陳海龍

（武警海警學(xué)院機(jī)電管理系 浙江 寧波 315801）

引言

高壓或超高壓噴射，噴射壓力、噴油定時(shí)和噴油量的靈活控制，噴油速率控制以及預(yù)噴射、分段噴射、多次噴射和快速停油等措施是通過(guò)改善燃油噴射系統(tǒng)來(lái)改善柴油機(jī)綜合性能的主要技術(shù)途徑。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱高壓共軌系統(tǒng)）被認(rèn)為是綜合實(shí)現(xiàn)上述多種途徑的一種最佳形式，也是最具發(fā)展前途的柴油機(jī)燃油噴射技術(shù)之一[1-2]。

高壓共軌系統(tǒng)的共軌壓力（簡(jiǎn)稱軌壓）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性直接影響到高壓共軌系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)理想的噴油規(guī)律[3]。因此，軌壓的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題是當(dāng)前高壓共軌系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。為減小軌壓波動(dòng)和高壓油泵的功率消耗，本文在分析了現(xiàn)階段軌壓控制技術(shù)研究特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)軌壓控制及噴油速率等進(jìn)行了模擬仿真研究。

1 高壓共軌系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與原理

本文所研究的高壓共軌系統(tǒng)由噴油泵總成、噴油器總成、限流器、共軌管和控制模塊等組成，見(jiàn)圖1。

圖1 高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)階段研究軌壓控制問(wèn)題的方法主要有高壓油泵進(jìn)油量控制和共軌管溢流控制等2 種[3]。其中，高壓油泵進(jìn)油量控制方法由于高壓油泵功率消耗少、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。但在進(jìn)油量計(jì)量方法上，大多采用時(shí)間控制，即通過(guò)控制高壓油泵進(jìn)油比例電磁閥（簡(jiǎn)稱進(jìn)油比例電磁閥）打開(kāi)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制柱塞有效吸油行程（吸油行程控制方式）或有效壓油行程（壓油行程控制方式）。這種控制方法要求進(jìn)油比例電磁閥的響應(yīng)速度特別快（10E-04 s 級(jí)），以保證進(jìn)油比例電磁閥打開(kāi)或關(guān)閉的時(shí)間精確對(duì)應(yīng)于柱塞行程。為提高進(jìn)油比例電磁閥的響應(yīng)速度，只能減小其流通截面積（10E-06 mm2級(jí)）。因此，每一個(gè)柱塞副必須單獨(dú)匹配一個(gè)進(jìn)油高速電磁閥，系統(tǒng)非常復(fù)雜。

本文采用進(jìn)油比例電磁閥的方式來(lái)控制軌壓，具體工作原理如圖2 所示。

圖2 高壓油泵進(jìn)油比例控制工作示意圖

當(dāng)共軌管需要供油且進(jìn)油比例電磁閥兩端壓差為正值時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，進(jìn)油比例電磁閥按比例打開(kāi)，并保持恰當(dāng)?shù)挠行Я魍娣e。燃油經(jīng)進(jìn)油比例電磁閥計(jì)量后進(jìn)入高壓油泵公共進(jìn)油道，而后如果某一柱塞副的柱塞下行，該柱塞副的進(jìn)油單向閥被打開(kāi)，低壓燃油被吸入柱塞腔，直至柱塞反轉(zhuǎn)上行，開(kāi)始?jí)河?，進(jìn)油單向閥自動(dòng)關(guān)閉，燃油壓力迅速上升，燃油經(jīng)出油單向閥進(jìn)入共軌管。軌壓上升，直至超過(guò)設(shè)定值，控制器發(fā)出信號(hào)關(guān)閉進(jìn)油比例電磁閥，共軌管內(nèi)燃油得不到高壓泵的補(bǔ)充而迅速下降。一旦下降到低于設(shè)定值，控制器又控制進(jìn)油比例電磁閥打開(kāi)，高壓油泵再次供油，且供油量與共軌管內(nèi)燃油的需求量達(dá)到精確的平衡，軌壓以很高的精度與較快的響應(yīng)維持穩(wěn)定。

2 仿真計(jì)算模型

根據(jù)圖1 所示的高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立其仿真模型，見(jiàn)圖3。圖3 中，只列出了噴油器A1 和A8、噴油器B1 和B1 等4 個(gè)噴油器及其對(duì)應(yīng)的限流器，噴油器A2～A7、噴油器B2～B7 等12 個(gè)噴油器及其對(duì)應(yīng)的限流器并未列出。整個(gè)模型包括：高壓油泵邊界、共軌管邊界、噴油器邊界、Simulink 軌壓控制模塊等。

