本文關(guān)鍵詞：柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)模擬計(jì)算與仿真，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　由于壓縮天然氣(CNG) 的氣體特性,在以進(jìn)氣管混合方式向CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)供氣的過(guò)程中,CNG 要占用一部分進(jìn)氣管容積,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量下降,充氣效率低,直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。如果采用缸內(nèi)直接噴射CNG,則發(fā)動(dòng)機(jī)基本上沒有進(jìn)氣節(jié)流損失,有可能在寬廣的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)確保熱效率,并且可使輸出特性與柴油機(jī)大致相同。

　　為滿足缸內(nèi)直接噴射的要求,本研究提出了一種CN G發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)。高壓共軌系統(tǒng)能夠精確、柔性地控制CN G發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣量、噴氣定時(shí)和噴射壓力,且發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能優(yōu)越。因此,CNG缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿足經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和日益苛刻的排放法規(guī)的要求,有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　由于CN G密度小,所需的共軌腔容積較大,容易產(chǎn)生壓力波動(dòng)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)CN G 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的研究還相對(duì)較少。為了研究高壓共軌系統(tǒng)參數(shù)對(duì)共軌腔壓力波動(dòng)的影響, 本研究利用AMeSim/ Simulink 聯(lián)合仿真環(huán)境,建立了CN G 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上,對(duì)影響軌壓波動(dòng)的主要因素進(jìn)行了分析,提出了以減少壓力波動(dòng)幅值為優(yōu)化目標(biāo)的控制策略。

　　1 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)工作原理

　　本研究所建立的CN G 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)如圖1 所示。它由共軌腔、氣體增壓器、減壓穩(wěn)壓閥及安全閥等構(gòu)成。

　　圖1 CN G發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)

　　我國(guó)法規(guī)規(guī)定, CN G 瓶?jī)?chǔ)氣壓力的范圍為0. 2 MPa～20 MPa 。從文獻(xiàn)[ 1 ]可知,CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌腔的工作壓力可設(shè)定為10 MPa ,本研究即以此值作為共軌腔的工作壓力值。

　　為使氣瓶中CN G 的壓力變化滿足穩(wěn)定的共軌腔壓力要求,建立了“兩級(jí)調(diào)壓”的共軌系統(tǒng)。從圖1可知,當(dāng)CN G 瓶中壓力為10 MPa ～20 MPa 時(shí),ECU 開啟二位三通閥的減壓通路,高壓氣體經(jīng)減壓穩(wěn)壓閥降至10 MPa 后進(jìn)入共軌腔;隨著CN G瓶中氣體的減少,當(dāng)壓力降至10 MPa 以下時(shí), ECU 控制二位三通閥,關(guān)閉減壓通路,開啟增壓通路,低壓氣體被氣體增壓器增壓至10 MPa 后進(jìn)入共軌腔。

　　為了保證共軌腔內(nèi)壓力穩(wěn)定,減小增壓泵的負(fù)荷,采用“兩級(jí)調(diào)壓”模式控制共軌腔壓力。在系統(tǒng)處于增壓狀態(tài)時(shí),如氣瓶中壓力高于5 MPa ,只有1號(hào)增壓泵工作;當(dāng)壓力低于5 MPa 時(shí),1 號(hào)、2 號(hào)泵同時(shí)工作,共同增壓。

　　當(dāng)壓力傳感器測(cè)得共軌腔中壓力波動(dòng)幅值過(guò)大,高于目標(biāo)幅值時(shí),打開安全閥,使共軌腔中的CNG回流,以保證共軌腔的壓力滿足噴射壓力要求。

　　2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)分析及建模

　　為分析CN G 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的工作過(guò)程,為實(shí)物研制提供理論依據(jù),利用AMeSim 仿真軟件搭建了CN G 發(fā)動(dòng)機(jī)共軌系統(tǒng)的物理模型,并利用MA TLAB/ Simulink 仿真環(huán)境建立了控制算法,對(duì)一些影響共軌腔壓力的因素進(jìn)行了初步分析。

　　建立物理模型時(shí),考慮所有的相關(guān)因素是不必要也是不現(xiàn)實(shí)的。針對(duì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和需要解決的問(wèn)題,作如下假設(shè)[2 ] :

　　·管內(nèi)CN G為一維非定常流動(dòng);

　　·不考慮CN G溫度隨時(shí)間的變化;

　　·CN G的物理性質(zhì),即密度、彈性模量、表面張力等不變;

