可變噴油速率的電控單體泵噴射系統(tǒng)控制研究

張志清，尹自斌，藍(lán)廣林

(1. 欽州學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，廣西 欽州 535000；2. 集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

可變噴油速率的電控單體泵噴射系統(tǒng)控制研究

張志清1，尹自斌2，藍(lán)廣林1

(1. 欽州學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，廣西 欽州 535000；2. 集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

利用 AMESim軟件建立柴油機(jī)噴射系統(tǒng)仿真模型，對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化，選取 5 種比較合理的方案，并將其中的兩組導(dǎo)入到 AVL-BOOST 整機(jī)仿真模型中，選取最優(yōu)的供油定時(shí)角。在定噴油量、定供油定時(shí)角前提下，將不同噴油速率導(dǎo)入到柴油機(jī)仿真模型當(dāng)中，研究不同噴油速率對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)溫度、壓力、排放、放熱率以及油耗和轉(zhuǎn)矩的影響。結(jié)果表明：合理的噴油速率和供油定時(shí)角能進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)的綜合性能，同時(shí)選取 1 組動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性比較好的方案，進(jìn)行柴油機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)的誤差在 2% 以內(nèi)。結(jié)果表明仿真有助于探索柴油機(jī)的綜合性能規(guī)律。

柴油機(jī)；變噴油速率；噴射控制；仿真

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由于柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和可靠性高，現(xiàn)已成為船舶、工程機(jī)械以及重型車的主要?jiǎng)恿?。但如何有效減少排放，提高效率已成為人們研究的重要課題。噴射系統(tǒng)中噴油規(guī)律是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)燃燒控制的核心技術(shù)。它直接關(guān)系到柴油機(jī)的燃燒性能的好壞。與高壓共軌系統(tǒng)相比，電控單體泵噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)燃油品質(zhì)要求低等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，更符合我國的國情，更具有深遠(yuǎn)的發(fā)展前景[1-2]。相對(duì)機(jī)械式噴射系統(tǒng)，電控單體泵不僅可以大大提高燃油噴油壓力（可達(dá) 200mPa 以上），而且可以靈活的對(duì)影響噴油規(guī)律的各參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效地改善柴油機(jī)各工況下的排放性能和經(jīng)濟(jì)性能。

本文針對(duì)某船用電控單體泵中速柴油結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配進(jìn)行研究，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的 AMESim和 AVLBOOST 仿真模型進(jìn)行仿真研究。首先通過 AMESim仿真得到定噴油量即不同噴油速率的噴油規(guī)律，然后再導(dǎo)入到 AVL-BOOST 整機(jī)模型中進(jìn)行仿真，研究噴油速率對(duì)船用中速柴油機(jī)運(yùn)行性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的優(yōu)化[3-5]。

1 噴射系統(tǒng)仿真模型的建立

本文采用系統(tǒng)工程建模和仿真模型軟件（即AMESim軟件）對(duì)柴油機(jī)液壓噴射系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型如圖1 所示。它功能強(qiáng)大、易于操作，集熱力學(xué)、機(jī)械、流體、電磁、控制等復(fù)雜學(xué)科于一體，因此主要用于汽車、航天航空等的重型的工業(yè)設(shè)備的多學(xué)科領(lǐng)域。仿真模型建立好以后，依次選取相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，柴油機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

按照表1 對(duì)柴油機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。依據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。仿真值和試驗(yàn)值誤差不超過 3%，說明該模型能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)柴油機(jī)的噴油規(guī)律。結(jié)合船用中速柴油機(jī)電控化改造，優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配，本文選取了柱塞（13.5，14，14.5）、噴油器孔徑（0.22，24，26 和 28）、和高壓油管（850 和 900）4 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全仿真研究。在定噴油量的情況下，以噴油壓力大于 100mPa，噴油持續(xù)角小于 35° 為參考對(duì)各種組合進(jìn)行初步篩選。

