船用低速柴油機噴油系統(tǒng)的Simulink仿真研究

黃 麟 林葉春

（上海海事大學商船學院 中國 上海 200135）

0 引言

隨著對環(huán)境污染和能源節(jié)約的日漸重視和國際海事組織對新的排放標準的執(zhí)行，越來越多的傳統(tǒng)增壓MC柴油機面臨淘汰的可能，使得針對電控柴油機噴油系統(tǒng)的有效控制研究迫在眉睫。本文介紹了船用電控ME柴油機噴油系統(tǒng)的理論和實用性開發(fā)方面的研究成果。

1 ME噴油系統(tǒng)的組成

船用低速電控燃油噴射系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、低壓燃油輸送、增壓泵-噴油器、ECU控制等四大部分組成，如圖1所示。

圖1 噴油系統(tǒng)組成原理

1.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要包括伺服油泵，伺服油軌，蓄壓器，電液控制閥等部件。蓄壓器是用來吸收伺服油泵供油的壓力脈沖和由于燃油噴射所引起的壓力波動，維持伺服油軌的壓力穩(wěn)定，使得伺服油軌可以近似作為穩(wěn)壓源。在液壓系統(tǒng)中安裝了電液比例壓力控制閥和傳感器系統(tǒng)，傳感器將系統(tǒng)采集的壓力信號反饋給ECU控制單元，ECU發(fā)送命令到電磁閥，通過對電磁閥的控制來對軌壓進行調節(jié)；實現(xiàn)對共軌壓力的閉環(huán)控制，間接的調節(jié)燃油噴射壓力。

1.2 低壓燃油輸送

低壓燃油根據ECU的指令從控制閥向增壓泵內提供一定壓力的燃油。

1.3 增壓泵－噴油器

增壓泵采用增壓活塞—柱塞的結構，在電磁閥控制的液壓油的推動下，壓縮低壓燃油系統(tǒng)輸送的燃油，從而產生高壓燃油。它與噴油器之間采用了一根短的高壓油管，高壓油管可視為增壓的燃油體積容積。這樣既改善了噴射性能，又易于對傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)進行改造。

1.4 ECU控制單元

ECU根據采集到柴油機的曲軸位置、轉速、負荷、壓力等信號，發(fā)出脈沖信號來控制電磁閥，電磁閥的開啟時刻和開啟持續(xù)時間決定了系統(tǒng)的噴油正時和噴油量，同時ECU根據PID控制調節(jié)伺服油軌壓力，從而控制系統(tǒng)的噴射壓力。這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)對噴油壓力、噴油量、噴油正時的獨立、靈活的控制。

1.5 系統(tǒng)工作原理

液壓油經高壓油泵壓入伺服油共軌，共軌內的壓力由ECU控制的電磁閥通過PID進行調節(jié)，同時燃油管路內的燃油經單向閥進入增壓泵的增壓腔。電磁閥通電后，電磁閥的進油口與增壓泵的下腔接通（回油口封閉)，伺服油軌內的液壓油進入增壓活塞腔，推動增壓活塞一柱塞組運動，燃油被壓縮，當壓力大于噴油器的啟噴壓力時，針閥抬起，噴油開始。電磁閥斷電后，電磁閥的回油口與增壓泵的下腔接通（進油口封閉)，下腔內的液壓油通過回油管路泄放掉，增壓泵失去驅動動力，增壓活塞一柱塞組在燃油壓力的作用下回落，增壓腔內的燃油壓力降低，噴油器針閥在彈簧壓力下關閉，噴油結束，與之同時，燃油進入增壓腔（充油過程)，開始一個工作循環(huán)。