　　·共軌系統(tǒng)零件的彈性變形忽略不計(jì),并不考慮泄漏。

　　在上述前提條件下,可建立CN G 的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和燃?xì)馕飸B(tài)方程[3 ] :

　　式中, p 表示壓力,ρ表示密度, A 表示截面積, U表示流速,α表示音速, k 表示黏阻系數(shù),對(duì)于層流k =16 v/d2, 對(duì)于紊流k =40 v/d2 , v 為運(yùn)動(dòng)黏度。

　　根據(jù)上述3 個(gè)方程,即可求解壓力p 、密度ρ和流速U 等3 個(gè)變量。

　　系統(tǒng)計(jì)算的邊界條件方程為連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程,均是常微分方程, 可采用改進(jìn)歐拉法進(jìn)行計(jì)算[4 ] 。

　　基于上述假設(shè)和分析,用AMeSim 軟件所建立的CN G發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌系統(tǒng)模型如2 圖所示。

　　圖2 高壓共軌系統(tǒng)模型

　　設(shè)定系統(tǒng)參數(shù): 氣瓶壓力p = 0. 2 MPa ～10 MPa ,溫度T = 300 K,壓縮機(jī)排量V = 100 mL/r ,電機(jī)電壓Um = 0 V～12 V ,電樞電阻Ra = 0. 2Ω,電樞電感L = 0. 012 H ,傳動(dòng)比i = 0. 7 ; 共軌腔內(nèi)徑d = 30 mm , 長(zhǎng)度L = 0. 75 m ; 噴嘴流量系數(shù)C =0.72 。

　　采用DHL1105 單缸直噴柴油機(jī)為原型機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)見表1 。

　　在定負(fù)荷,共軌腔內(nèi)徑30 mm、長(zhǎng)度0. 75 m 情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/ min和1 000 r/ min～3 000 r/ min 時(shí)的系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖3 。

　　圖3 共軌腔壓力波動(dòng)圖

　　從圖3a 可見,在開始時(shí)刻燃?xì)夤┙o系統(tǒng)具有供氣延遲,因此該時(shí)刻的共軌腔壓力波動(dòng)幅值較大,在0. 3 MPa～0. 5 MPa 之間。隨后系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況中, 軌壓在1 0 MPa 左右波動(dòng), 且波動(dòng)幅值較小( ±0. 2 MPa) 。圖3 b 為轉(zhuǎn)速在1 000 r/ min～3 000 r/ min 和2 000 r/ min 時(shí)壓力波動(dòng)比較圖,當(dāng)轉(zhuǎn)速小于2 000 r/ min 時(shí),壓力波動(dòng)幅值在±0. 2 MPa之內(nèi);當(dāng)大于2 000 r/ min 時(shí),有時(shí)會(huì)超過(guò)±0. 2 MPa ,但不會(huì)超過(guò)±0. 25 MPa 。結(jié)果表明,共軌腔壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本無(wú)關(guān),可以滿足應(yīng)用的要求。

　　3 控制系統(tǒng)模型

　　當(dāng)共軌腔進(jìn)氣量固定時(shí),如果發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工況下工作,噴射脈寬固定,進(jìn)出共軌腔的CN G 量維持恒定,壓力波動(dòng)幅值較小;但當(dāng)處于變工況時(shí),噴射脈寬會(huì)增大或減小,如果進(jìn)氣量不變,噴氣量改變,會(huì)使共軌腔壓力波動(dòng)幅值隨著噴射脈寬的增大(減小) 而減小(增大) ,導(dǎo)致共軌腔壓力波動(dòng)幅值過(guò)大,不能滿足噴射壓力的穩(wěn)定要求。

　　為使共軌腔壓力波動(dòng)幅值在理想的范圍內(nèi),本研究提出建立以壓力波動(dòng)幅值為控制目標(biāo),以噴射脈寬和回流量為參數(shù), 控制進(jìn)氣脈寬的控制系統(tǒng)。

　　控制系統(tǒng)的工作過(guò)程為: ECU 采集轉(zhuǎn)速信號(hào)與負(fù)荷信號(hào),確定噴射脈寬;同時(shí),采集安全閥質(zhì)量流量信號(hào)以判斷回流量。有回流時(shí),ECU 給增壓泵調(diào)制脈寬信號(hào),減小電機(jī)電流,減少泵氣量;無(wú)回流時(shí),當(dāng)噴射脈寬增大(減小) 時(shí),增大(減小) 電流,增加(減少) 泵氣量�？刂七^(guò)程的原理如圖4 所示。