從 AMESim仿真結(jié)果中選取了 5 組噴油規(guī)律比較合理的噴油方案。這 5 組方案的選取參數(shù)如表2 所示，噴油規(guī)律如圖2 所示。方案 3 的噴油持續(xù)角最小，為 33.2° CA；方案 2 的噴油壓力最大，為 108.33mPa。高壓油管對(duì)噴油規(guī)律的影響比較小。在定噴油量的情況下隨著噴孔直徑和柱塞的增加，噴油速率上升，噴油壓力增加，噴油持續(xù)角減小。然而高壓油管對(duì)噴油持續(xù)角的影響很小，只要是由于高壓油管變長，導(dǎo)致燃油在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離變長，阻力增加，因此噴油壓力下降，噴油持續(xù)角增加。

圖1 AMESim電控柴油機(jī)噴射系統(tǒng)仿真模型圖Fig. 1 The AMESimsimulationmodel of electronically controlled diesel engine for injection system

表1 電控柴油機(jī)的主要參數(shù)Tab. 1 Themain parameters of electronically controlled diesel engine

表2 仿真方案選取情況表Tab. 2 Simulation scheme

圖2 噴油速率曲線對(duì)比圖Fig. 2 Fuel injection rate curve

2 柴油機(jī)整機(jī)模型的建模與仿真

AVL-BOOST 仿真軟件具有強(qiáng)大的功能，能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)件部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。因此，為了分析上述 5 組方案的匹配優(yōu)化情況，本文采用 AVL-BOOST 軟件對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行整機(jī)建模并展開研究，建立的仿真模型如圖3所示。選用 AVLmCCmodel 燃燒模型，相對(duì)其他模型它有效的考慮了噴射動(dòng)能和噴油規(guī)律對(duì)瞬時(shí)放熱的影響，能較好的預(yù)測(cè)氮氧化物和 SOOT 的生成。同時(shí)選用適用于高壓循環(huán)的 Woschni1978 傳熱模型分析其傳熱過程[7-8]。

圖3 AVL-BOOST 電控柴油機(jī)整機(jī)仿真模型圖Fig. 3 The AVL-BOOST simulationmodel of electronically controlled diesel engine

按照表1 設(shè)置仿真模型參數(shù)。在船用機(jī)械式電控柴油機(jī)改造過程中研究相同噴油量情況下不同噴油速率對(duì)柴油機(jī)綜合性能的影響，以達(dá)到選取合適的供油定時(shí)角的目的。參照原機(jī)說明書選取方案 1 和方案 3進(jìn)行多次供油定時(shí)角的仿真研究。將 AMESim中方案 1和方案 3 的噴油規(guī)律曲線導(dǎo)入到 AVL-BOOST 仿真模型中，仿真的供油定時(shí)角分別從 -28° ～ -12° 進(jìn)行仿真。因?yàn)橛?jì)算的數(shù)值差值都比較小，為了方便觀察，將計(jì)算得到的柴油機(jī) NOx 排放量，SOOT 排放量、油耗量、IMEP 和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果如圖4 ～ 圖5 所示[9]。

從圖4 和圖5 可見，在供油定時(shí)角從 -28° ～ -12°范圍內(nèi)，柴油機(jī)有效轉(zhuǎn)矩和 IMEP 都呈向下開口的拋物線形狀，在供油定時(shí)角為 -20° 的時(shí)候達(dá)到最大波峰值；而油耗的曲線則相反，呈開口向上的拋物線形狀，在供油定時(shí)角為 -20° 的時(shí)候油耗最低。隨著供油定時(shí)角的推遲，碳煙的排放量總體呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)，而 NOx 排放量剛好相反，呈單調(diào)遞減的趨勢(shì)。因此，在綜合考慮柴油機(jī)動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的前提下，選取供油定時(shí)角為 -20°，即把該供油定時(shí)角作為電控改造后的供油定時(shí)角[10]。

