基于缸壓的閉環(huán)控制燃燒參數(shù)仿真研究*

王小說 安士杰 周 磊 張衛(wèi)東

（1-海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 湖北 武漢 430033 2-空軍預(yù)警學(xué)院）

引言

經(jīng)過多年引進、反向設(shè)計、消化與吸收，我國新一代自主研發(fā)高速柴油機設(shè)計目標(biāo)瞄準(zhǔn)國際先進水平：單缸功率為160～200 kW，強化指標(biāo)達到30～32 MPa·（m/s），標(biāo)定工況時油耗≤200 g/（kW·h）。要實現(xiàn)該設(shè)計目標(biāo)，超高壓共軌技術(shù)和柴油機智能控制技術(shù)是必須的技術(shù)途徑。

現(xiàn)有的燃油噴射系統(tǒng)采用開環(huán)控制方法，該方法依靠臺架試驗來確定柴油機在不同工況下的最佳控制參數(shù)，并根據(jù)環(huán)境因素（如進氣溫度和壓力、油溫以及水溫等），對控制參數(shù)做一定的修正，同型號柴油機采用相同的控制參數(shù)，但由于工業(yè)生產(chǎn)精度的差異，同型號的柴油機也存在一定的個體差異[1]。這就會影響柴油機開環(huán)控制的效果。同時，現(xiàn)有的燃油電控噴射系統(tǒng)不能根據(jù)柴油機技術(shù)狀態(tài)的改變（如噴油系統(tǒng)磨損、缸套與活塞環(huán)配合間隙的變化、燃燒室積碳等）做出相應(yīng)的改變，且不能有效地對瞬態(tài)工況進行控制[2]。

與開環(huán)控制方法相對應(yīng)的是基于缸壓的燃燒閉環(huán)控制方法，該方法指的是在柴油機運行過程中，實時測取缸壓數(shù)據(jù)并計算處理，并以缸內(nèi)燃燒狀態(tài)作為反饋量，實時地調(diào)整柴油機控制參數(shù)，從而達到精確優(yōu)化其燃燒過程的目的。相比于開環(huán)控制方法，基于缸壓的燃燒閉環(huán)控制在降低油耗、排放和各缸一致性等各個方面都有更大的優(yōu)勢[3]?；诖?，本文為深入研究缸內(nèi)燃燒參數(shù)與柴油機性能以及控制參數(shù)之間的關(guān)系，選取出最合適的燃燒反饋參數(shù)及控制參數(shù)，實現(xiàn)燃燒的閉環(huán)控制，基于GT-Power軟件建立了TBD314V8柴油機的仿真模型，并利用試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性，通過模型研究了噴油量和噴油提前角對IMEP和CA50的影響，同時分析了柴油機性能隨IMEP和CA50的變化規(guī)律。

1 模型建立與驗證

1.1 模型建立

基于GT-POWER建立的柴油機整機仿真模型如圖1所示，該模型主要由進排氣模型、氣缸模型、噴油器模型以及渦輪增壓器模型等組成[4]。其中，進排氣模型主要包括進排氣總管、進排氣歧管和進排氣門，在建立該模型時可在獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上對其進行必要的簡化和離散化處理，轉(zhuǎn)化為計算需要的一維管路模型；氣缸模型中燃燒模型采用Wiebe模型，傳熱模型采用Woschni模型；噴油器模型則采用InjMultiProfileConn噴射模型；渦輪增壓模型由渦輪機模型和壓氣機模型組成，兩者之間通過傳動軸模型相連[5]。柴油機的主要性能參數(shù)如表1所示。

圖1 TBD314V8柴油機整機仿真模型

1.2 模型驗證

為保證仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要驗證所建模型。通過對柴油機進行整機性能試驗，得出的轉(zhuǎn)矩、功率和油耗計算值與試驗值的對比結(jié)果如圖2所示。由圖可知，仿真計算的轉(zhuǎn)矩、功率和油耗值與試驗值基本一致，最大誤差在5%以內(nèi)，表明所建立的仿真模型較為合理，可以用來模擬實際情況。

