基于缸压的闭环控制燃烧参数仿真研究*

王小说 安士杰 周 磊 张卫东

（1-海军工程大学动力工程学院 湖北 武汉 430033 2-空军预警学院）

引言

经过多年引进、反向设计、消化与吸收，我国新一代自主研发高速柴油机设计目标瞄准国际先进水平：单缸功率为160～200 kW，强化指标达到30～32 MPa·（m/s），标定工况时油耗≤200 g/（kW·h）。要实现该设计目标，超高压共轨技术和柴油机智能控制技术是必须的技术途径。

现有的燃油喷射系统采用开环控制方法，该方法依靠台架试验来确定柴油机在不同工况下的最佳控制参数，并根据环境因素（如进气温度和压力、油温以及水温等），对控制参数做一定的修正，同型号柴油机采用相同的控制参数，但由于工业生产精度的差异，同型号的柴油机也存在一定的个体差异[1]。这就会影响柴油机开环控制的效果。同时，现有的燃油电控喷射系统不能根据柴油机技术状态的改变（如喷油系统磨损、缸套与活塞环配合间隙的变化、燃烧室积碳等）做出相应的改变，且不能有效地对瞬态工况进行控制[2]。

与开环控制方法相对应的是基于缸压的燃烧闭环控制方法，该方法指的是在柴油机运行过程中，实时测取缸压数据并计算处理，并以缸内燃烧状态作为反馈量，实时地调整柴油机控制参数，从而达到精确优化其燃烧过程的目的。相比于开环控制方法，基于缸压的燃烧闭环控制在降低油耗、排放和各缸一致性等各个方面都有更大的优势[3]。基于此，本文为深入研究缸内燃烧参数与柴油机性能以及控制参数之间的关系，选取出最合适的燃烧反馈参数及控制参数，实现燃烧的闭环控制，基于GT-Power软件建立了TBD314V8柴油机的仿真模型，并利用试验验证了模型的准确性，通过模型研究了喷油量和喷油提前角对IMEP和CA50的影响，同时分析了柴油机性能随IMEP和CA50的变化规律。

1 模型建立与验证

1.1 模型建立

基于GT-POWER建立的柴油机整机仿真模型如图1所示，该模型主要由进排气模型、气缸模型、喷油器模型以及涡轮增压器模型等组成[4]。其中，进排气模型主要包括进排气总管、进排气歧管和进排气门，在建立该模型时可在获取结构参数的基础上对其进行必要的简化和离散化处理，转化为计算需要的一维管路模型；气缸模型中燃烧模型采用Wiebe模型，传热模型采用Woschni模型；喷油器模型则采用InjMultiProfileConn喷射模型；涡轮增压模型由涡轮机模型和压气机模型组成，两者之间通过传动轴模型相连[5]。柴油机的主要性能参数如表1所示。

图1 TBD314V8柴油机整机仿真模型

1.2 模型验证

为保证仿真计算结果的准确性，需要验证所建模型。通过对柴油机进行整机性能试验，得出的转矩、功率和油耗计算值与试验值的对比结果如图2所示。由图可知，仿真计算的转矩、功率和油耗值与试验值基本一致，最大误差在5%以内，表明所建立的仿真模型较为合理，可以用来模拟实际情况。

表1 TBD314V8主要性能参数表

图2 仿真计算值与试验值对比

2 仿真结果与分析

2.1 喷油量和喷油提前角对IMEP和CA50的影响

2.1.1 喷油量对IMEP和CA50的影响

定义喷油量为204mg下的ΔCA50值为0。喷油量对IMEP和ΔCA50的影响如图3所示。由图可知，喷油量与IMEP和ΔCA50之间呈一定的线性关系，随着喷油量的增大，IMEP由1.14 MPa增加到2.06 MPa的峰值，ΔCA50由 1.97°CA 到 0°CA。这是因为随着喷油量的增大，做功增加从而导致IMEP增加，着火滞燃期减小，燃烧时间提前，相应的CA50也向前移动。从变化幅度看，柴油机中IMEP与每缸喷油量关系最为密切，即每缸喷油量对IMEP影响最大。

2.1.2 喷油提前角对IMEP和CA50的影响

图3 喷油量对IMEP和ΔCA50的影响

图4 喷油提前角对IMEP和CA50的影响

喷油提前角对IMEP和CA50的影响如图4所示。由图可知，喷油提前角从-21°CA变化到-12°CA ATDC，喷油提前角与IMEP之间具有相关的关系，而与CA50则呈线性相关。当喷油提前角后移时，IMEP逐渐下降而CA50逐渐上升。这是因为随着喷油角的后移，缸内的燃烧过程也后移，燃烧始点后移，放热率曲线整体后移使得CA50增大，缸内的压力和温度下降，做功减少，IMEP也就逐渐减小。从变化幅度看，喷油提前角对CA50影响最大，对IMEP也会有一定影响。

2.2 柴油机性能随IMEP和CA50的变化关系

2.2.1 柴油机性能随IMEP的变化关系

图5 IMEP对柴油机性能的影响

IMEP对柴油机性能的影响如图5所示。由图可知，随着IMEP的增大，转矩、缸内爆压、NOx均逐渐增大，而油耗逐渐减小，且具有线性关系。这是因为IMEP增大代表燃烧更加充分，缸内的压力和温度增大，做的功更多，导致转矩增加，爆压增加，油耗下降，NOx的排放增加。

2.2.2 柴油机性能随CA50的变化关系

CA50对油耗和NOx的影响如图6所示。由图可知，随着CA50的增大，功率下降，缸内爆压下降，动力性变差，油耗增加，NOx的值减小，经济性变差。这是因为CA50的增大代表着缸内的燃烧过程后移，滞燃期增长，整个燃烧过程更加不充分，放出的热量减少，导致功率下降，缸内爆压下降，油耗增加，缸内的温度和压力随着CA50的增大而减小，从而NOx的值随着减小。

图6 CA50对油耗和NOx的影响

3 结论

1）在验证模型的过程中发现柴油机转矩、功率以及油耗的仿真值和试验值基本吻合，表明所建立的仿真模型较为合理，可以用来模拟实际情况。

2）喷油量与IMEP具有明显的线性关系，喷油提前角与CA50具有明显的线性关系，表明喷油量和喷油提前角可用来做闭环缸压控制的控制参数。

3）IMEP和CA50对柴油机性能的影响显著，可用来做闭环缸压控制的反馈参数。