高壓共軌柴油機(jī)循環(huán)噴油量預(yù)測(cè)模型仿真研究

費(fèi)紅姿， 屈超， 魏云鵬， 李瑞良

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

燃油系統(tǒng)的高壓共軌技術(shù)憑借更高的燃油噴射壓力、更快的響應(yīng)速度以及更加靈活的燃油噴射策略為發(fā)動(dòng)機(jī)滿足技術(shù)需求、實(shí)現(xiàn)綠色船用動(dòng)力提供了有力支撐[1-2]。然而目前的高壓共軌系統(tǒng)對(duì)于噴油量控制的精確程度并不能滿足日益提高的技術(shù)需求。為此學(xué)者們提出了不同的解決方法，但是基于缸壓模型的燃油控制方法需要面對(duì)預(yù)測(cè)精度和傳感器等問題，而基于燃油系統(tǒng)壓力的噴油控制方案更具可行性。目前急需建立基于燃油系統(tǒng)壓力的噴油量精確控制實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型[3]。

A.E.Catania 等[4]在研究中發(fā)現(xiàn)，壓力波動(dòng)在沿噴油器、高壓油管向共軌傳播期間會(huì)受到燃油系統(tǒng)內(nèi)機(jī)、電、液耦合的影響，使得能夠反映燃油噴射過程的波形產(chǎn)生變化；Schmid等[5]和Y.Shinohara等[6]直接在噴油器內(nèi)部安裝了體積流量傳感器和壓力傳感器來監(jiān)測(cè)噴油情況。直接在噴油器內(nèi)部，尤其是盛油槽部位安裝傳感器可以最大限度的避免燃油系統(tǒng)對(duì)壓力波形的影響，較為直接地反映噴油情況；Catania等[7]通過燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算燃油系統(tǒng)主頻，以分析噴油器入口處的壓力波動(dòng)，但是沒有研究燃油系統(tǒng)不同位置的壓力波動(dòng)及壓力波傳遞時(shí)的演化情況；Boudy等[8]和Han等[9]研究了不同的燃油物理性質(zhì)對(duì)共軌內(nèi)壓力波傳遞和單次噴射噴油量的影響，但也同樣沒有對(duì)壓力波傳遞時(shí)的演化特性進(jìn)行研究；蘇海峰等[10]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量共軌和噴油器入口的壓力，總結(jié)了壓力波對(duì)連續(xù)噴射的燃油噴射量波動(dòng)的影響規(guī)律；白云等[11]通過建立高壓共軌噴油器功率鍵合圖數(shù)值模擬進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)而建立了循環(huán)噴油量波動(dòng)回歸模型。

上述研究表明，壓力波動(dòng)與實(shí)時(shí)噴油量信息密切相關(guān)，現(xiàn)有仿真模型雖然精度高，但計(jì)算速度慢，實(shí)時(shí)性差，無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)在線實(shí)時(shí)輸出噴油量計(jì)算結(jié)果，無法用于實(shí)時(shí)控制。因而需要建立以軌壓變化為判斷依據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算噴油量的數(shù)學(xué)模型，用于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。本文通過建立高壓共軌柴油機(jī)的AMESim仿真模型，模擬不同工況下的噴油過程，研究了噴油量預(yù)測(cè)模型構(gòu)建和模型參數(shù)辨識(shí)方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了優(yōu)化，從而可以根據(jù)軌壓的變化實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)噴油量。

1 高壓共軌系統(tǒng)仿真模型建立

高壓共軌系統(tǒng)由高壓油泵、共軌管、高壓油管、噴油器組成。本文針對(duì)某型高壓共軌系統(tǒng)建立了AMESim仿真模型，其基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。圖1分別為高壓油泵、噴油器和共軌管的仿真模型。

表1 高壓共軌系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)Table 1 Basic technical parameters of simulation model

為了驗(yàn)證AMESim仿真模型的準(zhǔn)確性，在軌壓為40、100、160 MPa時(shí)，噴油脈寬為0.18～2.48 ms的工況下，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

