大型低速船用柴油機燃油共軌系統(tǒng)建模

李斯欽，楊國豪，黃加亮

(集美大學輪機工程學院，福建廈門361021)

0 引言

燃油共軌噴射技術是20世紀內燃機技術三大突破之一，全球的大型船用柴油機生產商都致力于該項技術的研究以推動船用智能柴油機的應用.國內相關院校和船舶重工研究所都先后展開了燃油共軌系統(tǒng)仿真、伺服油系統(tǒng)仿真、共軌管壓力波動仿真、噴射控制策略等研究［1-4］.船用智能柴油機與傳統(tǒng)柴油機相比具有所有運行轉速下低排放、部分負荷時有更好的燃油經濟性、操作簡便，減少維護保養(yǎng)的工作量、延長柴油機大修的時間、能夠在低轉速下穩(wěn)定運行等優(yōu)點［5-6］.因此，開展對燃油共軌系統(tǒng)的建模仿真研究可以詳細地反映出燃油系統(tǒng)相關參數，可以減少產品設計、改造和升級等的工作量，節(jié)約大量的人力、物力和財力.而Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，目前Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計，筆者采用Simulink進行模塊化建模仿真，仿真結果準確，符合要求.

1 Sulzer RT-flex柴油機共軌系統(tǒng)

RT-flex柴油機共軌系統(tǒng)原理如圖1所示.該系統(tǒng)包含燃油共軌系統(tǒng)、起動空氣系統(tǒng)和排氣閥驅動系統(tǒng)，由共軌單元、WECS控制系統(tǒng)、供油單元、噴射控制單元、排氣閥驅動單元、傳感器等組成［7］.

圖1 Sulzer RT-flex的共軌系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematics of the common-rail systems of Sulzer RT-flex engines

圖2為Sulzer RT-flex大型低速船用柴油機燃油共軌系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由WECS-9500控制系統(tǒng)、噴射控制閥、燃油共軌管、高壓油泵、噴油器和伺服單元等組成的.

Sulzer 7RT-flex 60C型柴油機每個氣缸有3個噴油器，WECS-9500控制系統(tǒng)可根據檢測的負荷控制噴油器工作，可以3個同時噴油，也可2個或1個單獨工作，還可3個輪流噴油.低負荷運行時，減少工作噴油器的數量，從而節(jié)省燃油、減少廢氣排放①W?rtsil? Switzerland Ltd.Common Rail At Sea:The Sulzer KT-flex Engine.瓦錫蘭公司內部資料..

圖2 Sulzer RT-flex燃油共軌系統(tǒng)Fig.2 Fuel common-rail system of Sulzer RT-flex engines

2 燃油共軌系統(tǒng)數學模型

假設燃油軌內充滿燃油，則燃油軌的壓力可表示為［8-11］:

式中:p為燃油共軌管壓力;V為燃油共軌管體積;Be為燃油彈性模量;Qin為流入共軌管燃油體積流量;Qout為流出流量;dV/dt為機械運動造成的體積變化量.

燃油噴射控制閥如圖3所示.

1)控制閥的運動

由于電磁閥動作迅速，所以假設電磁閥動作為開關量.由牛頓定律得到閥芯的受力平衡方程為［9-11］:

式中:mc為閥芯的質量;yc為控制閥芯位移;Bc為粘性阻尼系數;kc為彈簧彈性系數;fc為閥芯摩擦力;pso為驅動活塞的伺服油壓力;Ac為執(zhí)行活塞橫截面積.

假設閥芯在上升0.5 cm時全開、錐角為45°，則閥芯通流面積可表示為:

式中:R為閥孔的直徑;h為閥芯升程.

圖3 燃油噴射控制閥Fig.3 Injection control valves

2)量油活塞的運動

量油活塞的運動速度的方程為:

式中:yo為量油活塞位移;Ao1為量油活塞截面積;Qout為共軌管到噴油器的燃油量.

共軌管到噴油器的油量Qout的方程為:

式中:pr為燃油軌壓力;pn為噴嘴腔壓力;ρr為燃油密度;μn為噴射控制閥的流量系數;Ao為噴射控制閥截面積.

當噴油量達到要求時，控制單元發(fā)出停油指令，量油活塞不動.根據牛頓運動定律，可得量油活塞的運動方程為:

式中:mo為量油活塞的質量;fo為摩擦力;Ao2為量油活塞連桿的截面積;Bo為粘性阻尼系數.

Sulzer RT-flex60C的高壓油泵為三作用柱塞泵，泵的出口裝配蓄壓器，因此可采用平均流量:

式中:ne為柴油機曲軸轉速;i為曲軸齒輪和油泵齒輪傳動比;x為高壓油泵流量調節(jié)機構調節(jié)油泵供油量;Vp為高壓油泵的額定供油量.