　　圖4 Simulink 控制流程圖

　　在定負(fù)荷,共軌腔內(nèi)徑30 mm ,長(zhǎng)度0. 75 m 情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/ min 和1 000 r/min～3 000 r/ min 時(shí),AMeSim/ Simulink 聯(lián)合控制仿真結(jié)果如圖5 所示。

　　圖5 不同工況共軌腔壓力波動(dòng)比較

　　由圖5 可知,在發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行階段,由起動(dòng)工況的開環(huán)控制迅速進(jìn)入閉環(huán)控制,壓力波動(dòng)幅值快速減小。在轉(zhuǎn)速為2 000 r/ min 的穩(wěn)定工況下,壓力波動(dòng)幅值為±0. 15 MPa ,波動(dòng)趨于穩(wěn)定;與無(wú)控制系統(tǒng)比較,壓力波動(dòng)幅值減小。

　　通過(guò)壓力波動(dòng)幅值比較發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min～3 000 r/ min 的變工況下,該控制系統(tǒng)可以減小共軌腔壓力波動(dòng),使腔內(nèi)壓力更趨于穩(wěn)定。

　　4 其他影響因素分析

　　為使設(shè)計(jì)的共軌腔更接近實(shí)物要求,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,可獲得系統(tǒng)特性參數(shù)。為此,在定負(fù)荷的情況下,本研究對(duì)影響系統(tǒng)性能的一些因素作了分析。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定為2 000 r/ min ,共軌腔內(nèi)徑在20 mm ～40 mm內(nèi)取值,變化步長(zhǎng)2 mm ;長(zhǎng)度在0. 3 m～1. 5 m內(nèi)取值,變化步長(zhǎng)0. 15 m ,在每一個(gè)固定內(nèi)徑下改變長(zhǎng)度,得出共軌腔容積和長(zhǎng)徑比對(duì)壓力波動(dòng)幅值的影響(見圖6a 和圖6b) 。

　　a 共軌容積對(duì)壓力波動(dòng)幅值的影響

　　b 長(zhǎng)徑比對(duì)壓力波動(dòng)幅值的影響

　　c 共軌腔壓力對(duì)壓力波動(dòng)幅值的影響

　　圖6 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)壓力波動(dòng)幅值的影響

　　·共軌腔容積的影響共軌腔容積越大,對(duì)壓力波動(dòng)的緩沖能力越強(qiáng),波幅越小;但體積太大,建立壓力的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)增加,對(duì)控制不利;應(yīng)存在合適的體積范圍,可使噴射后共軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)不致過(guò)大,又不會(huì)超過(guò)壓力建立的響應(yīng)時(shí)間;

　　·共軌腔長(zhǎng)徑比的影響長(zhǎng)度越小,直徑越大,壓力波動(dòng)幅值越小;隨著長(zhǎng)徑比的增加,波動(dòng)幅值增加較快;為了滿足實(shí)際的需要,在相同的容積下,存在最佳長(zhǎng)徑比;

　　·共軌腔壓力的影響共軌腔壓力越大,壓力波動(dòng)幅值越高,由于泄漏量、溫度等隨壓力的增大而變大,理論上幅值隨壓力的變化應(yīng)該是一條向上的曲線;本模型在建立過(guò)程中的一些假設(shè)使兩者具有一定的誤差,但誤差在容許的范圍內(nèi)。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　高壓共軌系統(tǒng)是CN G 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的保障,共軌腔壓力恒定是共軌系統(tǒng)的要求,由于各種因素的存在,壓力總存在波動(dòng),為了研究系統(tǒng)因素對(duì)共軌腔壓力波動(dòng)幅值的影響, 采用AMeSim 與Simulink 聯(lián)合仿真的方法對(duì)CN G高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行建模。在AMeSim 中建立共軌系統(tǒng)模型,在Simulink 中建立控制模型。建模過(guò)程與仿真結(jié)果表明,以壓力波動(dòng)幅值為控制目標(biāo)的控制策略滿足系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)幅值的要求。在其他條件一定的情況下,共軌腔容積、壓力和長(zhǎng)徑比對(duì)共軌腔壓力波動(dòng)幅值的影響較大; 腔內(nèi)壓力波動(dòng)和轉(zhuǎn)速基本無(wú)關(guān)。利用AMeSim 與Simulink 聯(lián)合仿真技術(shù)在CN G高壓共軌系統(tǒng)建模仿真中取得了良好的效果。由于現(xiàn)階段條件的局限,本研究的變工況都是在定負(fù)荷下完成的;且由于一系列假設(shè)條件,使仿真模型在理想狀態(tài)下工作,其結(jié)果可能與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。

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