王小說(shuō) 安士杰 周 磊 張衛(wèi)東

（1-海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 湖北 武漢 430033 2-空軍預(yù)警學(xué)院）

引言

經(jīng)過(guò)多年引進(jìn)、反向設(shè)計(jì)、消化與吸收，我國(guó)新一代自主研發(fā)高速柴油機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平：?jiǎn)胃坠β蕿?60～200 kW，強(qiáng)化指標(biāo)達(dá)到30～32 MPa·（m/s），標(biāo)定工況時(shí)油耗≤200 g/（kW·h）。要實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)目標(biāo)，超高壓共軌技術(shù)和柴油機(jī)智能控制技術(shù)是必須的技術(shù)途徑。

現(xiàn)有的燃油噴射系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制方法，該方法依靠臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)確定柴油機(jī)在不同工況下的最佳控制參數(shù)，并根據(jù)環(huán)境因素（如進(jìn)氣溫度和壓力、油溫以及水溫等），對(duì)控制參數(shù)做一定的修正，同型號(hào)柴油機(jī)采用相同的控制參數(shù)，但由于工業(yè)生產(chǎn)精度的差異，同型號(hào)的柴油機(jī)也存在一定的個(gè)體差異[1]。這就會(huì)影響柴油機(jī)開(kāi)環(huán)控制的效果。同時(shí)，現(xiàn)有的燃油電控噴射系統(tǒng)不能根據(jù)柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)的改變（如噴油系統(tǒng)磨損、缸套與活塞環(huán)配合間隙的變化、燃燒室積碳等）做出相應(yīng)的改變，且不能有效地對(duì)瞬態(tài)工況進(jìn)行控制[2]。

與開(kāi)環(huán)控制方法相對(duì)應(yīng)的是基于缸壓的燃燒閉環(huán)控制方法，該方法指的是在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)取缸壓數(shù)據(jù)并計(jì)算處理，并以缸內(nèi)燃燒狀態(tài)作為反饋量，實(shí)時(shí)地調(diào)整柴油機(jī)控制參數(shù)，從而達(dá)到精確優(yōu)化其燃燒過(guò)程的目的。相比于開(kāi)環(huán)控制方法，基于缸壓的燃燒閉環(huán)控制在降低油耗、排放和各缸一致性等各個(gè)方面都有更大的優(yōu)勢(shì)[3]。基于此，本文為深入研究缸內(nèi)燃燒參數(shù)與柴油機(jī)性能以及控制參數(shù)之間的關(guān)系，選取出最合適的燃燒反饋參數(shù)及控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)燃燒的閉環(huán)控制，基于GT-Power軟件建立了TBD314V8柴油機(jī)的仿真模型，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)模型研究了噴油量和噴油提前角對(duì)IMEP和CA50的影響，同時(shí)分析了柴油機(jī)性能隨IMEP和CA50的變化規(guī)律。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 模型建立

基于GT-POWER建立的柴油機(jī)整機(jī)仿真模型如圖1所示，該模型主要由進(jìn)排氣模型、氣缸模型、噴油器模型以及渦輪增壓器模型等組成[4]。其中，進(jìn)排氣模型主要包括進(jìn)排氣總管、進(jìn)排氣歧管和進(jìn)排氣門(mén)，在建立該模型時(shí)可在獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和離散化處理，轉(zhuǎn)化為計(jì)算需要的一維管路模型；氣缸模型中燃燒模型采用Wiebe模型，傳熱模型采用Woschni模型；噴油器模型則采用InjMultiProfileConn噴射模型；渦輪增壓模型由渦輪機(jī)模型和壓氣機(jī)模型組成，兩者之間通過(guò)傳動(dòng)軸模型相連[5]。柴油機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示。

圖1 TBD314V8柴油機(jī)整機(jī)仿真模型

1.2 模型驗(yàn)證

為保證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要驗(yàn)證所建模型。通過(guò)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn)，得出的轉(zhuǎn)矩、功率和油耗計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果如圖2所示。由圖可知，仿真計(jì)算的轉(zhuǎn)矩、功率和油耗值與試驗(yàn)值基本一致，最大誤差在5%以內(nèi)，表明所建立的仿真模型較為合理，可以用來(lái)模擬實(shí)際情況。

