李鵬宇 王新校 欒軍山 王賀春 莊安邦

摘要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃燒的精確控制，達(dá)到節(jié)能減排、缸內(nèi)高效燃燒的目的，采用韋伯方程對(duì)高壓共軌柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用匹配試驗(yàn)值和計(jì)算值的方式確定韋伯方程，根據(jù)燃燒效率因數(shù)（a）和燃燒品質(zhì)指數(shù)（m）分別初步建立對(duì)應(yīng)的韋伯方程進(jìn)行計(jì)算。并利用一維分析軟件，對(duì)基于韋伯方程的高壓共軌柴油機(jī)燃燒過(guò)程控制進(jìn)行仿真試驗(yàn)，所得到的穩(wěn)態(tài)仿真模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)取得的穩(wěn)態(tài)真實(shí)試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析和模型校準(zhǔn)，結(jié)果表明一維模型的準(zhǔn)確性良好，可成為實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程控制基礎(chǔ)。

Abstract： In order to achieve precise control of the combustion of high-pressure common rail diesel engines， achieve the purpose of energy saving， emission reduction and high-efficiency combustion in the cylinder， the Wiebe expression is used to analyze the experimental data of high-pressure common rail diesel engines. Determine the Wiebe expression by matching test values and calculated values. According to the combustion efficiency factor （a） and combustion quality index （m）， the corresponding Wiebe equations are initially established for calculation. The combustion process control of high-pressure common rail diesel engine based on the Wiebe expression is simulated by using one-dimensional analysis software. The steady-state simulation model test results are compared and analyzed with the steady-state real test values obtained in the experiment to calibrate model. The results show that the accuracy of one-dimensional model is great， which can be the basis for realizing the control of the combustion process.

關(guān)鍵詞： 內(nèi)燃機(jī);燃燒過(guò)程控制;韋伯方程;參數(shù)確定;模型校準(zhǔn)

Key words： diesel engine;combustion process control;wiebe expression;parameter determination;model calibration

中圖分類號(hào)：U464.138+.1?????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0005-04

0? 引言

節(jié)能減排是目前發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的兩大重要挑戰(zhàn)。由于傳統(tǒng)柴油機(jī)燃油參數(shù)不能靈活調(diào)整，很難實(shí)現(xiàn)總體性能指標(biāo)要求的同時(shí)，追求更高熱效率和更低的燃油消耗率。在節(jié)能減排的目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)重大突破。如果對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化可調(diào)參數(shù)控制，就可以對(duì)燃燒過(guò)程、熱效率以及燃油消耗率產(chǎn)生積極的影響。探索智能可調(diào)參數(shù)在柴油機(jī)燃燒過(guò)程和噴油之間的關(guān)系，并對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行建立模型并驗(yàn)證，對(duì)開(kāi)發(fā)具有智能化特性的快速調(diào)整和充分燃燒的燃燒控制策略具有重大意義。

為了滿足不斷提高的國(guó)際排放法規(guī)的要求，和柴油機(jī)燃燒控制提出的更高挑戰(zhàn)。要做到與傳統(tǒng)高壓共軌電控噴射系統(tǒng)相比更精確的噴油控制。傳統(tǒng)高壓共軌電控噴射系統(tǒng)依據(jù)噴油角設(shè)定值給出噴射點(diǎn)和噴油時(shí)間，使工況大致滿足當(dāng)前需求。但此種方法控制精度較差，更容易造成燃油浪費(fèi)，并且該噴油方法與燃燒匹配精度較低，容易造成燃燒不完全的現(xiàn)象，排放較高。要改變這種噴油控制就對(duì)噴油的精確控制策略提出了更高要求。基于模型的燃燒過(guò)程實(shí)時(shí)控制具有較好的潛力可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和減少排放[1，2]，而且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的發(fā)展，其計(jì)算能力可以滿足基于模型控制計(jì)算需求。

對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程的實(shí)時(shí)控制可以幫助我們?cè)趯?shí)現(xiàn)節(jié)能減排的道路上更好前進(jìn)。目前，由于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）的計(jì)算能力的提升，建立基于模型的燃燒過(guò)程的實(shí)時(shí)控制也成為了可能[3]。在這一前提下，建立面向控制的發(fā)動(dòng)機(jī)模型是實(shí)現(xiàn)基于模型的燃燒控制的基礎(chǔ)。所以對(duì)燃燒過(guò)程建立模型并且對(duì)模型精度進(jìn)行控制成為了研究的關(guān)鍵。所以本文重點(diǎn)研究了基于控制的柴油機(jī)燃燒模型建立，并對(duì)該模型的實(shí)際精度進(jìn)行校驗(yàn)，保證了對(duì)該模型作為模型控制策略的精確性和有效性。