圖1 AMESim仿真模型Fig.1 AMESim simulation model

圖2 不同工況下實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Data comparison of simulation and experiment at different work condition

從圖2中可以看出，3個(gè)軌壓下的仿真曲線與實(shí)驗(yàn)值曲線總體變化趨勢(shì)一致。在160、100 MPa軌壓下，實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)誤差較小；40 MPa軌壓下，在1～2.25 ms有一定的偏差，最大偏差為9%。高壓共軌仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)吻合度高，可以應(yīng)用該模型進(jìn)行研究。

2 基于瞬時(shí)軌壓的噴油量預(yù)測(cè)模型

2.1 噴油量與軌壓之間的關(guān)系

共軌管的燃油壓力波動(dòng)反映噴油量信息，圖3為在軌壓為60 MPa，脈寬為1.8 ms時(shí)，柴油機(jī)的4個(gè)噴油器4次噴油下的壓力和噴油率波形。圖中可以看出，首先燃油在高壓油泵凸輪軸作用下被柱塞壓縮進(jìn)入共軌管，引起共軌管軌壓上升，當(dāng)柱塞達(dá)到上止點(diǎn)(即供油終點(diǎn))時(shí)，停止供油；此時(shí)軌壓停止升高，在內(nèi)部泄漏和脈動(dòng)作用下，維持一定軌壓波動(dòng)；然后ECU控制噴油器中的針閥開啟，在一定噴油脈寬作用下，將高壓燃油由噴油器噴入氣缸，引起軌壓快速下降，直至電磁閥關(guān)閉，針閥回位，噴油結(jié)束；軌壓停止下降，在內(nèi)部泄漏和脈動(dòng)作用下，維持一定軌壓波動(dòng)，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。

圖3 柴油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的壓力波動(dòng)和噴油率Fig.3 Instantaneous pressure signal and injection rate in one working cycle of diesel engine

從圖3可以看出，在噴油時(shí)間內(nèi)(虛線內(nèi))，軌壓快速下降，因此如何應(yīng)用軌壓變化信息準(zhǔn)確反映噴油量信息是本文研究的主要內(nèi)容。

2.2 噴油量預(yù)測(cè)模型建立

為了建立軌壓波動(dòng)與噴油量之間的關(guān)系，首先給出共軌管的燃油連續(xù)運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

式中：Qpump為高壓油泵供進(jìn)入共軌管的燃油體積流量；Qinj為噴油器的噴油率；Qleakinj為噴油器的燃油泄漏量。E為體積彈性模量；V為共軌管控制容積；p為共軌管內(nèi)的瞬時(shí)壓力。

其中噴油器的燃油泄漏量Qleakinj可表示為：

Qleak=(0.1+Cleak)Qinj

(2)

式中：Cleak為系數(shù)項(xiàng)，可由實(shí)驗(yàn)獲得。

在噴油過程中，供油量Qpump可以認(rèn)為是零，并將式(2)代入式(1)可得：

(3)

式中：共軌管控制容積V可以表示為:

V=VCRP+VHPP1+VHPP2+VHPC+VCRC=

V′+VCRC

(4)

式中：VCRP為共軌管容積；VHPP1為高壓油泵與共軌管連接的高壓油管總?cè)莘e；VHPP2為噴油器與共軌管連接的高壓油管總?cè)莘e；VHPC為噴油器與高壓油管連接的高壓連接器總?cè)莘e；VCRC為共軌控制容積補(bǔ)償量。VCRP、VHPP1、VHPP2和VHPC可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到。

由于燃油在高壓下會(huì)造成共軌管及高壓油管形變，因此VCRC與壓力有關(guān)[12]：

VCRC=C1+C2P

(5)

式中：C1和C2為系數(shù)；P為共軌管的平均壓力。

通常情況下，根據(jù)燃油彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式，E與P相關(guān)，可由下式確定[13]：

