可变喷油速率的电控单体泵喷射系统控制研究

张志清，尹自斌，蓝广林

(1. 钦州学院 海运学院，广西 钦州 535000；2. 集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021)

可变喷油速率的电控单体泵喷射系统控制研究

张志清1，尹自斌2，蓝广林1

(1. 钦州学院 海运学院，广西 钦州 535000；2. 集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021)

利用 AMESim软件建立柴油机喷射系统仿真模型，对柴油机的结构参数进行匹配优化，选取 5 种比较合理的方案，并将其中的两组导入到 AVL-BOOST 整机仿真模型中，选取最优的供油定时角。在定喷油量、定供油定时角前提下，将不同喷油速率导入到柴油机仿真模型当中，研究不同喷油速率对柴油机缸内温度、压力、排放、放热率以及油耗和转矩的影响。结果表明：合理的喷油速率和供油定时角能进一步优化柴油机的综合性能，同时选取 1 组动力性能和经济性比较好的方案，进行柴油机的台架试验，仿真和实验的误差在 2% 以内。结果表明仿真有助于探索柴油机的综合性能规律。

柴油机；变喷油速率；喷射控制；仿真

0 引 言

随着社会经济的发展，由于柴油机经济性和可靠性高，现已成为船舶、工程机械以及重型车的主要动力。但如何有效减少排放，提高效率已成为人们研究的重要课题。喷射系统中喷油规律是实现先进燃烧控制的核心技术。它直接关系到柴油机的燃烧性能的好坏。与高压共轨系统相比，电控单体泵喷射系统结构简单，实用性强，对燃油品质要求低等优点。结合国内的实际情况，更符合我国的国情，更具有深远的发展前景[1-2]。相对机械式喷射系统，电控单体泵不仅可以大大提高燃油喷油压力（可达 200mPa 以上），而且可以灵活的对影响喷油规律的各参数进行调节，有效地改善柴油机各工况下的排放性能和经济性能。

本文针对某船用电控单体泵中速柴油结构参数的匹配进行研究，采用实验验证的 AMESim和 AVLBOOST 仿真模型进行仿真研究。首先通过 AMESim仿真得到定喷油量即不同喷油速率的喷油规律，然后再导入到 AVL-BOOST 整机模型中进行仿真，研究喷油速率对船用中速柴油机运行性能的影响，从而实现对柴油机的优化[3-5]。

1 喷射系统仿真模型的建立

本文采用系统工程建模和仿真模型软件（即AMESim软件）对柴油机液压喷射系统进行仿真模型如图1 所示。它功能强大、易于操作，集热力学、机械、流体、电磁、控制等复杂学科于一体，因此主要用于汽车、航天航空等的重型的工业设备的多学科领域。仿真模型建立好以后，依次选取相对应的数学模型，并设置相关参数，柴油机的主要参数如表1所示。

按照表1 对柴油机参数进行设置。依据文献[6]对该模型进行验证。仿真值和试验值误差不超过 3%，说明该模型能够较准确的预测柴油机的喷油规律。结合船用中速柴油机电控化改造，优化柴油机结构参数的匹配，本文选取了柱塞（13.5，14，14.5）、喷油器孔径（0.22，24，26 和 28）、和高压油管（850 和 900）4 个结构参数进行全仿真研究。在定喷油量的情况下，以喷油压力大于 100mPa，喷油持续角小于 35° 为参考对各种组合进行初步筛选。

从 AMESim仿真结果中选取了 5 组喷油规律比较合理的喷油方案。这 5 组方案的选取参数如表2 所示，喷油规律如图2 所示。方案 3 的喷油持续角最小，为 33.2° CA；方案 2 的喷油压力最大，为 108.33mPa。高压油管对喷油规律的影响比较小。在定喷油量的情况下随着喷孔直径和柱塞的增加，喷油速率上升，喷油压力增加，喷油持续角减小。然而高压油管对喷油持续角的影响很小，只要是由于高压油管变长，导致燃油在管内运动距离变长，阻力增加，因此喷油压力下降，喷油持续角增加。

图1 AMESim电控柴油机喷射系统仿真模型图Fig. 1 The AMESimsimulationmodel of electronically controlled diesel engine for injection system

表1 电控柴油机的主要参数Tab. 1 Themain parameters of electronically controlled diesel engine

