船用柴油机高压共轨燃油系统仿真研究

屠星星 王俊雄 黄丹清 张和牧

（上海交通大学动力装置及自动化研究所1） 上海 200030） （中船动力研究院有限公司2） 上海 200129）

0 引 言

随着AMESim、SimulationX等多学科领域建模、仿真工具的普及，研究人员即便在对物理系统内在数学关系不了解的情况下也能够方便、快捷地建立面向物理对象的模型，而且建立的模型也较为准确.不过，对于柴油机高压共轨燃油系统之类结构庞大且复杂的系统，其控制策略往往用MATLAB建立，当研究控制策略时，需要将AMESim或者SimulationX建立的被控系统模型转换成S函数集成到Matlab与控制策略做闭环仿真，此类仿真速度极慢甚至无法运行［1］.而若是用MATLAB／Simulink建立被控系统的数学模型，然后再与同样用MATLAB建立的控制策略做闭环仿真，仿真便能更顺利地进行.因此对于高压共轨燃油系统，如果研究目的是建立其控制策略，则用MATLAB／Simulink建立其数学模型十分有必要［2］.

本文以瓦锡兰RT－flex48柴油机高压共轨燃油系统为研究对象，用Simulink建立了各部件的模型，考虑了共轨管压力波传递，同时避开了一些繁琐的计算（如燃油特性参数的实时计算），既适当地简化了模型，又达到了刻画实际燃油系统的目的，为控制策略的研究奠定理论基础.

1 燃油系统建模

RT－flex48柴油机高压共轨燃油系统主要包括高压油泵、燃油共轨管、喷油控制单元（injection control unit，ICU）及喷油器［3］（见图1），建模主要基于质量守恒和动量守恒，不考虑能量守恒.

图1 高压共轨燃油系统原理图

1.1 高压油泵

柱塞腔内燃油连续性方程［4］

1.2 高压燃油共轨管

共轨管建模存在2种方法：大容积模型和管路模型.大容积模型将共轨管简化成具有单一压强的大容积，忽略惯性引起的压力波传递.本文采用管路分段集中参数模型方法［5］，充分考虑压力波传递：把管分为多段，每段内等压，由连续性方程求解；每2相邻管路段间取两管路段内侧各一半长度，合成一个管路段，该段内流量相同，建立动量守恒方程.

该系统包含6个气缸，所以把共轨管分成6段，见图1.第n段管路连续性方程

式中：qn－1为第n－1段到第n段的流量，pn为第n段的油压，QICUn为第n段管路到相对应的ICU的流量.

考虑压力波传递时，由Navier－Stokes方程及达西公式推得动力守恒方程

式中：A，D和L分别为共轨管的横截面积、直径和长度；f为摩擦因数；ρ为燃油密度.

1.3 喷油控制单元（ICU）

ICU包括共轨阀、喷射控制阀和油量活塞，用于控制燃油喷射，见图2.

图2 ICU结构

共轨阀是两位三通电磁阀，TA通路和AP通路分别通入和泄放伺服油.喷射控制信号为Y，因电磁阀的动态特性（自振频率为f0，阻尼比为δ），故实际作用信号为yreal：

yreal决定TA和AP开度.

喷射控制阀包括液压腔、阀芯及喷射和返回通路.阀芯动力方程为

式中：Fend1和Fend2为对阀芯的限位作用力；P为液压腔油压.

油量活塞包括2个液压腔和1个活塞.右侧和左侧液压腔油压P1和P2由连续性方程计算.活塞动力方程为

式中：x为活塞位移；A1和A2为右侧和左侧液压腔的液压作用面积；Fend3和Fend4为左右缸壁对活塞的限位作用力；Ff为粘滞摩擦力.

1.4 喷油器

喷油器由针阀、盛油槽和喷油嘴等组成，其结构如图1所示.

针阀动力学方程：

式中：poil＿c和A3为盛油槽油压及作用面积；pinject和A4为喷油嘴油压及作用面积；pback和A5为回油背压及其作用面积；Fend5，Fend6和Fend上端、下端和顶杆对针阀的限位作用.