E=1.2×104(1+0.001P)

(6)

將式(4)～(6)代入式(3)，得到：

(7)

(8)

則燃油系統(tǒng)單次噴油量Vinj為：

(9)

式中：Δp≈-dp表示瞬時(shí)軌壓變化，在此定義為軌壓降。

式(9)為瞬時(shí)軌壓與噴油量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，亦即根據(jù)軌壓的變化，利用此模型可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)高壓共軌系統(tǒng)的噴油量。在模型中，有兩個(gè)待定的參數(shù)C1、C2。本文基于AMESim仿真模型，在不同的工況下，對(duì)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，辨識(shí)模型待定參數(shù)，從而得到不同工況下基于瞬時(shí)壓力的噴油量預(yù)測(cè)模型。

2.3 波形特征參數(shù)的處理

軌壓降Δp是預(yù)測(cè)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，它的數(shù)值直接影響預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度。圖4為1#噴油器噴射過程的軌壓波形在一個(gè)噴油周期內(nèi)，可以將壓力變化過程定義為壓升段、波峰段、壓降段和波谷段。軌壓降Δp代表在壓降段軌壓的變化。由于壓力高頻波動(dòng)，影響軌壓降Δp的取值。為此，將該波形進(jìn)行小波去噪，得到平滑的反應(yīng)壓力變化的波形曲線。將小波分解后壓力曲線的波峰段較為平滑的部分與波谷段的差值記為Δp。

圖4 1#噴油器噴射過程的壓力波動(dòng)Fig.4 Instantaneous pressure signal in 1# injector

2.4 模型特征參數(shù)辨識(shí)

圖5為在0.8 ms噴射脈寬下，不同軌壓下的軌壓降與噴油量對(duì)比。從仿真數(shù)據(jù)可以看出，在同一噴射脈寬下，噴油量與軌壓降變化規(guī)律一致性較好，因此，根據(jù)預(yù)測(cè)模型式(9)，本文建立了不同脈寬下的預(yù)測(cè)模型。

圖5 不同軌壓下的軌壓降與噴油量對(duì)比Fig.5 Pressure decline and injection volume with different the pressure of fuel

以噴油脈寬為0.8 ms的情況為例。固定噴油脈寬為0.8 ms，設(shè)定軌壓從40 MPa變化到140 MPa，對(duì)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到不同軌壓下對(duì)應(yīng)的噴油量Vinj，同時(shí)計(jì)算對(duì)應(yīng)的軌壓降Δp，如表2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到CleakInj為0.035。將上述數(shù)據(jù)代入預(yù)測(cè)模型式(9)中，辨識(shí)出一系列待定系數(shù)C1和C2，然后求平均值，得到該脈寬下的預(yù)測(cè)模型。

表2 0.8 ms脈寬下仿真參數(shù)

噴油脈寬為0.8 ms時(shí)的預(yù)測(cè)模型為：

(10)

圖6為根據(jù)預(yù)測(cè)模型得到的噴油量預(yù)測(cè)值與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線，可以看出，預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值和仿真值變化基本一致。

圖6 噴油量預(yù)測(cè)值與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison of predictive injection volume and simulation data

通過模擬仿真得到不同脈寬下的Vinj、Δp。按照上述方法，辨識(shí)出不同噴油脈寬下C1、C2值，從而得到基于軌壓波動(dòng)的不同脈寬下噴油量的預(yù)測(cè)模型，如圖7所示。

從圖7中可以看出，基于本文提出的預(yù)測(cè)模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出不同脈寬下的噴油量，在0.6、0.8、1.0和1.2 ms小脈寬下，預(yù)測(cè)值準(zhǔn)確度較高，噴油脈寬大于1.4 ms時(shí)預(yù)測(cè)值與仿真值趨勢(shì)一致，有一定誤差。

