船舶电控柴油机燃油共轨系统的建模与仿真

沈苏海，吴培莉，赵 辉

(1.南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏 南通 226010;2.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026;3.中船重工第703 研究所无锡分部，江苏 无锡 214151)

0 引言

近年来，随着能源危机及环境污染问题日趋严重，人们对柴油机的节能和排放要求越来越严格，因而对柴油机的调节控制提出高精度及多参数的要求，从而推动电控柴油机的发展［1-2］.Wärtsilä 公司率先将共轨技术应用于船舶大型低速电控柴油机，使得柴油机能够自由选择喷射压力、精确控制燃油喷油量、独立控制喷油正时和喷油规律［3］，能够满足船用柴油机的动力性、经济性以及排放等方面的要求.对电控柴油机的燃油共轨系统进行建模和仿真可以得到燃油共轨系统的基本特性，以及各参数对系统性能的影响［4］，对系统以后的设计和改进具有重要意义.

1 燃油共轨系统原理

Wärtsilä 公司的RT-flex 系列柴油机可用2个或3个共轨.若用2个共轨，则包括60～90 MPa 的燃油共轨和8～20 MPa 的伺服油共轨，伺服油共轨用于控制喷射电磁阀、排气阀和气缸起动阀.若用3个共轨，则增加1个20 MPa 的控制油共轨，其作用是控制喷射电磁阀和伺服油供油泵.

本文主要介绍燃油共轨系统，主要包括控制系统、高压油泵、中间储油器、燃油共轨管、压力传感器、压力调节阀、喷油器等［5］，其原理见图1.柴油机曲轴输出端的齿轮带动高压油泵，根据燃油齿条的位置将燃油供入中间储油器，中间储油器通过两个立管与燃油共轨管相连，燃油在共轨管中等待喷射.

图1 燃油共轨系统原理

2 燃油共轨系统仿真模型

燃油共轨系统仿真是以液体流动数学方程组(包括质量守恒方程、动量守恒方程和物态方程)为基础进行研究的.本文对共轨系统建模作如下假设［6-7］:(1)燃油在整个系统中做可压缩一维非稳态流动;(2)在整个系统中，燃油的温度保持不变;(3)各腔为集中容积，不考虑压力传递时间，同一瞬时状态压力处处相等;(4)不考虑管路中燃油的流动阻力和空穴现象;(5)不考虑各部件的漏泄和弹性形变;(6)不考虑弹簧自振和运动件冲量损失，及系统进出口局部损失.

2.1 高压油泵数学模型

(1)凸轮运动方程:

式中:hfc为凸轮的升程;hmax为凸轮的最大升程;θ为凸轮转角;θB为凸轮工作段半包角;C1，C2，C3，C4为系数，其中C1=(-480hmax+ 165v)/192，C2=(160hmax-97v)/32，C3=(-120hmax+ 75v)/24，C4=(96hmax-61v)/64，v为燃油的运动黏度.

(2)柱塞腔的燃油满足连续性方程［8］:

式中:Vfpl为柱塞腔容积;E为燃油的弹性模量;Pfpl为柱塞腔压力;Afpl为柱塞面积;Qifa_in为中间储油器进口流量;μ0和A0分别为燃油泵进口流量系数和截面积;P0为燃油泵进口压力;α1为阶跃函数;hfpl为柱塞升程，hfpl=ηhfc，其中η为燃油泵齿条的百分比.

2.2 中间储油器数学模型

由中间储油器流入和流出的燃油满足连续性方程:

式中:Vifa为中间储油器容积;Pifa为中间储油器压力;Qifa_in和Qifa_out分别为中间储油器进、出口流量;μ1和μ2分别为中间储油器进、出口流量系数;A1和A2分别为中间储油器进、出口流通面积;μ3为中间储油器安全阀流量系数;A3为中间储油器安全阀流通面积;Pfcr为共轨管压力;δ为阶跃函数.

2.3 共轨管数学模型

由共轨管流入和流出的燃油满足连续性方程:

式中:Vfcr为燃油共轨管容积;Qfcr_out为燃油共轨出口流量;Picu为燃油控制活塞压力;λ1为压力控制阀针阀升程的函数;μ4和A4分别为压力控制阀针阀的流量系数和截面积;μfcr和Afcr分别为共轨管至燃油控制活塞的流量系数和截面积;σ为阶跃函数.

另外，还需对压力调节阀、燃油控制活塞以及喷油器建立数学模型［9-10］，原理与上述模型一致，限于篇幅，这里不再描述.

3 仿真模型与结果分析

3.1 仿真模型

选择Wärtsilä 公司的7RT-flex 60C 共轨柴油机为研究对象，在MATLAB/SIMULINK中建立燃油共轨系统仿真模型，见图2.模型分为凸轮、高压油泵(见图3)、中间燃油累加器、燃油共轨管、压力控制阀和气缸等6个子系统.模型输入凸轮轴转速，计算得到高压油泵升程、柱塞腔压力、共轨管压力以及喷油率等参数.

