船用低速柴油机喷油系统的Simulink仿真研究

黄 麟 林叶春

（上海海事大学商船学院 中国 上海 200135）

0 引言

随着对环境污染和能源节约的日渐重视和国际海事组织对新的排放标准的执行，越来越多的传统增压MC柴油机面临淘汰的可能，使得针对电控柴油机喷油系统的有效控制研究迫在眉睫。本文介绍了船用电控ME柴油机喷油系统的理论和实用性开发方面的研究成果。

1 ME喷油系统的组成

船用低速电控燃油喷射系统主要由液压系统、低压燃油输送、增压泵-喷油器、ECU控制等四大部分组成，如图1所示。

图1 喷油系统组成原理

1.1 液压系统

液压系统主要包括伺服油泵，伺服油轨，蓄压器，电液控制阀等部件。蓄压器是用来吸收伺服油泵供油的压力脉冲和由于燃油喷射所引起的压力波动，维持伺服油轨的压力稳定，使得伺服油轨可以近似作为稳压源。在液压系统中安装了电液比例压力控制阀和传感器系统，传感器将系统采集的压力信号反馈给ECU控制单元，ECU发送命令到电磁阀，通过对电磁阀的控制来对轨压进行调节；实现对共轨压力的闭环控制，间接的调节燃油喷射压力。

1.2 低压燃油输送

低压燃油根据ECU的指令从控制阀向增压泵内提供一定压力的燃油。

1.3 增压泵－喷油器

增压泵采用增压活塞—柱塞的结构，在电磁阀控制的液压油的推动下，压缩低压燃油系统输送的燃油，从而产生高压燃油。它与喷油器之间采用了一根短的高压油管，高压油管可视为增压的燃油体积容积。这样既改善了喷射性能，又易于对传统的燃油喷射系统进行改造。

1.4 ECU控制单元

ECU根据采集到柴油机的曲轴位置、转速、负荷、压力等信号，发出脉冲信号来控制电磁阀，电磁阀的开启时刻和开启持续时间决定了系统的喷油正时和喷油量，同时ECU根据PID控制调节伺服油轨压力，从而控制系统的喷射压力。这样就实现了系统对喷油压力、喷油量、喷油正时的独立、灵活的控制。

1.5 系统工作原理

液压油经高压油泵压入伺服油共轨，共轨内的压力由ECU控制的电磁阀通过PID进行调节，同时燃油管路内的燃油经单向阀进入增压泵的增压腔。电磁阀通电后，电磁阀的进油口与增压泵的下腔接通（回油口封闭)，伺服油轨内的液压油进入增压活塞腔，推动增压活塞一柱塞组运动，燃油被压缩，当压力大于喷油器的启喷压力时，针阀抬起，喷油开始。电磁阀断电后，电磁阀的回油口与增压泵的下腔接通（进油口封闭)，下腔内的液压油通过回油管路泄放掉，增压泵失去驱动动力，增压活塞一柱塞组在燃油压力的作用下回落，增压腔内的燃油压力降低，喷油器针阀在弹簧压力下关闭，喷油结束，与之同时，燃油进入增压腔（充油过程)，开始一个工作循环。

2 系统的数学模型

2.1 伺服油轨

式中：P为伺服油轨压力，V为伺服油轨容积，Be为伺服油弹性模量Qin为流入体积流量，Qout为流出体积流量。

2.2 液压控制阀

假设电磁阀瞬间动作（实际工作可以精确到1ms），即将电磁阀动作视为开关量，然后控制阀在液压油驱动下开始动作，由牛顿定律可得到阀芯的受力平衡方程为

式中：mc为阀芯的质量；yC为控制阀芯位移；kC为弹簧弹性系数；

fC为摩擦力，始终与运动方向相反；pSO为液压伺服油压力；

AC为控制活塞截面积；BC为粘性阻尼系数（N/（m/s）），0.2-0.5。

2.3 增压泵

增压泵的大小活塞面积之比是A：1，而大小活塞的行程是一样的，所以增压部件的运动方程为：

Ph为压腔内润滑油的压力（MPa）；Sh为液压活塞的面积；Pf为增压腔内的燃油压力；Sf为燃油柱塞的面积；f为所有阻力值和；m为运动件的质量；a为运动件的加速度。

2.4 喷油器

式中：Pn为喷油器喷嘴的燃油压力；Vn为喷嘴的容积m3；Be为燃油油弹性模；

Qinj为喷入柴油机气缸的燃油流量；Qout为共轨管到喷油嘴的燃油流量；

为了简化计算，不计算针阀的运动方程，而将其看做一个开关量。

式中：ρn为喷嘴中燃油密度；Pn为喷油器喷嘴的燃油压力；pz为柴油机气缸压力；un为喷嘴的流量系数；An为喷嘴的截面积。

3 仿真模型的建立

喷油系统模型虽然只针对增压泵、伺服油轨、喷油嘴和液压电磁阀等进行建模，但是总的模型涉及面广，系统采用模块化方法建模，把各个复杂的子系统进行封装。这样能够使得模型的物理意义以及子系统之间的关系易于理解，并且便于模型的修改和升级。本文喷油系统模型分为柴油机控制模块和液压系统模块，增压泵—注油器模块。除了封装得到液压系统模块和增压泵—注油器模块外，还将他们的各子系统也分别进行封装，如此使得模型以及模型子系统之间的物理意义和关系易于理解。

下面以液压系统模块为例来分析伺服油轨的容积和压力关系，根据方程（1）将转速，电磁阀信号，负荷作为已知量，可以在设定工况的条件下建立系统伺服油轨的仿真模型，经过模型计算可以对伺服油轨的压力和容积进行研究。

图2 液压系统模块

为研究共轨管容积对轨压力波动的影响，假定共轨管容积分别为0.4m3和0.2m3，柴油机在转速为 114.0r/min、负荷为100.0%的工况下稳定运行。仿真两者的油轨压力曲线，如图3。

图3 伺服管容积不同时油轨压力曲线

结果表明当高压油泵的供油量和喷油器的喷油量一定时，共轨管容积较小时，燃油喷射对轨压波动的影响较大，但易于建立轨压；共轨管容积较大时，燃油喷射对轨压波动的影响较小，共轨管内轨压的建立较为缓慢，不利于柴油机的起动。而柴油机共轨管压力建立的快慢与共轨管容积和高压油泵的排量相关，在高压油泵排量一定时，共轨管的容积的值必须在一个有效地范围内，才能保证共轨管的波动在允许范围内。因此，在充分考虑共轨管容积的选择时的布局、长度、强度等方面的因素后，可根据仿真计算轨压波动，结合轨压建立要求选择合适的共轨管容积。

4 结论

通过对整个喷油系统部件的仿真研究并与实际工况进行对比，再对模型的参数部件进行调整，以获得更为真实的仿真系统。电控喷油系统是一个复杂的动态系统，Simulink具有很强的动态仿真能力，目前已成为柴油机建模仿真最主要的软件，同时也可采用M文件编写控制系统软件进行仿真研究，与模型结合达到仿真计算的目的。

［1］王学合，等.液压增压式共轨电控燃油喷射系统的设计及模拟计算[J].内燃机工程，2001，22（4）：33-37.

［2］贺玉海，等.船用中速机中压共轨电控燃油喷射系统[J].大连海事大学学报，2010，36（2）：112-116.

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