盛油槽连续性方程［6］

式中：Voil＿c和Vinject为 盛 油 槽 和 喷 油 嘴 容 积；Q 为高压燃油管到盛油槽的流量；Qout为从盛油槽流到喷油嘴的流量；Qback为回油量；Qinject为喷射流量.Qout，Qback和Qinject都采用节流孔模型.

2 模型仿真与验证

本文高压共轨燃油系统建模与仿真基于的前提与假设主要有：（1）不实时计算燃油的粘度、密度、体积模量等特性参数.燃油进入主机后温度变化很小，压力处于2个状态：设定轨压附近和泵入口油压附近，因此获得这2个状态的特性参数便可基本满足仿真需求；（2）忽略泄漏（泄漏计算简单，但难获得准确泄漏参数）；（3）单个阀件的流量系数Cq取平均经验值.

图3是用Simulink搭建的共轨管、ICU和喷油器模型（仅以ICU＿n和Injector＿n示意，代表所有6个ICU和6个喷油器）.限于篇幅，凸轮和油泵模型未列出.

本文将该模型与由SimulationX建立的同一高压共轨燃油系统的面向物理对象的模型进行对比验证.SimulationX是一款多学科领域建模、仿真和分析工具，其建立的模型具有较高的可靠性［7］.2个模型都以额定工况的参数进行仿真，油泵齿条拉倒最大位移.

图4表明，2个模型的轨压波动相当一致，考虑燃油惯性引起的压力波传递之后，轨压波动频率很高.供油阶段，轨压迅速上升；喷油阶段，轨压迅速下降；其他时候，轨压也不稳定，存在明显波动.对比验证表明，本文建立的共轨管模型较接近真实情况.

图3 共轨管、ICU和喷油器模型

图4 共轨管压力比较

本文燃油系统的喷油器共有5个喷孔，其中2个喷孔直径是一样的.图5是2个模型4个喷孔流量的对比，通过比较发现，两个模型喷孔流量变化趋势相当一致，喷孔流量偏差小于2%.喷射通路开启之后，高压燃油进入盛油槽，盛油槽油压上升顶起针阀，喷油器喷油；喷射通路切断之后，高压燃油不再进入盛油槽，盛油槽依靠残余油压继续喷油，此阶段喷孔流量下降，当盛油槽油压下降到一定程度后，针阀落座，喷油结束.

图5 喷孔流量比较

虽然由SimulationX建立的面向物理对象的高压共轨燃油系统不能完全代表实际系统，但是其模型已经相当接近实际系统.通过SimulationX模型验证表明，本文用Simulink建立的数学模型能够较好地表征实际高压共轨燃油系统.

3 仿真结果分析

3.1 轨压控制可行性分析

轨压稳定是对燃油系统的基本要求.共轨管的轨压波动由供油引起的波动、喷油引起的波动及压力波传递引起的压力波动三部分构成.

图6 不同设置下轨压波动情况

图6 是不同的喷油量和齿条位移下轨压波动情况.RT－flex48机是通过调节油泵齿条位移来控制油泵进油量的，所以齿条位移可以表征油泵供油量.

由图6可见，压力波动的大致趋势：随着供油量的增加，供油引起的压力波动加强，压力升高更多；随着喷油量的增加，喷油引起的压力波动加强，压降变大；随着供油量或喷油量的增加，压力波传递引起的波动变大.在供油和喷油量最大时，其引起的压力波动是最大的，供喷油引起的最大压力波动在25bar左右（供／喷油前轨压的平均值与供／喷油后轨压的平均值的差值），压力波传递引起的最大振幅在12bar左右，一般情况下一次供油或喷油前后，轨压最大波动不超过37bar.

对于轨压控制要求是：波动幅度不超过设定值的±3%，对于设定压力900bar时就是不超过±27bar.因此一次供油或喷油后的轨压波动最大幅值略大于最大允许波动的60%，控制进油来实现稳压就很可行.从自身结构而言，轨压波动还跟共轨管长度、尺寸有关，以上分析也从侧面说明该燃油系统共轨管的设计是比较合理的.只要轨压控制策略根据喷油后的轨压能准确控制油泵齿条的位移，从而精确调节供油量，那么就能实现稳定轨压的目的.