Wiebe模型[4]作為最經(jīng)典燃燒模型是由I. I. Wiebe于1954年根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理提出的，至今仍廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程建模。Wiebe模型具有很多優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算精度較高，能很好匹配柴油機(jī)燃燒過(guò)程曲線;計(jì)算時(shí)間迅速，能做到快速控制;節(jié)能高效，避免模糊控制帶來(lái)的燃油浪費(fèi)問(wèn)題。

本文根據(jù)實(shí)際高壓共軌柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定Wiebe方程，由韋伯方程確定柴油機(jī)燃燒過(guò)程后利用一維分析軟件，對(duì)基于Wiebe方程的高壓共軌柴油機(jī)燃燒過(guò)程控制進(jìn)行仿真試驗(yàn)并驗(yàn)證，為最終確定基于Wiebe模型的柴油機(jī)控制策略奠定基礎(chǔ)。

1? 韋伯方程分析

根據(jù)TBD620單缸柴油機(jī)試驗(yàn)所得各運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)及缸壓曲線計(jì)算得到燃燒放熱率曲線，進(jìn)而求得已燃分?jǐn)?shù)曲線和比放熱率曲線，計(jì)算得出的已燃分?jǐn)?shù)xb曲線如圖1所示，計(jì)算得出的比放熱率qr曲線如圖2所示。

燃燒過(guò)程采用Wiebe方程對(duì)已燃分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，單Wiebe方程式和根據(jù)Wiebe方程參數(shù)計(jì)算得出的比放熱率qr的表達(dá)式為：

式中，xb（？準(zhǔn)）—曲軸轉(zhuǎn)角運(yùn)行到？準(zhǔn)時(shí)燃燒燃油的已燃分?jǐn)?shù);a—燃燒效率因數(shù);m—燃燒品質(zhì)指數(shù);Δ？準(zhǔn)—燃燒持續(xù)期;？準(zhǔn)0—燃燒始點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角;qch—燃油放熱量;gf—單次循環(huán)柴油噴射量;Hu—柴油低熱值。

2? Wiebe方程變形及各參數(shù)確定

對(duì)（1）式進(jìn)行變形，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，取燃燒分?jǐn)?shù)達(dá)到百分之五十的曲軸轉(zhuǎn)角？準(zhǔn)50作為計(jì)算點(diǎn)，利用該點(diǎn)將a和m之間的關(guān)系建立關(guān)系式（3）：

（3）

整理得：

將式（4）代入式（1）得：由上述公式可以看出，a和m之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，而式（4）中唯一的變量是？準(zhǔn)50，所以根據(jù)已燃分?jǐn)?shù)曲線找出？準(zhǔn)50，即可利用式（4）得到a和m的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 Δ？準(zhǔn)的確定

Wiebe方程中Δ？準(zhǔn)為校準(zhǔn)時(shí)燃燒始點(diǎn)？準(zhǔn)s和燃燒終點(diǎn)？準(zhǔn)e之間的差值。通過(guò)分析燃燒分?jǐn)?shù)曲線，可以發(fā)現(xiàn)燃燒初期和燃燒末期，燃燒十分不穩(wěn)定。在燃燒前期，尤其是2%燃燒分?jǐn)?shù)以下，燃燒分?jǐn)?shù)排列較為密集，無(wú)法精確讀出燃燒始點(diǎn);同樣，在燃燒末期，出現(xiàn)放熱率在0點(diǎn)上下波動(dòng)現(xiàn)象，同樣無(wú)法精確取燃燒終點(diǎn)。另外，燃燒結(jié)束時(shí)燃油幾乎不可能完全燃燒，文獻(xiàn)[6，7]和GT-power軟件中一般認(rèn)為燃燒結(jié)束時(shí)燃油消耗分?jǐn)?shù)為99.9%。

根據(jù)以上分析可知，無(wú)法準(zhǔn)確得知燃燒始點(diǎn)？準(zhǔn)s和燃燒終點(diǎn)？準(zhǔn)e。本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]，？準(zhǔn)s和？準(zhǔn)e分別?。繙?zhǔn)5和？準(zhǔn)95，相應(yīng)的，Δ？準(zhǔn)取Δ？準(zhǔn)5-95。各工況下？準(zhǔn)50取值可以直接由累計(jì)放熱量讀出，如表1所示。