表2 仿真方案选取情况表Tab. 2 Simulation scheme

图2 喷油速率曲线对比图Fig. 2 Fuel injection rate curve

2 柴油机整机模型的建模与仿真

AVL-BOOST 仿真软件具有强大的功能，能够对柴油机的稳态和动态性能进行分析，并可以实现对柴油机件部件的设计优化。因此，为了分析上述 5 组方案的匹配优化情况，本文采用 AVL-BOOST 软件对该柴油机进行整机建模并展开研究，建立的仿真模型如图3所示。选用 AVLmCCmodel 燃烧模型，相对其他模型它有效的考虑了喷射动能和喷油规律对瞬时放热的影响，能较好的预测氮氧化物和 SOOT 的生成。同时选用适用于高压循环的 Woschni1978 传热模型分析其传热过程[7-8]。

图3 AVL-BOOST 电控柴油机整机仿真模型图Fig. 3 The AVL-BOOST simulationmodel of electronically controlled diesel engine

按照表1 设置仿真模型参数。在船用机械式电控柴油机改造过程中研究相同喷油量情况下不同喷油速率对柴油机综合性能的影响，以达到选取合适的供油定时角的目的。参照原机说明书选取方案 1 和方案 3进行多次供油定时角的仿真研究。将 AMESim中方案 1和方案 3 的喷油规律曲线导入到 AVL-BOOST 仿真模型中，仿真的供油定时角分别从 -28° ～ -12° 进行仿真。因为计算的数值差值都比较小，为了方便观察，将计算得到的柴油机 NOx 排放量，SOOT 排放量、油耗量、IMEP 和转矩进行归一化处理，进行归一化处理的结果如图4 ～ 图5 所示[9]。

从图4 和图5 可见，在供油定时角从 -28° ～ -12°范围内，柴油机有效转矩和 IMEP 都呈向下开口的抛物线形状，在供油定时角为 -20° 的时候达到最大波峰值；而油耗的曲线则相反，呈开口向上的抛物线形状，在供油定时角为 -20° 的时候油耗最低。随着供油定时角的推迟，碳烟的排放量总体呈单调递增的趋势，而 NOx 排放量刚好相反，呈单调递减的趋势。因此，在综合考虑柴油机动力性能、经济性能和排放性能的前提下，选取供油定时角为 -20°，即把该供油定时角作为电控改造后的供油定时角[10]。

将 AMESim中方案 1 ～ 方案 5 中的喷油规律曲线导入到 AVL-BOOST 仿真模型中，从而得到柴油机气缸内压力、放热速率、碳烟生成速率、氮氧化物生成速率、温度与曲轴转角的关系曲线图，如图6 ～ 图10所示。

图4 方案一喷油速率对柴油机性能的影响Fig. 4 Effect of injection rate on the performance of case 1

图5 方案三喷油速率对柴油机性能的影响Fig. 5 Effect of injection rate on the performance of case 3

图6 喷油速率对柴油机缸内压力的影响Fig. 6 Effect of fuel injection rate on cylinder pressure of diesel engine

从图6 和图7 可见，在喷油量和供油定时角相同的前提下，方案 2 获得了最高的爆发压力。并且随着喷油压力加压的推迟，最高缸内压力相应的降低，而且达到峰值压力的时间也有一定的推迟。这主要是因为方案 2 的喷射压力比较大，雾化效果比较好，燃烧效果比较好，所以缸内压力比较大。方案 3 与其他 4种方案相比，缸内放热率前期比较大，方案 4 有些延迟。这主要是因为方案 3 中喷孔直径比较大，喷油速率相对比较大，因此放热速率比较大，而方案 4 虽然喷射压力相差不大，但是喷孔直径比较小喷油速率比较小，喷油持续角比较大，所以缸内放热率有点推迟。

从图8 可见，在喷油量和供油定时角相同的前提下，方案 3 喷油速率最大，碳烟生成速率最先达到峰值而且在 5 种方案中生成速率最大，其次是方案一和方案 4 的，方案 2 的生成速率最低。即随着喷油压力的增大，碳烟生成速率逐渐减小。这主要是因为方案 3喷孔直径比较大，喷射速率比较大，喷射压力比较小，燃油雾化效果比较差，因此，碳烟生成速率比较大。而方案 2 喷射压力最大，雾化效果最好，即碳烟生成速率最小。

从图9 和图10 可见，在燃油喷油量和供油定时角相同的前提下，随着喷油速率的减小，喷油脉宽的增加，氮氧化物的生成曲线向后推迟，氮氧化物的生成速率依次达到生成最大值。即方案 4 生成氮氧化物的量最小，主要是因为燃油喷射压力比较小，而且缸内温度比较低。燃油喷射压力对缸内温度的影响最大，柱塞比较大，燃油加压比较快，即随着建压时间的推迟，缸内温度呈推迟的趋势。