3.2 喷油控制可行性分析

对于RT－flex48机，油量活塞位移表征了喷油量.图7从高到底依次是相同轨压下100%、70%和40%喷油量对应的油量活塞位移.RT－flex48机在100%负荷下的功率约为8 730kW，油耗约为171g／（kW·h），主机转速为127r／min，因此折算出单缸每循环喷油量约为34mL，再加上回油量，对应的油量活塞位移约为19.6 mm，这与仿真结果较吻合.

图7 不同负荷下油量活塞位移

由图7可见，设定轨压相同（同以工况）情况下，在不同喷油量情况下油量活塞的喷射速度和返回速度几乎是相等的，这样就为喷油控制带来了极大的可行性.喷射速度为定值，因而喷油量取决于油量活塞的运动时间，只要控制油量活塞的运动时间就能准确控制喷油量.主机控制单元通过电流信号控制共轨阀的启闭时间以实现控制喷油量的目的，从共轨阀开启到喷油开始以及从共轨阀关闭到喷油结束都存在一定的死区时间（延迟）.在建立喷油控制策略时，调速器根据实际转速与设定转速之差计算出需要的喷油量，由该喷油量折算出活塞的运动时间，再根据喷射死区时间和返回死区时间对这个时间加以修正，便可以得到控制喷油量的控制信号.在变工况的过程中，因为喷射速度是变化的，所以喷油量的控制可能存在微小的偏差，不过一旦工况又一次稳定后，精确控制喷油量就容易实现了.

3.3 轨压对柴油机性能的影响

图8从高到低依次是喷射相同油量时轨压900、700和500bar对应的喷孔流量.从图中可以看出，轨压越高，喷孔流量峰值越大，喷射持续时间越短.

图8 不同轨压下的喷孔流量

轨压变高，燃油的喷射压力也随之变高，因此燃油的雾化质量更好.另外，随着轨压的提高，喷孔流量明显提高，喷射时间明显缩短，燃油更快速地喷入气缸，并且在急燃期内快速燃烧.更好的雾化质量和快速燃烧使得缸内爆压和最高温度变高［8］，因此同样的喷油量能够做更多的功，柴油机的经济性能更好.不过随着爆压的升高，零部件受到强烈冲击，柴油机运转粗暴，振动加强，影响柴油机寿命.

4 结 论

1）基于Simulink建立的燃油系统数学模型与SimulationX软件搭建的模型相当一致，集中参数模型法建立的共轨管模型能表征出真实的轨压波动，从某种程度上说明该数学模型较好地刻画了高压共轨燃油系统.

2）共轨管内存在明显的压力波传递，单次供油或喷油导致的轨压波动最大幅值略大于最大允许波动的60%，油泵供油可迅速缓解喷油带来的压力降.因此，通过调节油泵齿条位移进行轨压控制具有可行性.

3）在设定轨压下，喷油速度是恒定的，不随喷油总量的变化而变化.因此只要控制喷射时间就能准确控制喷油量，这是喷油控制的关键.

4）轨压越高，喷油速率峰值越大，雾化质量越好，燃油进入气缸快速燃烧，柴油机做功效率更高，经济性能更好，但运转粗暴，影响寿命.

［1］李晓波，史镜海.柴油机高压共轨式燃油喷射系统的仿真研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2008，29（5）：465－468.

［2］BALLUCHI A，BICCHI A，MAZZI E.Hybrid modeling and control of the common rail injectuion system［J］.Int.Journal of Control，2007，80（11）：1780－1795.

［3］李斯钦.船用电控柴油机燃油共轨系统建模与仿真研究［D］.厦门：集美大学，2011.

［4］李晶晶.柴油机电控高压共轨燃油喷射系统控制策略及仿真研究［D］.北京：北京交通大学，2011.

［5］李成功，和彦淼.液压系统建模与仿真分析［M］.北京：航天工业出版社，2008.

［6］王永坚，李斯钦，王海燕.大型低速船用智能柴油机燃油共轨喷射系统的建模与动态仿真［J］.船舶工程，2011，34（4）：45－48.

［7］刘宝生.SimulationX多学科建模和仿真工具［J］.软件世界，2009（9）：34－36.

［8］潘军如，施 祥.轨压对高压共轨发动机性能的仿真与试验［J］.内燃机与动力装置，2011（2）：1－3，24.