基于SimulationX的船用高壓共軌燃油系統(tǒng)仿真

屠星星，王俊雄，黃丹清，張和牧，銀海中

(1.上海交通大學(xué) 動力裝置及自動化研究所，上海200030;2.中船動力研究院有限公司，上海200129)

0 引 言

對物理系統(tǒng)建模主要有2 種方法:基于數(shù)學(xué)關(guān)系的建模和基于物理對象的建模。前者需對物理部件蘊含的數(shù)學(xué)關(guān)系十分清楚，通過編程或利用Simulink 之類軟件的基本數(shù)學(xué)模塊搭建模型，往往簡單的物理系統(tǒng)需要龐大的數(shù)學(xué)模型來表征。后者將物理系統(tǒng)分解成工程系統(tǒng)的各種最小要素，這些要素可由專門的建模軟件提供，用戶即便在不了解內(nèi)在數(shù)學(xué)關(guān)系的情況下，也能夠根據(jù)物理結(jié)構(gòu)用最小要素搭建系統(tǒng)模型，不但搭建過程簡便快捷，而且系統(tǒng)模型比數(shù)學(xué)模型簡潔的多，很適合復(fù)雜、龐大物理系統(tǒng)的建模。

SimulationX 是一種可以基于物理對象建模的軟件。它是一款多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析工具，在汽車、航空航天、船舶等工業(yè)領(lǐng)域有著許多成功案例［1］。本文以瓦錫蘭RT－flex48 柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)為研究對象，用SimulationX 對其建模仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對進油量、軌壓波動和噴油率等進行分析。

1 燃油系統(tǒng)建模

1.1 SimulationX 基本要素分析

液壓系統(tǒng)基本元件主要有阻性元件、容性元件和感性元件3 類。在SimulaitionX 中，阻性元件有節(jié)流孔、單向閥等;容性元件有容積、活塞腔等;感性元件主要是管路。

對于節(jié)流孔，數(shù)學(xué)關(guān)系可表示為

式中:Q，Cq和A 分別為節(jié)流孔的流量、流量系數(shù)和流通面積;ΔP 為節(jié)流孔兩端壓差;ρ 為流體密度。

容性元件基于連續(xù)性方程［2］

對于管路模型，主要基于以下公式

式中:ΔPAB為管路兩端壓差;ΔPvisc，ΔPaccel和ΔPhydrost是因摩擦、流體慣性及重力引起的壓力降。

1.2 SimulationX 模型搭建

RT－flex48 機高壓共軌燃油系統(tǒng)主要由高壓油泵、燃油共軌管、噴油控制單元(ICU)和噴油器組成［3］。

圖1 高壓共軌燃油系統(tǒng)原理圖Fig.1 Common rail fuel system schematic diagram

RT－flex48 機的高壓油泵是機帶單體柱塞泵。柱塞上部開有斜槽，柱塞下行到某一位置，斜槽與進油口對上，燃油進入柱塞腔;柱塞上行，斜槽與進油口分離后，進油口關(guān)閉［4］。柱塞旋轉(zhuǎn)之后，斜槽與進油口對接的流通面積也會被改變。油泵執(zhí)行器控制油泵齒條位移，油泵齒條拉動柱塞旋轉(zhuǎn)，從而控制油泵進油量，即控制了高壓油泵泵入共軌管的油量。

圖2 高壓油泵及燃油共軌管結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the pump and common rail

圖2 中，進油口和節(jié)流孔是阻性元件類的節(jié)流孔，油泵出油單向閥和共軌進油單向閥是阻性元件類的單向閥，柱塞腔和緩沖腔是容性元件類的活塞腔和容積。高壓燃油輸送管和燃油共軌管是感性元件類的管路。共軌管要給6個噴油控制單元供油，所以共軌管需分解成7 段管路。

圖3 泵和共軌管的SimulationX 模型Fig.3 The SimulationX model of the pump and common rail

同理可建噴油控制單元的SimulationX 模型。高壓燃油管將燃油輸送到盛油槽，盛油槽油壓升高，推動針閥往上運動，因此盛油槽內(nèi)燃油進入噴油嘴，開始噴射。達到噴射時間長度后，不再有燃油進入盛油槽，盛油槽油壓下降，針閥落座，噴油結(jié)束［5］。

圖4 噴油器結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the injector

圖4 中，進油通道、回油槽、回油通道及噴孔是阻性元件類的節(jié)流孔，盛油槽、噴油嘴以及另外2個液壓腔和是容性元件類的活塞腔，頂桿及針閥是質(zhì)量元件，針閥座可由座閥搭建。

圖5 噴油器的SimulationX 模型Fig.5 The SimulationX model of the injector

2 仿真結(jié)果分析

本次仿真，燃油采用380 號重油，最大凸輪轉(zhuǎn)速為838 rpm，最大油泵齒條位移為31 mm。

2.1 齒條位移及凸輪轉(zhuǎn)速對進油量的影響

圖6所示為最大油泵齒條位移下，100%、70%和40%轉(zhuǎn)速對應(yīng)的進油口流量。轉(zhuǎn)速雖然不同，但進油口流量的峰值相同。轉(zhuǎn)速越大，2 次進油之間時間間隔越小，進油頻率越高;轉(zhuǎn)速越小，進油口流量持續(xù)時間越長。40%轉(zhuǎn)速時，進油口流量出現(xiàn)負值，說明柱塞腔已經(jīng)完全進滿燃油，并且有燃油被壓出，進油口同時也起到了回油作用。因此，凸輪轉(zhuǎn)速決定了進油持續(xù)時間和進油頻率。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下進油口流量Fig.6 The flow rate of the oil inlet at different speeds