噴嘴壓力為:

式中:pn為噴油器噴嘴的壓力;Vn為噴嘴的容積;Be為燃油油彈性模量;Qinj為噴油器噴入氣缸的燃油體積流量;Qout為經噴射控制閥到噴油嘴的燃油流量;dVn/dt為機械運動造成的噴嘴容積變化.

噴油器噴入氣缸燃油體積流量為:

式中:ρn為燃油密度;pn為噴嘴的燃油壓力;pz為噴油時的氣缸壓力;μn為噴嘴的流量系數;An為噴嘴的通流面積.

燃油共軌管壓力采用比例-積分-微分控制，根據控制器設定的共軌管壓力與實際壓力進行計算:˙p=(Be/V)(Qin-Qout).

3 基于MATLAB/Simulink的燃油共軌系統(tǒng)模型

根據式 (1)和式 (7)建立了燃油軌模塊，如圖4所示.其中，高壓油泵流量調節(jié)c.X是根據轉速ne和負荷pe計算得到的共軌管設定壓力prs與實際壓力preat經過比例-積分-微分計算所得，如圖5所示.

圖4 燃油軌模塊Fig.4 Fuel common rail system module

圖5 燃油流量調節(jié)PID計算Fig.5 PID calculation module of fuel flow control

根據公式 (5)建立了燃油軌閥模塊，如圖6所示.

根據式 (3)—式 (9)建立了噴油嘴模型，如圖7所示.

圖6 燃油軌閥模塊Fig.6 Rail valve module

圖7 噴油嘴模塊Fig.7 Injector module

噴油定時模塊是通過查表的方法得到不同工況下柴油機的噴油定時的，模塊以柴油機轉速和負荷為輸入量進行查表，得到當前工況下的噴油定時輸出量.不同工況下柴油機噴油定時如表1所示.

其中:“+”表示的曲軸轉角 (CA)為上止點之后的，“-”表示的曲軸轉角為上止點之前.噴油正時在上止點后的原因在于在某些工況下，為滿足MARPOL公約排放要求而使得噴油器滯后噴油.

噴射控制模塊 (Inj Ctl模塊)包括噴油開始觸發(fā)模塊和量油活塞位移比較模塊.如圖8所示.

表1 不同工況下柴油機噴油正時Tab.1 Injection timing in different conditions

圖8 Inj Ctl模塊結構Fig.8 Inj Ctl module

封裝之后的燃油共軌系統(tǒng)模型如圖9所示.

圖9 燃油共軌系統(tǒng)模型Fig.9 Model of fuel common rail system

4 仿真結果

仿真結果如圖10和表2所示.其中，設定值為柴油機電子控制單元 (ECU)根據不同工況的軌壓設定值和噴油正時設定值設定，來自柴油機參數圖譜(MAP圖).仿真結果顯示:噴嘴腔壓力曲線在噴油時產生波動，波動大小與共軌管容積大小有關;燃油共軌管軌壓實際值和實際噴油正時隨負荷增加誤差變大，可能與高壓油泵調節(jié)桿和簡化噴油電磁閥、閥芯通流面積計算方式的選擇有關，但總的仿真結果接近于設定值，誤差均小于5%，滿足要求，說明所建仿真模型是準確有效性的.

圖10 各典型工況下噴嘴腔壓力Fig.10 Pressure of nozzle chamber under different typical conditions

表2 各典型工況下的仿真數據Tab.2 Simulated data in different typical conditions

5 結論

采用模塊化方法建立Sulzer 7RT-flex 60C燃油共軌系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型，使燃油共軌系統(tǒng)各部件以及控制系統(tǒng)之間的關系清晰明了，仿真界面簡潔，整個仿真模型封裝之后只有ECU模塊和燃油系統(tǒng)模塊.模型的建立對柴油機試驗和仿真測試以及燃油共軌系統(tǒng)的優(yōu)化設計具有較好的工程應用價值.

此外，模型存在誤差的原因:1)在建模過程中，對次要因素進行了一定的假設，如噴射控制閥的開關動作、噴油器針閥啟閥壓力等等，從而產生了誤差;2)燃油系統(tǒng)部件的尺寸、動作原理、參數等數據不夠完整，少部分數據依靠實物測量或推導計算等方式得到，會產生一定誤差.

今后，將進一步完善該系統(tǒng)各個部件的相關參數，盡量減少條件假設，繼續(xù)完善該系統(tǒng)的仿真以提高準確度.

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