天然气发动机高压共轨系统的建模与仿真研究

  本文关键词：柴油机高压共轨系统模拟计算与仿真，，由笔耕文化传播整理发布。

　　由于压缩天然气(CNG) 的气体特性,在以进气管混合方式向CNG 发动机供气的过程中,CNG 要占用一部分进气管容积,从而导致发动机进气量下降,充气效率低,直接影响发动机的动力性。如果采用缸内直接喷射CNG,则发动机基本上没有进气节流损失,有可能在宽广的负荷和转速范围内确保热效率,并且可使输出特性与柴油机大致相同。

　　为满足缸内直接喷射的要求,本研究提出了一种CN G发动机高压共轨系统。高压共轨系统能够精确、柔性地控制CN G发动机的喷气量、喷气定时和喷射压力,且发动机动力性能优越。因此,CNG缸内直喷发动机可以满足经济性、动力性和日益苛刻的排放法规的要求,有着广阔的应用前景。

　　由于CN G密度小,所需的共轨腔容积较大,容易产生压力波动。目前,国内对CN G 发动机高压共轨系统的研究还相对较少。为了研究高压共轨系统参数对共轨腔压力波动的影响, 本研究利用AMeSim/ Simulink 联合仿真环境,建立了CN G 发动机高压共轨系统模型。在此基础上,对影响轨压波动的主要因素进行了分析,提出了以减少压力波动幅值为优化目标的控制策略。

　　1 CNG发动机高压共轨系统工作原理

　　本研究所建立的CN G 发动机高压共轨系统如图1 所示。它由共轨腔、气体增压器、减压稳压阀及安全阀等构成。

　　图1 CN G发动机高压共轨系统

　　我国法规规定, CN G 瓶储气压力的范围为0. 2 MPa～20 MPa 。从文献[ 1 ]可知,CNG 发动机高压共轨腔的工作压力可设定为10 MPa ,本研究即以此值作为共轨腔的工作压力值。

　　为使气瓶中CN G 的压力变化满足稳定的共轨腔压力要求,建立了“两级调压”的共轨系统。从图1可知,当CN G 瓶中压力为10 MPa ～20 MPa 时,ECU 开启二位三通阀的减压通路,高压气体经减压稳压阀降至10 MPa 后进入共轨腔;随着CN G瓶中气体的减少,当压力降至10 MPa 以下时, ECU 控制二位三通阀,关闭减压通路,开启增压通路,低压气体被气体增压器增压至10 MPa 后进入共轨腔。

　　为了保证共轨腔内压力稳定,减小增压泵的负荷,采用“两级调压”模式控制共轨腔压力。在系统处于增压状态时,如气瓶中压力高于5 MPa ,只有1号增压泵工作;当压力低于5 MPa 时,1 号、2 号泵同时工作,共同增压。

　　当压力传感器测得共轨腔中压力波动幅值过大,高于目标幅值时,打开安全阀,使共轨腔中的CNG回流,以保证共轨腔的压力满足喷射压力要求。

　　2 系统数学分析及建模

　　为分析CN G 发动机高压共轨系统的工作过程,为实物研制提供理论依据,利用AMeSim 仿真软件搭建了CN G 发动机共轨系统的物理模型,并利用MA TLAB/ Simulink 仿真环境建立了控制算法,对一些影响共轨腔压力的因素进行了初步分析。

　　建立物理模型时,考虑所有的相关因素是不必要也是不现实的。针对本系统的特点和需要解决的问题,作如下假设[2 ] :

　　·管内CN G为一维非定常流动;

　　·不考虑CN G温度随时间的变化;

　　·CN G的物理性质,即密度、弹性模量、表面张力等不变;

　　·共轨系统零件的弹性变形忽略不计,并不考虑泄漏。

　　在上述前提条件下,可建立CN G 的连续性方程、运动方程和燃气物态方程[3 ] :

　　式中, p 表示压力,ρ表示密度, A 表示截面积, U表示流速,α表示音速, k 表示黏阻系数,对于层流k =16 v/d2, 对于紊流k =40 v/d2 , v 为运动黏度。

　　根据上述3 个方程,即可求解压力p 、密度ρ和流速U 等3 个变量。

　　系统计算的边界条件方程为连续方程和运动方程,均是常微分方程, 可采用改进欧拉法进行计算[4 ] 。

　　基于上述假设和分析,用AMeSim 软件所建立的CN G发动机高压共轨系统模型如2 图所示。

　　图2 高压共轨系统模型

　　设定系统参数: 气瓶压力p = 0. 2 MPa ～10 MPa ,温度T = 300 K,压缩机排量V = 100 mL/r ,电机电压Um = 0 V～12 V ,电枢电阻Ra = 0. 2Ω,电枢电感L = 0. 012 H ,传动比i = 0. 7 ; 共轨腔内径d = 30 mm , 长度L = 0. 75 m ; 喷嘴流量系数C =0.72 。

　　采用DHL1105 单缸直喷柴油机为原型机,其主要技术参数见表1 。

　　在定负荷,共轨腔内径30 mm、长度0. 75 m 情况下,发动机转速为2 000 r/ min和1 000 r/ min～3 000 r/ min 时的系统仿真结果见图3 。

　　图3 共轨腔压力波动图

　　从图3a 可见,在开始时刻燃气供给系统具有供气延迟,因此该时刻的共轨腔压力波动幅值较大,在0. 3 MPa～0. 5 MPa 之间。随后系统处于稳定工况中, 轨压在1 0 MPa 左右波动, 且波动幅值较小( ±0. 2 MPa) 。图3 b 为转速在1 000 r/ min～3 000 r/ min 和2 000 r/ min 时压力波动比较图,当转速小于2 000 r/ min 时,压力波动幅值在±0. 2 MPa之内;当大于2 000 r/ min 时,有时会超过±0. 2 MPa ,但不会超过±0. 25 MPa 。结果表明,共轨腔压力与发动机转速基本无关,可以满足应用的要求。

