高壓燃油系統(tǒng)的最優(yōu)控制方案

姚佩玲 蘭詠琪 梁杰

摘要：本文基于高壓燃油系統(tǒng)和經(jīng)典流體力學的理論，研究不同條件下單向閥開啟時長、凸輪角速度問題以及高壓共軌管系統(tǒng)的工作策略和控制方案。首先對高壓燃油系統(tǒng)工作原理進行分析，在確定高壓油管內(nèi)壓力的影響因素后，通過一維不穩(wěn)定流動方程并計入摩擦阻力的影響建立單向閥開啟時長模型。擬合出燃油在高壓油管中與摩擦阻力有關(guān)的壓降值，再利用其周期性變化特點，創(chuàng)建與摩擦有關(guān)的流量差公式，通過對公式的求解，得到單向閥每次開啟0. 299s，可以使管內(nèi)壓力維持在IOOMPa左右。再增加新的單向閥流量公式，利用迭代法，以及JAVA程序編程，得到分別經(jīng)過約2s、5 s和10 s的調(diào)整過程后穩(wěn)定在150MPa，單向閥應(yīng)開啟的時長為0.726ms、0.694ms、0.645ms，同時在第2s，5s，lOs的調(diào)整后，單向閥的開啟時間恢復為0. 7lms。隨后在單向閥開啟時長模型的基礎(chǔ)上，增加燃油在高壓油泵的連續(xù)方程，同時以針閥控制噴油嘴代替原噴油嘴，給出新的噴油嘴流量變化方程，建立以這兩個方程為邊界條件的凸輪角速度優(yōu)化模型。在給出高壓油泵壓力與凸輪角速度的關(guān)系式前提下，利用差分法對在給定初始條件下的高壓油泵常微分方程進行數(shù)值求解，在求解問題一模型的方法下，求解出使油管內(nèi)壓力穩(wěn)定在IOOMPa的凸輪角速度為22rad/s。

關(guān)鍵詞：噴油系統(tǒng);壓力波動;一維不穩(wěn)定流動方程;迭代法

1引言

隨著全球燃油資源以及日益嚴重的環(huán)境污染問題，各國對于更加嚴格的環(huán)境保護法，這對于燃油裝置的性能要求也越來越高。在此背景下，各種燃油裝置也應(yīng)運而生。而燃油裝置的核心就是燃油系統(tǒng)，但燃油系統(tǒng)的供油量、噴油量控制精度困難，供油時間以及噴油時間定時困難。而對噴油時間的控制不僅可以提高燃油裝置的效率，減少資源消耗，對于環(huán)境保護具有重大意義。因此，控制供油時間是一個亟待解決的問題。在此，本文也給出了不同條件下高壓燃油系統(tǒng)的控制方案。

2模型假設(shè)

1）不考慮高壓油管內(nèi)部柴油殘留;

2）不考慮高壓油管的彈性變形;

3）不考慮溫度對整個過程的影響;

4）不考慮單向閥和針閥所受到的摩擦阻力;

5）不考慮燃油在單向閥口與噴油嘴接口處的燃油損失;

6）不考慮高壓燃油系統(tǒng)燃油系統(tǒng)泄露問題。

3模型的建立與求解

3.1單向閥開啟時長模型的建立

供油入口A處小孔由單向閥開關(guān)控制，且每打開一次就要關(guān)閉lOms，則假設(shè)單向閥每間隔10ms打開T（ms），同時噴油嘴B處每間隔lOOms工作2.4ms，則我們可以認為單向閥控制的供油過程、噴油嘴控制的噴油過程是自動的。故我們只考慮燃油在高壓油管內(nèi)部的變化情況。

燃油的壓力變化量與密度變化量成正比，根據(jù)附件3的數(shù)據(jù)，通過matlab編程，我們可以得到壓力與密度的關(guān)系圖，如圖l。

由于燃油具有粘性，且高壓油管的內(nèi)徑較小，同時其在高壓油管內(nèi)流速很大，則無法忽略其摩擦阻力的影響。如果要將高壓油管內(nèi)的壓力穩(wěn)定100 MPa左右，則其內(nèi)部的物理狀態(tài)基本沒有發(fā)生變化。

在計人摩擦阻力的前提下，我們建立燃油在高壓油管內(nèi)部的質(zhì)量及動量守恒方程：

其中ρ為燃油密度，u為燃油在高壓油管內(nèi)的流速，P為高壓油管內(nèi)部的壓力，f為摩擦系數(shù)，z為距離坐標，t為時間坐標[1]。

1）燃油在高壓油管中流動時是一個連續(xù)的過程，所以高壓油管內(nèi)的壓力會隨時間不斷發(fā)生變化，則油管中壓力變化的連續(xù)方程

其中d為高壓油管的內(nèi)直徑，L為高壓油管的內(nèi)腔長度[2]。

3.2單向閥開啟時長模型的求解

1）對于確定合適的單向閥開啟時長，以穩(wěn)定高壓油管內(nèi)的壓強變化，我們認為高壓油管的壓強與燃油密度、燃油流速以及管內(nèi)壁摩擦力有關(guān)，而燃油密度與管內(nèi)燃油的流量差有關(guān)，因為管內(nèi)初始壓強為IOOMPA，而噴油嘴B每秒噴出的燃油是固定的，所以我們設(shè)置1秒為一個周期，同時控制管內(nèi)燃油流量差的大小，讓高壓油管的壓力維持在IOOMPA左右。我們可以得到在一個周期內(nèi)只與管內(nèi)流量差有關(guān)的壓力平衡方程