圖7所示為100% 轉(zhuǎn)速下，最大齒條位移、70%齒條位移及40%齒條位移對應(yīng)的進油口流量。雖然齒條位移不同，但流通時間相同。隨著齒條位移的減小，流量峰值減小，而且峰值位置偏離流量曲線的中心，齒條位移越小，峰值位置偏離越大。因此，齒條位移決定進油流量峰值。

圖7 不同齒條位移下進油口流量Fig.7 The flow rate of the oil inlet at different rack displacements

2.2 軌壓波動分析

圖8 是共軌管左右兩端的油壓。左右兩端油壓不同，說明沿著管方向軌壓不一樣。在高壓油泵給共軌管供油時，左端軌壓滯后于右端軌壓，滯后時間約為4 ms，共軌壓力波傳遞效果明顯;其他時刻，壓力波也在傳遞，只是左右段軌壓滯后時間變化。共軌管內(nèi)存在明顯的壓力波傳遞。

圖8 共軌管左右兩端油壓Fig.8 The rail pressure at the left and right sides

面向數(shù)學(xué)關(guān)系的燃油系統(tǒng)建模，往往將共軌管簡化成一個具有單一壓力的容積，未考慮管內(nèi)因燃油慣性引起的壓力波傳遞。圖9 是容積模型軌壓以及本文管路模型軌壓(取右端壓力)。

容積模型軌壓變化平穩(wěn)，波動頻率小。管路模型考慮了壓力波傳遞，更接近真實情況:不僅供油和噴油階段會產(chǎn)生壓力波動，其他時刻壓力也不穩(wěn)定，因壓力波傳遞也存在明顯的波動。一次供油或噴油導(dǎo)致的最大壓力波動約為30 bar，其他時刻因壓力波傳遞導(dǎo)致的最大壓力波動約為20 bar，達到供噴油最大壓力波動的70%。壓力波傳遞使得軌壓波動頻率更高，振幅更大，這種影響不可忽視。

圖9 兩種模型軌壓對比Fig.9 The comparison of rail pressure from two models

容積模型弱化了共軌管的軌壓波動，基于容積模型的軌壓控制策略在調(diào)控實際系統(tǒng)軌壓時，存在較大風險，不易達到理想的穩(wěn)壓效果。所以，以研究控制策略為目的的燃油系統(tǒng)建模，考慮共軌管壓力波傳遞很有必要。

2.3 軌壓對噴油的影響

噴油量取決于噴射時間及噴射壓力。對于一個既定的燃油系統(tǒng)，噴射壓力取決于軌壓。因此軌壓對噴油速率和噴油量有著較大影響。

圖10所示為噴射等量燃油900 bar、700 bar和500 bar 軌壓對應(yīng)的噴油速率曲線。軌壓越高，噴油速率峰值越大，噴油持續(xù)時間越短。

圖10 不同軌壓下噴油速率Fig.10 The injection rate under different pressure

軌壓變高，燃油的噴射壓力也隨之變高，因此燃油的霧化質(zhì)量更好。隨著軌壓的提高，噴孔流量峰值明顯提高，噴射時間明顯縮短，燃油更快速地噴入氣缸，并且在急燃期內(nèi)快速燃燒。更好的霧化質(zhì)量和快速燃燒使得缸內(nèi)爆壓和最高溫度變高，因此同樣的噴油量能夠做更多的功，柴油機的經(jīng)濟性能更好。

不過隨著爆壓的升高，零部件受到強烈沖擊，柴油機運轉(zhuǎn)粗暴，振動加強，影響柴油機壽命［6］。

3 結(jié) 語

1)凸輪轉(zhuǎn)速越大，進油持續(xù)時間越短，進油頻率越高;油泵齒條位移越大，進油流量峰值越大，通過調(diào)節(jié)油泵齒條位移控制進油量達到穩(wěn)定軌壓的目的。

2)共軌管內(nèi)存在明顯的壓力波傳遞。壓力波傳遞使得軌壓波動頻率更高，振幅更大。以研究控制策略為目的的燃油系統(tǒng)建模，有必要考慮共軌管內(nèi)的壓力波傳遞。

3)軌壓越高，噴油速率峰值越大，霧化質(zhì)量越好，燃油進入氣缸快速燃燒，柴油機做功效率更高，經(jīng)濟性能更好，但運轉(zhuǎn)粗暴，影響壽命。

［1］劉寶生.SimulationX 多學(xué)科建模和仿真工具［J］.CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2009(9):34－36.LIU Bao-sheng.SimulationX－ A multidisciplinary tool os modeling and simulating ［J］.Digital Manufacturing Industry，2009(9):34－36.

［2］陳卓如.工程流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1992:101－106.

［3］BRUNNER H，BETSCHART M，F(xiàn)RANKHAUSER S.Common-rail wartsila two-stroke engines in practice［C］//CIMAC，2007.

［4］李曉波.史鏡海.柴油機高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)的仿真研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，29(5):465－468.LI Xiao-bo，SHI Jing-hai.Simulating the high-pressure common-rail fuel injection system of diesel engines［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，29(5):465－468.

［5］李斯欽.船用電控柴油機燃油共軌系統(tǒng)建模與仿真研究［D］.廈門:集美大學(xué)，2011.

［6］潘軍如，施祥.軌壓對高壓共軌發(fā)動機性能的仿真與試驗［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2011(2):1－3，24.PAN Jun-ru，SHI Xiang.The simulation and experiment of rail pressure on performance of high pressure common rail engine［J］.I.C.E＆Powerplant，2011(2):1－3，24.