3.2 参数初始化

仿真前，需要对参数进行初始化.系统采用AB两列高压油泵，A 列高压油泵初始位置为凸轮开始上行时的位置，B 列高压油泵与其在空间上相差60°角.对于中间储油器，假定其初始油压稍高于燃油共轨油压.对于燃油控制活塞，假定其初始位置在燃油不喷射的一端，根据发火顺序动作.对于喷油器，假定其盛油腔内作用有一定的残余油压，针阀处于关闭位置.计算过程中采用ode4 算法，计算步长设为0.000 01，柴油机负荷为99.97%，高压油泵齿条达到满量程的66.6%，凸轮轴转速为570 r/min，中间储油器与燃油共轨管容积分别为0.5 m3和3.0 m3.

3.3 模型验证

模型可以仿真出系统各部件的升程h，压力P以及流量特性，图4～6为部分仿真曲线.从图4可以看出，该高压油泵升程曲线比较柔和且输出稳定，三作用凸轮使其效率更高，符合实际工作情况.从图5可以看出，系统稳定后中间储油器和共轨管压力波动均小于0.02 MPa，满足共轨压力波动小于5%的要求［11］.由图6可以看出，随着喷油器针阀升程的加大，喷油率q 也随之变大，且喷油率存在波动，这是由喷油器盛油腔的压力波动引起的.

图4 高压油泵柱塞升程

另外，按照柴油机试验报告设定柴油机转速、负荷、喷油脉宽和燃油轨压，对循环喷油量的仿真值和试验值进行对比，见表1.从表1可以看出误差较小，说明模型与实际情况具有较好的一致性.

表1 试验数据与仿真数据对比

4 共轨系统各参数对系统性能的影响

4.1 高压油泵转速对供油率的影响

图7 高压油泵转速对供油率的影响

从图7可以看出，随着高压油泵转速的提高，高压油泵的供油率和供油频率随之变化［12］.在凸轮升程，随着高压油泵转速的增大，柱塞的运动速度增大，柱塞腔压力升高较快，从而使供油泵与中间储油器之间的压差增大、供油率增大［13］.同样，由于转速增加，在凸轮回程，柱塞腔的压力下降较快，供油率下降也较快.

4.2 压力缓冲器容积对其压力稳定性的影响

燃油共轨管作为压力缓冲器，在供油和喷射过程中起着减小压力波动的作用，其容积对压力波动起着至关重要的作用.图8为共轨管设定压力为89.60 MPa 时，共轨管容积对中间储油器和共轨管压力的影响情况.从图中可以看出随着缓冲器容积的加大，缓冲器的压力波动逐渐减小.从理论上讲，缓冲器的容积越大越有利于压力稳定，但是为使柴油机在起动过程中尽快建立起油压，缓冲器的容积应尽量小.为了平衡二者的关系，在满足柴油机起动要求的前提下尽量选择较大的缓冲器容积.另外一种比较好的办法是将共轨管做成多段，各段之间通过阀门联通，当柴油机处于启动状态时让一段共轨管处于工作状态，柴油机起动后逐渐向各段共轨管供油，当各段共轨压力接近后，打开连接管路上的截止阀，使多段共轨串联工作，降低其压力波动.

图8 燃油共轨管容积对压力稳定性的影响

4.3 共轨压力对喷油率的影响

喷油率直接决定柴油机的动力性，是柴油机最为重要的参数之一.图9 给出柴油机在不同轨压下喷油率的变化情况，结合表1可以发现柴油机在99.97%和89.88%负荷下，其喷油始角和喷油脉宽基本相同，但是由于燃油轨压不同，导致高负荷时柴油机的喷油率高于低负荷时的喷油率.因此可以得出，相同喷油脉宽下提高轨压可以提高喷油率，如果柴油机转速相同则可得到较大的喷油量.

图9 共轨压力对喷油率的影响

5 结 论

(1)在研究7RT-flex 60C 柴油机燃油共轨系统工作原理的基础上，对其建立仿真模型，经验证，仿真的高压油泵柱塞升程、柱塞腔压力、共轨管压力、喷油器盛油腔压力和喷油率等参数与实际情况基本相符，验证模型的正确性.

(2)用仿真模型对影响燃油共轨系统性能的主要参数作进一步研究.结果表明，高压油泵的转速越高，供油率变化越快;相同喷油脉宽下，共轨压力增加，喷油率增加.另外，中间储油器、共轨管的容积对共轨压力波动有较大影响，建议在满足柴油机起动性能的基础上选用较大的缓冲器容积或采用分段式共轨管.

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