針對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)目標(biāo)，在模型中作了如下假設(shè)：

1）燃油流動(dòng)是一維可壓縮非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

2）容積單元為剛性體，在高壓下無(wú)彈性膨脹；考慮共軌管的壁厚及彈性模量[4]；

3）在工作過(guò)程中，燃油的表面張力恒為0，溫度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等熱屬性不變，粘度、密度、彈性模量等物理屬性和壓力相關(guān)；

4）不考慮平面密封等由加工問(wèn)題造成的泄漏，只考慮圓柱運(yùn)動(dòng)副的泄漏；

5）不考慮截面突變產(chǎn)生的流動(dòng)損失；

6）燃油在同一集中容積內(nèi)的同一瞬時(shí)，壓力、密度處處相等。

圖3 高壓共軌系統(tǒng)仿真模型

2.1 模型中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

由于軟件對(duì)于模塊的使用數(shù)量及計(jì)算結(jié)果的保存數(shù)量有一定限制，比如凸輪及邊界2 者的總數(shù)應(yīng)≤60 個(gè)，保存的計(jì)算結(jié)果（參數(shù)）應(yīng)＜600 個(gè)。而本文所研究的高壓共軌系統(tǒng)適用于某16 缸V 型發(fā)電用柴油機(jī)，系統(tǒng)龐大，關(guān)鍵部件及參數(shù)繁多。因此，能共用的壓力邊界應(yīng)盡量采用同一壓力邊界模塊，對(duì)于非關(guān)鍵性參數(shù)可不保存。

在高壓油泵的建模過(guò)程中，由于多個(gè)柱塞副的凸輪之間存在相位差，在設(shè)置柱塞腔初始容積時(shí)，應(yīng)按照計(jì)算開(kāi)始時(shí)該柱塞副柱塞實(shí)際位置所對(duì)應(yīng)的實(shí)際容積填寫，避免仿真運(yùn)算時(shí)，不同的柱塞副其容積不一樣，造成泵油能力不一致，影響軌壓計(jì)算。

共軌管內(nèi)徑越大，初始軌壓越大，模型計(jì)算步長(zhǎng)及控制模塊的采樣頻率應(yīng)設(shè)置得越小。同時(shí)，控制模塊的采用頻率應(yīng)≤進(jìn)油比例電磁閥的物理開(kāi)關(guān)頻率（本文為200 Hz）。

2.2 Simulink 軌壓控制模塊

在進(jìn)油比例電磁閥打開(kāi)時(shí)間一定時(shí)，可根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性方程及伯努利方程計(jì)算出進(jìn)油比例電磁閥的有效流通截面積（開(kāi)度）。

式中：μA 為進(jìn)油比例電磁閥的有效流通截面積，m2；ΔpCR為軌壓設(shè)定值與實(shí)際值之間的差值，MPa；V 為共軌管容積，m3；E 為共軌管中的實(shí)際燃油彈性模量；V·ΔpCR/E 為體積流量，m3/s；Δt 為進(jìn)油比例電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間，s；ΔpV為進(jìn)油比例電磁閥兩端的壓力差，MPa；ρ 為實(shí)際燃油密度，kg/m3。

由于柴油機(jī)本身的復(fù)雜性、時(shí)變性，要準(zhǔn)確了解它的數(shù)學(xué)模型是一件相當(dāng)困難的事情。本文首先采用PID 控制對(duì)ΔpCR進(jìn)行修正，然后根據(jù)修正后的壓力差計(jì)算出進(jìn)油比例電磁閥的μA。Simulink 軌壓控制模塊見(jiàn)圖4。

圖4 Simulink 軌壓控制模塊

在實(shí)際的高壓共軌系統(tǒng)中，進(jìn)油比例電磁閥的開(kāi)度是由其線圈中的電流大小所決定的，而線圈中電流大小是由控制器發(fā)來(lái)的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)所控制的。所以，在實(shí)際的高壓共軌系統(tǒng)中，可以通過(guò)控制PWM 信號(hào)占空比來(lái)控制進(jìn)油比例電磁閥的開(kāi)度，進(jìn)而控制軌壓。

