針對高壓燃油系統(tǒng)精細(xì)化控制問題的分析

劉闖

摘要：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的普及，高壓燃油系統(tǒng)自然成為環(huán)境污染罪魁禍?zhǔn)字?。本文研究了如何對高壓油管?nèi)的燃油壓力進(jìn)行精細(xì)化控制，提高燃油系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及排放性能。首先將整體穩(wěn)壓過程分割成每個(gè)小工作周期內(nèi)的穩(wěn)壓過程;其次，根據(jù)質(zhì)量守恒定律與物體密度公式得到目標(biāo)輸入質(zhì)量，通過擬合算法確立出P與的對應(yīng)關(guān)系推出流速表達(dá)式;接著引入微元思想，利用MATLAB 迭代每 0.01ms內(nèi)的燃油進(jìn)入質(zhì)量，得到開閥時(shí)間。

關(guān)鍵詞：小周期;微元思想;迭代算法;二分和理想化模型

1? 問題背景

燃油發(fā)動(dòng)機(jī)是能源消耗大戶，自然是環(huán)境污染罪魁禍?zhǔn)字?，人們意識到日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)與環(huán)境污染問題正威脅著世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。圖1顯示了我國對燃油機(jī)污染治理投資總額在逐年增加，因此，進(jìn)一步降低燃油消耗率、改善燃油機(jī)的工作效率是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作者今后的主要任務(wù)。

某型號高壓油管通過單向閥開關(guān)控制供油時(shí)間的長短，單向閥每打開一次后就要關(guān)閉 10ms。噴油器每秒工作 10 次，每次工作時(shí)噴油時(shí)間為 2.4ms，噴油器工作時(shí)從噴油嘴 B 處向外噴油的速率如圖1所示。高壓油泵在入口 A 處提供的壓力恒為160MPa，高壓油管內(nèi)的初始壓力為 100MPa。如果要將高壓油管內(nèi)的壓力盡可能穩(wěn)定在100MPa左右，如何設(shè)置單向閥每次開啟的時(shí)長。

2? 合理假設(shè)

①假設(shè)噴油器在 1s 內(nèi)每隔 100ms 開始工作一次。

②假設(shè)高壓燃油系統(tǒng)工作時(shí)環(huán)境溫度恒定在 20℃±5℃。

③假設(shè)噴油器出油過程中高壓管內(nèi)燃油密度不變。

④假設(shè)單向閥入油工作在噴油器每次工作完成后進(jìn)行。

⑤假設(shè)噴出的燃油密度和壓力始終與原始高壓油管內(nèi)的保持一致。

⑥假設(shè)高壓油泵只在每次噴油結(jié)束后工作一次。當(dāng)高壓油泵內(nèi)燃油的壓力大于油管內(nèi)的壓力時(shí)，開始進(jìn)油。

3? 符號說明（表1）

4? 模型建立與問題求解

4.1 求解 Mr

根據(jù)噴油速率與時(shí)間關(guān)系可知一個(gè)小工作周期t內(nèi)，噴出的總油量Vc為圖1中的陰影面積，由此我們可以得出Vc。在假設(shè)高壓油管進(jìn)行工作時(shí)管內(nèi)燃油密度恒為0.850mg/mm3的情況下根據(jù)物質(zhì)密度公式可以得出Mc、Vy、My，若要使一個(gè)小工作周期t內(nèi)的壓力P盡可能恒定應(yīng)則需要讓Mc與Mr近似相等。

4.2 分析 P 與ρ的對應(yīng)關(guān)系

一個(gè)小工作周期結(jié)束后我們可以得出Ms，再根據(jù)物質(zhì)的密度公式可以得出ρ。在建立M 的模型前需要對高壓油管內(nèi)的壓力與密度的關(guān)系進(jìn)行分析：

擬合算法是指已知某函數(shù)的若干離散函數(shù)值{f1，f2…fn}，通過調(diào)整該函數(shù)中若干待定系數(shù)f（？姿1，？姿2…？姿3）使得該函數(shù)與已知點(diǎn)集的差距（即最小二乘意義） 最小。

我們把 P=100MPa 與其對應(yīng)的彈性模量作為起點(diǎn)，把數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件中CFTOOL 函數(shù)進(jìn)行置信度為 99%的一階線性擬合。當(dāng)取P=0.5MPa時(shí)，我們可以通過公式（1）得到 P=100.5MPa 時(shí)對應(yīng)密度，在 200 次迭代后可得到P與ρ的關(guān)系式：ρ=0.0003254P+0.8187（2）

其線性關(guān)系如圖 3所示。

4.3 求解T

單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入高壓油管的燃油量可由下式計(jì)算：

4.3.1 理想模型

在此模型下假設(shè)一個(gè)小工作周期內(nèi)高壓油泵的入油速度不隨時(shí)間改變。在噴油嘴完成第一次小工作周期時(shí)，

4.3.2 實(shí)際模型

此模型下小工作周期內(nèi)高壓油泵的入油速度隨時(shí)間改變。在第一次小工作周期后Q 初始值為 8.2713m3/s，P 初始值為69.6MPa，由：

經(jīng)迭代計(jì)算可以得出：當(dāng)?shù)?619 次后∑m與Mr 近似相等。綜上所述，在每個(gè)小工作周期噴油嘴工作完成后，開閥時(shí)間在6.19ms時(shí)高壓油管內(nèi)壓強(qiáng)可近似穩(wěn)定在100MPa。

5? 模型評價(jià)

本文針對高壓燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立不同的模型并綜合運(yùn)用各種方法得到精細(xì)化控制的方案，對于實(shí)際過程具有一定的理論指導(dǎo)意義。但是針對解題關(guān)鍵點(diǎn)燃油密度的求解，我們選擇忽略溫度這一條件對密度的影響;同時(shí)針對進(jìn)出油順序我們選擇先出后進(jìn)的原則，這些都具有一定的局限性。在考慮實(shí)際問題中，需要對其做一定的修正。

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