从表3 可以看到，在相同供油定时角和喷油量的情况下喷油速率对柴油机动力性、经济性和排放性能的影响。方案 5 使得柴油机获得了比较大的有效功率和转矩，燃油消耗量和碳烟生成量都最少，氮氧化物生成量有点偏大。相对于方案 3，有效功率和有效转矩分别提高了 1.02% 和 1.023%，碳烟生成量减少了7.4%，但是氮氧化物增加了 1.1%。方案 3 经济性最差，但是氮氧化物排放量最少。综合考虑，方案五喷油规律更为合理，燃烧效果最佳，因此做功输出功率最集中，动力性、经济性最佳，碳烟生成量最少，氮氧化物稍微偏高。

图7 喷油速率对柴油机放热速率的影响Fig. 7 Effect of fuel injection rate on heat release rate of diesel engine

图8 喷油速率对碳烟生成速率的影响Fig. 8 Effect of fuel injection rate on Soot of diesel engine

图9 喷油速率对氮氧化物生成速率的影响Fig. 9 Effect of fuel injection rate on NOx of diesel engine

图10 喷油速率对缸内温度的影响Fig. 10 Effect of fuel injection rate on cylinder temperature of diesel engine

3 实验研究

表3 五组方案仿真结果列表Tab. 3 Simulation results of the five cases

为了对电控单体泵柴油机喷射系统的结构参数进行优化，根据选取的方案 3 利用电控单体泵柴油机实验台架进行实验研究，图11 为电控单体泵柴油机实验台架。实验过程中通过改变喷油脉宽来保持相同的喷油量。采用法国 EFS-IFR600 型喷油规律测量仪对单体泵喷油规律开展喷油率测试。采用 Horiba 烟度检测仪对柴油机废气中的 NO 等排放物进行测量；采用FCMM-2 燃油耗测量仪测量 1 次燃油消耗质量，从而计算出耗油率。

图11 电控柴油机实验台架Fig. 11 Diesel engine experimental bench

从表4 可得，在柴油机额定转速 1 000 r/min，定喷油量和定供油定时角的前提下，有效转矩、有效功率、氮氧化物生成量和燃油消耗量都在 2% 以内，说明了该仿真的结果在误差范围之内，能够比较准确的反应柴油机综合性能变化的趋势。

表4 仿真和实验结果分析表Tab. 4 Simulation results of the five cases

4 结 语

在定喷油量的前提下，以变喷油速率的电控单体泵燃油喷射控制为目的，分别对喷油率喷油速率的产生、柴油机结构参数的匹配和喷油速率的控制进行了仿真研究和实验验证，结论如下：

1）利用 AMESim建立了电控柴油机的燃油喷射系统仿真模型，并利用验证后的仿真模型得出了 5 组喷油压力比较大，喷油规律比较合理的方案。

2）利用建立的 AVL-BOOST 柴油机整机模型，通过仿真，对数据进行了归一化处理，在综合考虑柴油机经济性、动力性和排放性的前提下，得到了最优的供油定时角。

3）在相同喷油量和供油定时角的前提下，燃油喷射压力越大，燃油雾化质量越高缸内温度、缸内放热速率、氮氧化物生成量和缸内压力增加，碳烟生成量下降。选取一组经济性、动力性比较好的方案，并通过实验对其进行了实验验证。

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Research on injection control of electron-controlled unit pump systemwith variable fuel injection rate

ZHANG Zhi-qing1, YIN Zi-bin2, LAN Guang-lin1
(1.maritime College of Qinzhou University, Qinzhou 535000, China; 2.marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

Simulationmodel of diesel engine injection systemwith variable fuel injection rate was established by AMESim. The structure parameters of diesel engine were optimized by themodel and selected five reasonable schemes. The soft of AVL-BOOST was used to establish themodel of diesel engine, with fuel injection rate brought into the enginemodel among the two schemes, to research the effect of different fuel injection rates on cylinder temperature, cylinder pressure, heat release rate, emission, fuel consumption and torque, and simulation results show the performance of the engine can be optimized by the injection rate shaped as suitable fuel injection advanced angle. And selectedaset of best power and economy performance, into the diesel engine bench test, the error of simulation and experiment is less than 2%. The research conclusions can help to explore the law of fuel injection rate improving the engine performance.

diesel engine；variable injection rate；injection control；simulation

U664

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0111 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.022

2016 - 01 - 15；

2016 - 05 - 06

2016年广西教育厅资助项目(KY2016YB473)

张志清(1982 - )，男，博士，讲师，研究方向为现代轮机管理。