3 預(yù)測(cè)模型誤差分析與優(yōu)化

3.1 預(yù)測(cè)模型誤差分析

圖8所示為預(yù)測(cè)模型誤差隨脈寬、軌壓變化的曲線。在噴油脈寬為0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 ms時(shí)，預(yù)測(cè)模型的均方根誤差分別為0.63，0.81，3.22，0.72，4.44，8.53，5.12，6.75 mg。在小脈寬下預(yù)測(cè)模型的誤差值相對(duì)較小，當(dāng)噴油脈寬超過1.4 ms時(shí)，均方根誤差較大。但是在大脈寬下噴油量也相對(duì)增加，因此，定義預(yù)測(cè)模型精度為準(zhǔn)確度Ф：

(11)

式中:Vm為模型的噴油量預(yù)測(cè)值；Vt為噴油量仿真值。

在上述噴油脈寬下，計(jì)算預(yù)測(cè)模型的平均準(zhǔn)確度，分別為87.65%、93.64%、88.93%、98.18%、90.58%、80.98%、92.20%、91.35%，如圖9所示。預(yù)測(cè)模型的平均準(zhǔn)確度較高，但是個(gè)別預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確度并不夠高，例如在軌壓為40 MPa時(shí)，噴油脈寬為1.0 ms的預(yù)測(cè)值準(zhǔn)確度為76.11%。

3.2 預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化

從圖9各工況點(diǎn)的預(yù)測(cè)值與仿真值對(duì)比曲線中，可以看到低軌壓與高軌壓呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，導(dǎo)致了預(yù)測(cè)值在部分工況點(diǎn)出現(xiàn)較大的偏差，這種現(xiàn)象在脈寬1.0、1.4、1.8和2.0 ms時(shí)更為明顯。為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)模型的精度，采用分段優(yōu)化的方法，即將預(yù)測(cè)模型參數(shù)分成2段，低壓段40 MPa到90 MPa，超過90 MPa為高壓段。

對(duì)噴油脈寬為2.0 ms時(shí)的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了分段優(yōu)化，結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后低壓部分的預(yù)測(cè)模型誤差明顯減小，優(yōu)化后預(yù)測(cè)模型的均方根誤差由6.75 mg降低到3.63 mg；平均準(zhǔn)確度由91.35%提高到96.33%。利用同樣的方法對(duì)其他工況下的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖10 優(yōu)化前后的對(duì)比曲線Fig.10 Comparison curves before and after optimization

4 結(jié)論

1)通過分析瞬時(shí)燃油壓力與噴油率之間的變化關(guān)系，提出了基于燃油壓力波動(dòng)動(dòng)態(tài)規(guī)律建立噴油量預(yù)測(cè)模型的方法?；诠曹壒艿娜加瓦B續(xù)運(yùn)動(dòng)方程，通過簡化影響噴油量的共軌管控制容積表達(dá)式，得到了在噴油時(shí)間內(nèi)，循環(huán)噴油量預(yù)測(cè)線性數(shù)學(xué)模型。

2)應(yīng)用高壓共軌系統(tǒng)仿真模型，模擬不同工況點(diǎn)下的噴射過程，根據(jù)同一噴油脈寬下軌壓的變化對(duì)預(yù)測(cè)模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，得到了一系列不同噴油脈寬下的噴油量預(yù)測(cè)模型，該模型可以根據(jù)共軌壓力的瞬態(tài)變化預(yù)測(cè)不同噴油脈寬下的噴油量。

3)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行誤差分析，在8個(gè)噴油脈寬下的模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度在80%以上，平均準(zhǔn)確度為90.43%，最小誤差值僅為0.007 mg。為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)模型的精度，采用分段優(yōu)化的方法，將預(yù)測(cè)模型參數(shù)分成低壓段和高壓段，優(yōu)化后低壓部分的預(yù)測(cè)模型誤差明顯減小，優(yōu)化后，預(yù)測(cè)模型的均方根誤差由6.75 mg降低到3.63 mg；平均準(zhǔn)確度由91.35%提高到96.33%。