针对高压燃油系统精细化控制问题的分析

刘闯

摘要：随着发动机系统的普及，高压燃油系统自然成为环境污染罪魁祸首之一。本文研究了如何对高压油管内的燃油压力进行精细化控制，提高燃油系统的经济性及排放性能。首先将整体稳压过程分割成每个小工作周期内的稳压过程;其次，根据质量守恒定律与物体密度公式得到目标输入质量，通过拟合算法确立出P与的对应关系推出流速表达式;接着引入微元思想，利用MATLAB 迭代每 0.01ms内的燃油进入质量，得到开阀时间。

关键词：小周期;微元思想;迭代算法;二分和理想化模型

1  问题背景

燃油发动机是能源消耗大戶，自然是环境污染罪魁祸首之一，人们意识到日益严峻的能源危机与环境污染问题正威胁着世界经济的可持续发展。图1显示了我国对燃油机污染治理投资总额在逐年增加，因此，进一步降低燃油消耗率、改善燃油机的工作效率是燃油发动机工作者今后的主要任务。

某型号高压油管通过单向阀开关控制供油时间的长短，单向阀每打开一次后就要关闭 10ms。喷油器每秒工作 10 次，每次工作时喷油时间为 2.4ms，喷油器工作时从喷油嘴 B 处向外喷油的速率如图1所示。高压油泵在入口 A 处提供的压力恒为160MPa，高压油管内的初始压力为 100MPa。如果要将高压油管内的压力尽可能稳定在100MPa左右，如何设置单向阀每次开启的时长。

2  合理假设

①假设喷油器在 1s 内每隔 100ms 开始工作一次。

②假设高压燃油系统工作时环境温度恒定在 20℃±5℃。

③假设喷油器出油过程中高压管内燃油密度不变。

④假设单向阀入油工作在喷油器每次工作完成后进行。

⑤假设喷出的燃油密度和压力始终与原始高压油管内的保持一致。

⑥假设高压油泵只在每次喷油结束后工作一次。当高压油泵内燃油的压力大于油管内的压力时，开始进油。

3  符号说明（表1）

4  模型建立与问题求解

4.1 求解 Mr

根据喷油速率与时间关系可知一个小工作周期t内，喷出的总油量Vc为图1中的阴影面积，由此我们可以得出Vc。在假设高压油管进行工作时管内燃油密度恒为0.850mg/mm3的情况下根据物质密度公式可以得出Mc、Vy、My，若要使一个小工作周期t内的压力P尽可能恒定应则需要让Mc与Mr近似相等。

4.2 分析 P 与ρ的对应关系

一个小工作周期结束后我们可以得出Ms，再根据物质的密度公式可以得出ρ。在建立M 的模型前需要对高压油管内的压力与密度的关系进行分析：

拟合算法是指已知某函数的若干离散函数值{f1，f2…fn}，通过调整该函数中若干待定系数f（？姿1，？姿2…？姿3）使得该函数与已知点集的差距（即最小二乘意义） 最小。

我们把 P=100MPa 与其对应的弹性模量作为起点，把数据利用MATLAB软件中CFTOOL 函数进行置信度为 99%的一阶线性拟合。当取P=0.5MPa时，我们可以通过公式（1）得到 P=100.5MPa 时对应密度，在 200 次迭代后可得到P与ρ的关系式：ρ=0.0003254P+0.8187（2）

其线性关系如图 3所示。

4.3 求解T

单位时间内进入高压油管的燃油量可由下式计算：

4.3.1 理想模型

在此模型下假设一个小工作周期内高压油泵的入油速度不随时间改变。在喷油嘴完成第一次小工作周期时，

4.3.2 实际模型

此模型下小工作周期内高压油泵的入油速度随时间改变。在第一次小工作周期后Q 初始值为 8.2713m3/s，P 初始值为69.6MPa，由：

经迭代计算可以得出：当迭代 619 次后∑m与Mr 近似相等。综上所述，在每个小工作周期喷油嘴工作完成后，开阀时间在6.19ms时高压油管内压强可近似稳定在100MPa。

5  模型评价

本文针对高压燃油系统的结构特点，建立不同的模型并综合运用各种方法得到精细化控制的方案，对于实际过程具有一定的理论指导意义。但是针对解题关键点燃油密度的求解，我们选择忽略温度这一条件对密度的影响;同时针对进出油顺序我们选择先出后进的原则，这些都具有一定的局限性。在考虑实际问题中，需要对其做一定的修正。

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