將 AMESim中方案 1 ～ 方案 5 中的噴油規(guī)律曲線導(dǎo)入到 AVL-BOOST 仿真模型中，從而得到柴油機(jī)氣缸內(nèi)壓力、放熱速率、碳煙生成速率、氮氧化物生成速率、溫度與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線圖，如圖6 ～ 圖10所示。

圖4 方案一噴油速率對(duì)柴油機(jī)性能的影響Fig. 4 Effect of injection rate on the performance of case 1

圖5 方案三噴油速率對(duì)柴油機(jī)性能的影響Fig. 5 Effect of injection rate on the performance of case 3

圖6 噴油速率對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的影響Fig. 6 Effect of fuel injection rate on cylinder pressure of diesel engine

從圖6 和圖7 可見，在噴油量和供油定時(shí)角相同的前提下，方案 2 獲得了最高的爆發(fā)壓力。并且隨著噴油壓力加壓的推遲，最高缸內(nèi)壓力相應(yīng)的降低，而且達(dá)到峰值壓力的時(shí)間也有一定的推遲。這主要是因?yàn)榉桨?2 的噴射壓力比較大，霧化效果比較好，燃燒效果比較好，所以缸內(nèi)壓力比較大。方案 3 與其他 4種方案相比，缸內(nèi)放熱率前期比較大，方案 4 有些延遲。這主要是因?yàn)榉桨?3 中噴孔直徑比較大，噴油速率相對(duì)比較大，因此放熱速率比較大，而方案 4 雖然噴射壓力相差不大，但是噴孔直徑比較小噴油速率比較小，噴油持續(xù)角比較大，所以缸內(nèi)放熱率有點(diǎn)推遲。

從圖8 可見，在噴油量和供油定時(shí)角相同的前提下，方案 3 噴油速率最大，碳煙生成速率最先達(dá)到峰值而且在 5 種方案中生成速率最大，其次是方案一和方案 4 的，方案 2 的生成速率最低。即隨著噴油壓力的增大，碳煙生成速率逐漸減小。這主要是因?yàn)榉桨?3噴孔直徑比較大，噴射速率比較大，噴射壓力比較小，燃油霧化效果比較差，因此，碳煙生成速率比較大。而方案 2 噴射壓力最大，霧化效果最好，即碳煙生成速率最小。

從圖9 和圖10 可見，在燃油噴油量和供油定時(shí)角相同的前提下，隨著噴油速率的減小，噴油脈寬的增加，氮氧化物的生成曲線向后推遲，氮氧化物的生成速率依次達(dá)到生成最大值。即方案 4 生成氮氧化物的量最小，主要是因?yàn)槿加蛧娚鋲毫Ρ容^小，而且缸內(nèi)溫度比較低。燃油噴射壓力對(duì)缸內(nèi)溫度的影響最大，柱塞比較大，燃油加壓比較快，即隨著建壓時(shí)間的推遲，缸內(nèi)溫度呈推遲的趨勢(shì)。

從表3 可以看到，在相同供油定時(shí)角和噴油量的情況下噴油速率對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響。方案 5 使得柴油機(jī)獲得了比較大的有效功率和轉(zhuǎn)矩，燃油消耗量和碳煙生成量都最少，氮氧化物生成量有點(diǎn)偏大。相對(duì)于方案 3，有效功率和有效轉(zhuǎn)矩分別提高了 1.02% 和 1.023%，碳煙生成量減少了7.4%，但是氮氧化物增加了 1.1%。方案 3 經(jīng)濟(jì)性最差，但是氮氧化物排放量最少。綜合考慮，方案五噴油規(guī)律更為合理，燃燒效果最佳，因此做功輸出功率最集中，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性最佳，碳煙生成量最少，氮氧化物稍微偏高。

圖7 噴油速率對(duì)柴油機(jī)放熱速率的影響Fig. 7 Effect of fuel injection rate on heat release rate of diesel engine