3 仿真分析

3.1 不同目標(biāo)壓力對(duì)軌壓控制的影響

設(shè)定凸輪轉(zhuǎn)速為2 862 r/min，曲軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，高壓油泵柱塞直徑為12 mm，2 作用凸輪升程為13 mm；噴油量為585 mm3，限流閥彈簧剛度為3.2 N/mm，彈簧預(yù)緊量為7 mm，限流閥節(jié)流孔的孔徑為0.8 mm，噴油脈寬為24 ℃A，噴孔孔徑為7×0.31 mm；進(jìn)油比例電磁閥開(kāi)關(guān)頻率為200 Hz，進(jìn)油比例電磁閥最大流通直徑為4.37 mm，共軌管直徑為20 mm，共軌管長(zhǎng)度為1 900 mm，共軌管壁厚為20 mm，楊氏模量為210 000 N/mm2。軌壓初始值分別設(shè)置為60 MPa、90 MPa、135 MPa、160 MPa，以適當(dāng)步長(zhǎng)及采樣頻率運(yùn)行仿真模型，軌壓波動(dòng)情況如圖5 所示。

圖5 不同軌壓的波動(dòng)情況

由圖5 可以看出：

1）在仿真開(kāi)始時(shí)，由于2 個(gè)高壓油泵的1 號(hào)柱塞副中已經(jīng)充滿燃油，所以，模型一開(kāi)始運(yùn)行，這2個(gè)柱塞副就向共軌管泵油，造成軌壓上升較快。隨著噴油器噴油，軌壓逐步下降，當(dāng)軌壓低于設(shè)定壓力時(shí)，控制模塊起作用。此后，在各軌壓初值情況下，軌壓波動(dòng)均小于3%。

2）在其它因素不變的情況下，軌壓波動(dòng)幅值隨著初始?jí)毫Φ脑龃蠖杂性龃?。原因可能是軌壓越高，噴油量越大，每次噴射給共軌系統(tǒng)帶來(lái)的激勵(lì)越小。

3）相近的初始?jí)毫ο?，波形比較接近，說(shuō)明控制程序的穩(wěn)定性比較好。

3.2 軌壓控制的響應(yīng)性

電噴系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)噴射參數(shù)獨(dú)立而精確的控制，從而為柴油機(jī)的全工況優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)支撐。設(shè)置軌壓初始值為0，目標(biāo)壓力為60 MPa，其它因素不變（同3.1）。以適當(dāng)步長(zhǎng)運(yùn)行仿真模型，得到軌壓控制的響應(yīng)性效果，見(jiàn)圖6。

圖6 軌壓控制的響應(yīng)性效果

由圖6 可以看出，軌壓從0 到60 MPa，共經(jīng)歷了約3 800 ℃A（即10.55 r），由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，用時(shí)0.35 s，故軌壓建立速度快，且一旦達(dá)到目標(biāo)壓力后能迅速穩(wěn)定。

3.3 噴孔對(duì)噴油特性的影響

其它參數(shù)不變，噴孔孔徑分別取為7×φ0.33 mm、8×φ0.31 mm，共軌壓力分別設(shè)定為140 MPa、160 MPa，噴油持續(xù)期為24°CA（即2.22 ms）。共軌壓力設(shè)定為140 MPa 時(shí)，噴油持續(xù)期需要延長(zhǎng)至26.5 °CA（即2.45 ms，時(shí)間上仍符合2.0～2.5 ms 的設(shè)計(jì)要求）。噴油情況見(jiàn)圖7。

圖7 噴孔對(duì)噴油特性的影響

由圖7 可以看出：

1）在噴孔孔徑及噴油量相同的情況下，隨著共軌壓力的增加，噴油速率增加，噴油持續(xù)期縮短。

2）在共軌壓力及噴油量相同的情況下，不同的噴孔孔徑對(duì)噴油速率的影響甚微，最終的噴孔方案應(yīng)由燃油燃燒情況來(lái)確定。

4 結(jié)論

1）本文分析了高壓共軌系統(tǒng)軌壓控制的若干方式，在此基礎(chǔ)上，確立了進(jìn)油比例控制方式，建立了仿真模型。

2）在不同初始?jí)毫ο碌姆抡娼Y(jié)果表明，進(jìn)油比例控制方式以及PID 控制策略能將實(shí)際軌壓的波動(dòng)控制在3%之內(nèi)。

3）軌壓從0 到60MPa，共經(jīng)歷了約0.35s，軌壓建立速度快。

4）本文的研究思路和仿真策略對(duì)軌壓控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。