2 系統(tǒng)的數學模型

2.1 伺服油軌

式中：P為伺服油軌壓力，V為伺服油軌容積，Be為伺服油彈性模量Qin為流入體積流量，Qout為流出體積流量。

2.2 液壓控制閥

假設電磁閥瞬間動作（實際工作可以精確到1ms），即將電磁閥動作視為開關量，然后控制閥在液壓油驅動下開始動作，由牛頓定律可得到閥芯的受力平衡方程為

式中：mc為閥芯的質量；yC為控制閥芯位移；kC為彈簧彈性系數；

fC為摩擦力，始終與運動方向相反；pSO為液壓伺服油壓力；

AC為控制活塞截面積；BC為粘性阻尼系數（N/（m/s）），0.2-0.5。

2.3 增壓泵

增壓泵的大小活塞面積之比是A：1，而大小活塞的行程是一樣的，所以增壓部件的運動方程為：

Ph為壓腔內潤滑油的壓力（MPa）；Sh為液壓活塞的面積；Pf為增壓腔內的燃油壓力；Sf為燃油柱塞的面積；f為所有阻力值和；m為運動件的質量；a為運動件的加速度。

2.4 噴油器

式中：Pn為噴油器噴嘴的燃油壓力；Vn為噴嘴的容積m3；Be為燃油油彈性模；

Qinj為噴入柴油機氣缸的燃油流量；Qout為共軌管到噴油嘴的燃油流量；

為了簡化計算，不計算針閥的運動方程，而將其看做一個開關量。

式中：ρn為噴嘴中燃油密度；Pn為噴油器噴嘴的燃油壓力；pz為柴油機氣缸壓力；un為噴嘴的流量系數；An為噴嘴的截面積。

3 仿真模型的建立

噴油系統(tǒng)模型雖然只針對增壓泵、伺服油軌、噴油嘴和液壓電磁閥等進行建模，但是總的模型涉及面廣，系統(tǒng)采用模塊化方法建模，把各個復雜的子系統(tǒng)進行封裝。這樣能夠使得模型的物理意義以及子系統(tǒng)之間的關系易于理解，并且便于模型的修改和升級。本文噴油系統(tǒng)模型分為柴油機控制模塊和液壓系統(tǒng)模塊，增壓泵—注油器模塊。除了封裝得到液壓系統(tǒng)模塊和增壓泵—注油器模塊外，還將他們的各子系統(tǒng)也分別進行封裝，如此使得模型以及模型子系統(tǒng)之間的物理意義和關系易于理解。

下面以液壓系統(tǒng)模塊為例來分析伺服油軌的容積和壓力關系，根據方程（1）將轉速，電磁閥信號，負荷作為已知量，可以在設定工況的條件下建立系統(tǒng)伺服油軌的仿真模型，經過模型計算可以對伺服油軌的壓力和容積進行研究。

圖2 液壓系統(tǒng)模塊

為研究共軌管容積對軌壓力波動的影響，假定共軌管容積分別為0.4m3和0.2m3，柴油機在轉速為 114.0r/min、負荷為100.0%的工況下穩(wěn)定運行。仿真兩者的油軌壓力曲線，如圖3。

圖3 伺服管容積不同時油軌壓力曲線

結果表明當高壓油泵的供油量和噴油器的噴油量一定時，共軌管容積較小時，燃油噴射對軌壓波動的影響較大，但易于建立軌壓；共軌管容積較大時，燃油噴射對軌壓波動的影響較小，共軌管內軌壓的建立較為緩慢，不利于柴油機的起動。而柴油機共軌管壓力建立的快慢與共軌管容積和高壓油泵的排量相關，在高壓油泵排量一定時，共軌管的容積的值必須在一個有效地范圍內，才能保證共軌管的波動在允許范圍內。因此，在充分考慮共軌管容積的選擇時的布局、長度、強度等方面的因素后，可根據仿真計算軌壓波動，結合軌壓建立要求選擇合適的共軌管容積。

4 結論

通過對整個噴油系統(tǒng)部件的仿真研究并與實際工況進行對比，再對模型的參數部件進行調整，以獲得更為真實的仿真系統(tǒng)。電控噴油系統(tǒng)是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)，Simulink具有很強的動態(tài)仿真能力，目前已成為柴油機建模仿真最主要的軟件，同時也可采用M文件編寫控制系統(tǒng)軟件進行仿真研究，與模型結合達到仿真計算的目的。

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