圖8 噴油速率對(duì)碳煙生成速率的影響Fig. 8 Effect of fuel injection rate on Soot of diesel engine

圖9 噴油速率對(duì)氮氧化物生成速率的影響Fig. 9 Effect of fuel injection rate on NOx of diesel engine

圖10 噴油速率對(duì)缸內(nèi)溫度的影響Fig. 10 Effect of fuel injection rate on cylinder temperature of diesel engine

3 實(shí)驗(yàn)研究

表3 五組方案仿真結(jié)果列表Tab. 3 Simulation results of the five cases

為了對(duì)電控單體泵柴油機(jī)噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)選取的方案 3 利用電控單體泵柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，圖11 為電控單體泵柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。實(shí)驗(yàn)過程中通過改變噴油脈寬來保持相同的噴油量。采用法國 EFS-IFR600 型噴油規(guī)律測(cè)量儀對(duì)單體泵噴油規(guī)律開展噴油率測(cè)試。采用 Horiba 煙度檢測(cè)儀對(duì)柴油機(jī)廢氣中的 NO 等排放物進(jìn)行測(cè)量；采用FCMM-2 燃油耗測(cè)量儀測(cè)量 1 次燃油消耗質(zhì)量，從而計(jì)算出耗油率。

圖11 電控柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig. 11 Diesel engine experimental bench

從表4 可得，在柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1 000 r/min，定噴油量和定供油定時(shí)角的前提下，有效轉(zhuǎn)矩、有效功率、氮氧化物生成量和燃油消耗量都在 2% 以內(nèi)，說明了該仿真的結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)，能夠比較準(zhǔn)確的反應(yīng)柴油機(jī)綜合性能變化的趨勢(shì)。

表4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表Tab. 4 Simulation results of the five cases

4 結(jié) 語

在定噴油量的前提下，以變噴油速率的電控單體泵燃油噴射控制為目的，分別對(duì)噴油率噴油速率的產(chǎn)生、柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配和噴油速率的控制進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1）利用 AMESim建立了電控柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)仿真模型，并利用驗(yàn)證后的仿真模型得出了 5 組噴油壓力比較大，噴油規(guī)律比較合理的方案。

2）利用建立的 AVL-BOOST 柴油機(jī)整機(jī)模型，通過仿真，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，在綜合考慮柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性的前提下，得到了最優(yōu)的供油定時(shí)角。

3）在相同噴油量和供油定時(shí)角的前提下，燃油噴射壓力越大，燃油霧化質(zhì)量越高缸內(nèi)溫度、缸內(nèi)放熱速率、氮氧化物生成量和缸內(nèi)壓力增加，碳煙生成量下降。選取一組經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性比較好的方案，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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Research on injection control of electron-controlled unit pump systemwith variable fuel injection rate

ZHANG Zhi-qing1, YIN Zi-bin2, LAN Guang-lin1
(1.maritime College of Qinzhou University, Qinzhou 535000, China; 2.marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

Simulationmodel of diesel engine injection systemwith variable fuel injection rate was established by AMESim. The structure parameters of diesel engine were optimized by themodel and selected five reasonable schemes. The soft of AVL-BOOST was used to establish themodel of diesel engine, with fuel injection rate brought into the enginemodel among the two schemes, to research the effect of different fuel injection rates on cylinder temperature, cylinder pressure, heat release rate, emission, fuel consumption and torque, and simulation results show the performance of the engine can be optimized by the injection rate shaped as suitable fuel injection advanced angle. And selectedaset of best power and economy performance, into the diesel engine bench test, the error of simulation and experiment is less than 2%. The research conclusions can help to explore the law of fuel injection rate improving the engine performance.

diesel engine；variable injection rate；injection control；simulation

U664

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0111 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.022

2016 - 01 - 15；

2016 - 05 - 06

2016年廣西教育廳資助項(xiàng)目(KY2016YB473)

張志清(1982 - )，男，博士，講師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代輪機(jī)管理。