　　3 控制系统模型

　　当共轨腔进气量固定时,如果发动机在稳定工况下工作,喷射脉宽固定,进出共轨腔的CN G 量维持恒定,压力波动幅值较小;但当处于变工况时,喷射脉宽会增大或减小,如果进气量不变,喷气量改变,会使共轨腔压力波动幅值随着喷射脉宽的增大(减小) 而减小(增大) ,导致共轨腔压力波动幅值过大,不能满足喷射压力的稳定要求。

　　为使共轨腔压力波动幅值在理想的范围内,本研究提出建立以压力波动幅值为控制目标,以喷射脉宽和回流量为参数, 控制进气脉宽的控制系统。

　　控制系统的工作过程为: ECU 采集转速信号与负荷信号,确定喷射脉宽;同时,采集安全阀质量流量信号以判断回流量。有回流时,ECU 给增压泵调制脉宽信号,减小电机电流,减少泵气量;无回流时,当喷射脉宽增大(减小) 时,增大(减小) 电流,增加(减少) 泵气量。控制过程的原理如图4 所示。

　　图4 Simulink 控制流程图

　　在定负荷,共轨腔内径30 mm ,长度0. 75 m 情况下,发动机转速分别为2 000 r/ min 和1 000 r/min～3 000 r/ min 时,AMeSim/ Simulink 联合控制仿真结果如图5 所示。

　　图5 不同工况共轨腔压力波动比较

　　由图5 可知,在发动机开始运行阶段,由起动工况的开环控制迅速进入闭环控制,压力波动幅值快速减小。在转速为2 000 r/ min 的稳定工况下,压力波动幅值为±0. 15 MPa ,波动趋于稳定;与无控制系统比较,压力波动幅值减小。

　　通过压力波动幅值比较发现,在转速为1 000 r/min～3 000 r/ min 的变工况下,该控制系统可以减小共轨腔压力波动,使腔内压力更趋于稳定。

　　4 其他影响因素分析

　　为使设计的共轨腔更接近实物要求,通过对系统进行动态模拟,可获得系统特性参数。为此,在定负荷的情况下,本研究对影响系统性能的一些因素作了分析。

　　发动机转速固定为2 000 r/ min ,共轨腔内径在20 mm ～40 mm内取值,变化步长2 mm ;长度在0. 3 m～1. 5 m内取值,变化步长0. 15 m ,在每一个固定内径下改变长度,得出共轨腔容积和长径比对压力波动幅值的影响(见图6a 和图6b) 。

　　a 共轨容积对压力波动幅值的影响

　　b 长径比对压力波动幅值的影响

　　c 共轨腔压力对压力波动幅值的影响

　　图6 系统参数对压力波动幅值的影响

　　·共轨腔容积的影响共轨腔容积越大,对压力波动的缓冲能力越强,波幅越小;但体积太大,建立压力的响应时间就会增加,对控制不利;应存在合适的体积范围,可使喷射后共轨腔内压力波动不致过大,又不会超过压力建立的响应时间;

　　·共轨腔长径比的影响长度越小,直径越大,压力波动幅值越小;随着长径比的增加,波动幅值增加较快;为了满足实际的需要,在相同的容积下,存在最佳长径比;

　　·共轨腔压力的影响共轨腔压力越大,压力波动幅值越高,由于泄漏量、温度等随压力的增大而变大,理论上幅值随压力的变化应该是一条向上的曲线;本模型在建立过程中的一些假设使两者具有一定的误差,但误差在容许的范围内。

　　5 结束语

　　高压共轨系统是CN G 发动机缸内直喷技术的保障,共轨腔压力恒定是共轨系统的要求,由于各种因素的存在,压力总存在波动,为了研究系统因素对共轨腔压力波动幅值的影响, 采用AMeSim 与Simulink 联合仿真的方法对CN G高压共轨系统进行建模。在AMeSim 中建立共轨系统模型,在Simulink 中建立控制模型。建模过程与仿真结果表明,以压力波动幅值为控制目标的控制策略满足系统对波动幅值的要求。在其他条件一定的情况下,共轨腔容积、压力和长径比对共轨腔压力波动幅值的影响较大; 腔内压力波动和转速基本无关。利用AMeSim 与Simulink 联合仿真技术在CN G高压共轨系统建模仿真中取得了良好的效果。由于现阶段条件的局限,本研究的变工况都是在定负荷下完成的;且由于一系列假设条件,使仿真模型在理想状态下工作,其结果可能与试验结果存在一定的误差。

　　参考文献:

　　[1 ] Huang Zuohua , Seiichi Shiga. Takamasa Ueda : Feasibility of CNG2DI st ratified combustion using a spark ignited rapid coMParession machine [ G]/ / proceedings of the 5th International SyMPaosium oil Diagnostics and Modeling Combustion in Internal Combustion Engines. Nagoya : [ s. n. ] , 2001.

　　[2 ] 高献坤. 柴油机高压共轨系统模拟计算与仿真[D] . 郑州:河南农业大学,2005.

　　[3 ] Babajide kolade , Michael E , Boghosian , et al. Development of a General Purpose Thermal2Hydraulic Software and it s Application to Fuel Injection Systems[C] . SAE Paper 200320120702.

　　[4 ] 虞金霞. 柴油机高压共轨喷油系统仿真与研究[D] . 上海:上海交通大学,2001.(end)

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