Qin =Qout

（6）

由于燃油流速與管內(nèi)摩擦阻力對于壓力的影響較大，但是其影響值計算較為復雜，所以我們查閱相關(guān)文獻與數(shù)據(jù)后，通過擬合曲線（如圖2），可以得到一個針對本題材料屬性的在燃油流量為每秒440立方米時，沿程阻力壓降值為4. 126 MPA[3]。

在計人沿程阻力壓降值后，我們得到在一個周期內(nèi)新的壓力平衡方程

Qin =Qout +Qf

（7）

代入具體數(shù)據(jù)，通過對該新壓力平衡方程的求解，我們得出單向閥每次需開啟0. 299 ms，可以使高壓油管內(nèi)部壓力盡可以維持在100 MPA左右。

2）對于第二小問，需要調(diào)整單向閥開啟時間使高壓油管在不同時間內(nèi)達到150 MPA并趨于穩(wěn)定。因為高壓油管從IOOMPA到150MPA變化期間，其單向閥流量隨壓強在不斷變化，無法直接求得在不同時間內(nèi)單向閥的開啟時長，所以我們在第一小問的基礎(chǔ)上以lOOms為一個周期，利用迭代法，增加新的單向閥流量計算公式

其中T為單向閥開啟時長，n=20，50，100，燃油密度Pi與管內(nèi)壓力Pi+1存在一定關(guān)系。

通過JAVA編程，可得分別經(jīng)過約2s、5s和10 s的調(diào)整過程后穩(wěn)定在150 MPa，單向閥應(yīng)開啟的時長為0. 726s、0.694s、0.645s，同時在第2s，5s，lOs的調(diào)整后，單向閥的開啟時間恢復為0. 71ms。

3.3凸輪角速度選取模型的建立

高壓油泵的工作過程：凸輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動柱塞腔內(nèi)的柱塞上下運動，來改變壓力，控制單向閥的開啟。

噴油嘴的工作過程：在一個噴油周期內(nèi)，噴油嘴通過針閥的上升程度，來控制噴口的開啟程度，即控制燃油噴出量，當針閥上升程度為O時，噴油嘴關(guān)閉。

由附件2給出的針閥運動狀態(tài)，我們可以給出其在一個周期內(nèi)的變化曲線，如圖3。

由附件一給出的凸輪邊緣曲線，我們可以給出其在一個周期內(nèi)的變化曲線，如圖4。

模型一已經(jīng)給出高壓油管內(nèi)部燃油的運動方程，所以我們只需添加柱塞與針閥的運動方程，就可以得出高壓燃油系統(tǒng)的工作過程模型。

柱塞腔的連續(xù)方程為

3.4 凸輪角速度選取模型的求解

燃油在高壓油泵運動方程可轉(zhuǎn)化為使燃油在高壓油管內(nèi)部流動的邊界方程，而該邊界方程組為常微分方程組。求得凸輪角速度問題，即變?yōu)樵谠撓拗茥l件下，如何控制高壓油管內(nèi)部的壓力穩(wěn)定在100MPA。

對于常微分方程，運用差分法對該常微分方程進行數(shù)值求解，可以得出高壓油泵處的壓力值。即可得到當凸輪角速度為22rad/s時，可以使油管內(nèi)壓力穩(wěn)定在100MPa的結(jié)果。

4 模型評價

4.1 模型優(yōu)點

1）在對高壓油管內(nèi)燃油的分析中，考慮了燃油的粘性，加入了摩擦系數(shù)，考慮了燃油的動量損失，使分析過程更符合實際情況。

2）在整個過程的分析中，考慮到了壓強的動態(tài)變化，使運算結(jié)果更貼合實際情況。

4.2模型缺點

1）在對問題的分析上，只注重了燃油的變換動態(tài)過程，沒有考慮機械裝置的變化，導致實驗結(jié)果具有偏差。

2）在高壓燃油系統(tǒng)的整個工作過程中，我們忽略了溫度、燃油系統(tǒng)漏油等對其工作過程影響較大的因素，這樣計算的結(jié)果顯然與實際情況的差值較大。

4.3模型的推廣

本文對高壓燃油裝置中燃油系統(tǒng)進行了模擬分析，有助于對燃油系統(tǒng)進行改進，提升高壓燃油裝置的效率以及穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于汽車發(fā)動機的開發(fā)，提高發(fā)動機性能，減少油耗，降低尾氣排量，減少資源油耗，保護環(huán)境。

參考文獻

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