartsila two-stroke engines in practice[C]//CIMAC,2007.

        [4]李曉波.史鏡海.柴油機高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)的仿真研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2008,29(5):465-468.LI Xiao-bo,SHI Jing-hai.Simulating the high-pressure common-rail fuel injection system of diesel engines[J].Journal of Harbin Engineering University,2008,29(5):465-468.

        [5]李斯欽.船用電控柴油機燃油共軌系統(tǒng)建模與仿真研究[D].廈門:集美大學(xué),2011.

        [6]潘軍如,施祥.軌壓對高壓共軌發(fā)動機性能的仿真與試驗[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2011(2):1-3,24.PAN Jun-ru,SHI Xiang.The simulation and experiment of rail pressure on performance of high pressure common rail engine[J].I.C.E&Powerplant,2011(2):1-3,24.

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