2.2 m的確定

將？準(zhǔn)0預(yù)估為？準(zhǔn)ignite，式（5）通過(guò)兩次取對(duì)數(shù)計(jì)算可轉(zhuǎn)化為式（6）：

由式（6）可以看出，m可通過(guò)擬合95%？叟xb？叟5%數(shù)據(jù)范圍ln[ln（1-xb（？準(zhǔn)））/ln0.5]和ln[（？準(zhǔn)-？準(zhǔn)ignite）/（？準(zhǔn)50-？準(zhǔn)ignite）]的斜率計(jì)算得出。此時(shí)，xb的范圍同上文一樣，選取5%-95%數(shù)據(jù)范圍，所得曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3，計(jì)算一次方程得出斜率，即為m值，如表2所示。

2.3 a的確定

a可粗略估算，在已燃分?jǐn)?shù)曲線中任取兩點(diǎn)即可估算出a的值，將（？準(zhǔn)s，xbs）和（？準(zhǔn)e，xbe）兩個(gè)已燃分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)代入式（1）可得：

（7）

對(duì)式（7）進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，并假定Δ？準(zhǔn)取為Δ？準(zhǔn)x，可將式（7）轉(zhuǎn)化為式（8）：

（8）

由（8）式可得a值如表3所示。

2.4 ？準(zhǔn)0的確定

文獻(xiàn)[8]中，將50%已燃分?jǐn)?shù)點(diǎn)xb50，及其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角？準(zhǔn)50代入式（1），可得下式：

（9）

如此，？準(zhǔn)0可用xb50根據(jù)式（9）計(jì)算得出，？準(zhǔn)0值如表4

所示。

3? 模型一維仿真與驗(yàn)證

對(duì)柴油機(jī)工作進(jìn)行分析，參考文獻(xiàn)[9]。根據(jù)真實(shí)試驗(yàn)所用的TBD620單缸柴油機(jī)的高壓共軌噴油系統(tǒng)，缸內(nèi)結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、負(fù)荷特性等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立GT-power模型如圖4所示。

根據(jù)推進(jìn)特性100%、75%、50%、25%與負(fù)荷特性75%、50%、25%、10%八個(gè)運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)及計(jì)算得出的Wiebe方程各參數(shù)輸入GT-power模型，對(duì)GT-power模型進(jìn)行仿真與校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后所得各工況缸壓曲線及各性能參數(shù)與試驗(yàn)值對(duì)比如圖5和表5所示。

由圖5和表5可以看出，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，各工況下仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡孢\(yùn)行得到的缸壓曲線和試驗(yàn)值形狀基本一致，出現(xiàn)的略微差別大部分是由真實(shí)試驗(yàn)的不確定性以及真實(shí)試驗(yàn)缸壓數(shù)據(jù)光順處理引起的。值得一提的是，在負(fù)荷特性25%工況和10%工況，由于低負(fù)荷運(yùn)行，試驗(yàn)過(guò)程中燃油燃燒不穩(wěn)定，所以出現(xiàn)了油耗、爆壓誤差略大的情況，可以降低對(duì)低工況的油耗水平分析的權(quán)重。除此之外，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的仿真試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)相比，轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、油耗和爆壓水平基本相等，非常符合試驗(yàn)情況，故認(rèn)為一維仿真模型校準(zhǔn)合理。

4? 結(jié)論

本文將理論模型與一維仿真試驗(yàn)相結(jié)合，建立燃燒控制的模型對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

①計(jì)算柴油機(jī)燃燒放熱率及已燃分?jǐn)?shù)得到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，然后，對(duì)韋伯方程進(jìn)行變形，確定計(jì)算各參數(shù)所需計(jì)算順序，并計(jì)算確定各工況下韋伯方程參數(shù)并最終確定韋伯方程，為后面的燃燒過(guò)程仿真控制模型搭建提供了理論支撐和技術(shù)準(zhǔn)備。

②根據(jù)真實(shí)試驗(yàn)所用的TBD620單缸柴油機(jī)的高壓共軌噴油系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立GT-power模型，進(jìn)行一維仿真實(shí)驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)相比，轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、油耗和爆壓水平基本相等，非常符合試驗(yàn)情況，故認(rèn)為一維仿真模型校準(zhǔn)合理。對(duì)燃燒控制策略的提出奠定基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)精確控制，得出柴油機(jī)控制策略。

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