表1 TBD314V8主要性能參數(shù)表

圖2 仿真計算值與試驗值對比

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 噴油量和噴油提前角對IMEP和CA50的影響

2.1.1 噴油量對IMEP和CA50的影響

定義噴油量為204mg下的ΔCA50值為0。噴油量對IMEP和ΔCA50的影響如圖3所示。由圖可知，噴油量與IMEP和ΔCA50之間呈一定的線性關(guān)系，隨著噴油量的增大，IMEP由1.14 MPa增加到2.06 MPa的峰值，ΔCA50由 1.97°CA 到 0°CA。這是因為隨著噴油量的增大，做功增加從而導(dǎo)致IMEP增加，著火滯燃期減小，燃燒時間提前，相應(yīng)的CA50也向前移動。從變化幅度看，柴油機中IMEP與每缸噴油量關(guān)系最為密切，即每缸噴油量對IMEP影響最大。

2.1.2 噴油提前角對IMEP和CA50的影響

圖3 噴油量對IMEP和ΔCA50的影響

圖4 噴油提前角對IMEP和CA50的影響

噴油提前角對IMEP和CA50的影響如圖4所示。由圖可知，噴油提前角從-21°CA變化到-12°CA ATDC，噴油提前角與IMEP之間具有相關(guān)的關(guān)系，而與CA50則呈線性相關(guān)。當(dāng)噴油提前角后移時，IMEP逐漸下降而CA50逐漸上升。這是因為隨著噴油角的后移，缸內(nèi)的燃燒過程也后移，燃燒始點后移，放熱率曲線整體后移使得CA50增大，缸內(nèi)的壓力和溫度下降，做功減少，IMEP也就逐漸減小。從變化幅度看，噴油提前角對CA50影響最大，對IMEP也會有一定影響。

2.2 柴油機性能隨IMEP和CA50的變化關(guān)系

2.2.1 柴油機性能隨IMEP的變化關(guān)系

圖5 IMEP對柴油機性能的影響

IMEP對柴油機性能的影響如圖5所示。由圖可知，隨著IMEP的增大，轉(zhuǎn)矩、缸內(nèi)爆壓、NOx均逐漸增大，而油耗逐漸減小，且具有線性關(guān)系。這是因為IMEP增大代表燃燒更加充分，缸內(nèi)的壓力和溫度增大，做的功更多，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增加，爆壓增加，油耗下降，NOx的排放增加。

2.2.2 柴油機性能隨CA50的變化關(guān)系

CA50對油耗和NOx的影響如圖6所示。由圖可知，隨著CA50的增大，功率下降，缸內(nèi)爆壓下降，動力性變差，油耗增加，NOx的值減小，經(jīng)濟性變差。這是因為CA50的增大代表著缸內(nèi)的燃燒過程后移，滯燃期增長，整個燃燒過程更加不充分，放出的熱量減少，導(dǎo)致功率下降，缸內(nèi)爆壓下降，油耗增加，缸內(nèi)的溫度和壓力隨著CA50的增大而減小，從而NOx的值隨著減小。

圖6 CA50對油耗和NOx的影響

3 結(jié)論

1）在驗證模型的過程中發(fā)現(xiàn)柴油機轉(zhuǎn)矩、功率以及油耗的仿真值和試驗值基本吻合，表明所建立的仿真模型較為合理，可以用來模擬實際情況。

2）噴油量與IMEP具有明顯的線性關(guān)系，噴油提前角與CA50具有明顯的線性關(guān)系，表明噴油量和噴油提前角可用來做閉環(huán)缸壓控制的控制參數(shù)。

3）IMEP和CA50對柴油機性能的影響顯著，可用來做閉環(huán)缸壓控制的反饋參數(shù)。