表1 TBD314V8主要性能參數(shù)表

圖2 仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 噴油量和噴油提前角對(duì)IMEP和CA50的影響

2.1.1 噴油量對(duì)IMEP和CA50的影響

定義噴油量為204mg下的ΔCA50值為0。噴油量對(duì)IMEP和ΔCA50的影響如圖3所示。由圖可知，噴油量與IMEP和ΔCA50之間呈一定的線性關(guān)系，隨著噴油量的增大，IMEP由1.14 MPa增加到2.06 MPa的峰值，ΔCA50由 1.97°CA 到 0°CA。這是因?yàn)殡S著噴油量的增大，做功增加從而導(dǎo)致IMEP增加，著火滯燃期減小，燃燒時(shí)間提前，相應(yīng)的CA50也向前移動(dòng)。從變化幅度看，柴油機(jī)中IMEP與每缸噴油量關(guān)系最為密切，即每缸噴油量對(duì)IMEP影響最大。

2.1.2 噴油提前角對(duì)IMEP和CA50的影響

圖3 噴油量對(duì)IMEP和ΔCA50的影響

圖4 噴油提前角對(duì)IMEP和CA50的影響

噴油提前角對(duì)IMEP和CA50的影響如圖4所示。由圖可知，噴油提前角從-21°CA變化到-12°CA ATDC，噴油提前角與IMEP之間具有相關(guān)的關(guān)系，而與CA50則呈線性相關(guān)。當(dāng)噴油提前角后移時(shí)，IMEP逐漸下降而CA50逐漸上升。這是因?yàn)殡S著噴油角的后移，缸內(nèi)的燃燒過(guò)程也后移，燃燒始點(diǎn)后移，放熱率曲線整體后移使得CA50增大，缸內(nèi)的壓力和溫度下降，做功減少，IMEP也就逐漸減小。從變化幅度看，噴油提前角對(duì)CA50影響最大，對(duì)IMEP也會(huì)有一定影響。

2.2 柴油機(jī)性能隨IMEP和CA50的變化關(guān)系

2.2.1 柴油機(jī)性能隨IMEP的變化關(guān)系

圖5 IMEP對(duì)柴油機(jī)性能的影響

IMEP對(duì)柴油機(jī)性能的影響如圖5所示。由圖可知，隨著IMEP的增大，轉(zhuǎn)矩、缸內(nèi)爆壓、NOx均逐漸增大，而油耗逐漸減小，且具有線性關(guān)系。這是因?yàn)镮MEP增大代表燃燒更加充分，缸內(nèi)的壓力和溫度增大，做的功更多，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增加，爆壓增加，油耗下降，NOx的排放增加。

2.2.2 柴油機(jī)性能隨CA50的變化關(guān)系

CA50對(duì)油耗和NOx的影響如圖6所示。由圖可知，隨著CA50的增大，功率下降，缸內(nèi)爆壓下降，動(dòng)力性變差，油耗增加，NOx的值減小，經(jīng)濟(jì)性變差。這是因?yàn)镃A50的增大代表著缸內(nèi)的燃燒過(guò)程后移，滯燃期增長(zhǎng)，整個(gè)燃燒過(guò)程更加不充分，放出的熱量減少，導(dǎo)致功率下降，缸內(nèi)爆壓下降，油耗增加，缸內(nèi)的溫度和壓力隨著CA50的增大而減小，從而NOx的值隨著減小。

圖6 CA50對(duì)油耗和NOx的影響

3 結(jié)論

1）在驗(yàn)證模型的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率以及油耗的仿真值和試驗(yàn)值基本吻合，表明所建立的仿真模型較為合理，可以用來(lái)模擬實(shí)際情況。

2）噴油量與IMEP具有明顯的線性關(guān)系，噴油提前角與CA50具有明顯的線性關(guān)系，表明噴油量和噴油提前角可用來(lái)做閉環(huán)缸壓控制的控制參數(shù)。

3）IMEP和CA50對(duì)柴油機(jī)性能的影響顯著，可用來(lái)做閉環(huán)缸壓控制的反饋參數(shù)。