柴油機電控噴油器模型仿真設計研究

李菲菲，賈利，呂慧，肖維

（中國北方發動機研究所，天津，300400）

1 噴油器結構與工作原理

電控噴油器是燃油系統中最關鍵和最復雜的部件，它的作用是根據ECU發出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室。

圖1 噴油器結構

高壓燃油進入噴油器后分為兩部分，一部分經節流閥流入控制腔，另一部分進入噴嘴腔。當電磁閥不通電時，在電磁閥彈簧預緊力的作用下，電磁閥處于關閉狀態，出油節流孔關閉，相同的油壓同時作用在控制活塞的頂部和針閥承壓錐面上，由于控制活塞頂部面積大于針閥錐面面積，因此針閥被壓向座面，噴油器不噴油。當ECU給電磁閥通電后，由于電磁吸力的作用，銜鐵向上運動，出油節流孔開啟，控制腔壓力下降，作用在控制活塞頂部的燃油壓力降低，這時作用在針閥承壓錐面上的燃油壓力克服彈簧壓力和作用在控制活塞頂部的燃油壓力將針閥升起，噴油嘴打開，開始噴油。當電磁閥斷電時，在電磁閥回位彈簧力的作用下，電磁閥關閉，共軌中的燃油又一次進入控制腔，控制腔的壓力上升，控制活塞下行，噴嘴針閥關閉，停止噴油。噴油器控制噴油量和噴油定時是通過三通閥(或者二通閥)的開啟和關閉來進行控制。

2 建模策略

基于準穩態模型對于流體的簡化與假設，不考慮流體的壓力與溫度波動的影響，此外，燃油的可壓縮性也較小，在燃油壓縮及流動過程中，溫度變化很小， 因此，模型的搭建可以基于以下簡化與假設：（1）管道內的燃油看作一維非定常層流流動；（2）不考慮溫度和壓力對燃油黏度的影響；（3）不考慮系統中燃油溫度的變化；（4）考慮燃油的可壓縮性；（5）忽略空泡的影響；（6）不考慮油壓傳播歷程，燃油在各集中容積內的狀態變化瞬時達到平衡，同一集中容積內瞬時壓力和密度處處相等；（7）不考慮彈性膨脹。

噴油器模型對柴油機實時仿真模型的影響因素主要為噴油始點、循環噴油量，即噴油提前角、有效噴油脈寬，噴油提前角及噴油脈寬由控制器決定。在實時仿真時，硬件在回路系統可以直接采集噴油提前角與噴油脈寬，因此，對于噴油器模型，主要用于循環噴油量的計算，噴油器的噴油量影響因素主要為軌壓及有效噴油脈寬。模型采用基于特性MAP的方式建立，噴油器模型根據各噴油器的噴油時間、軌壓查詢噴油器特性MAP計算本次噴油量，并根據轉速計算各噴油器的平均噴油流量。

噴油量的計算公式為：

式(1)中，fuelm 為噴油質量流量；railp 為當前軌壓；nengine為發動機轉速；tinj- toffset為下個噴油時間；toffset為噴油時間偏置。

考慮到控制器發出驅動信號后，噴油器會有一定的機械響應延時，在計算有效噴油時間時，需加上噴油時間偏置。

3 模型實現

噴油器模塊的計算重點為噴油量隨工況的變化，模型中不需要考慮具體噴油過程對模型計算的影響，噴油器特性MAP的準確性、軌壓閉環控制的穩定性以及噴油器控制信號的采集準確性對噴油量的計算影響較大。依據噴油器模塊的邏輯算法在MATLAB/Simulink中搭建的模型如圖2所示。

模型仿真所需的參數如表1所示。

表1 模型仿真所需參數

4 模型驗證

如表1所示，從臺架試驗數據中選擇轉速為1000、1300……2300rpm，每間隔300rpm為一個工況點，分別輸入此工況點的軌壓、噴油時間，通過噴油器模型讀取輸出的噴油量。通過對比模型計算結果與理論值間的誤差較小，滿足硬件在回路仿真測試的要求。

表2 單缸單循環的噴油量與理論值

5 結論

本文基于噴油器的結構與工作原理搭建了噴油器模型，通過試驗驗證，本文所搭建的噴油器能夠滿足模型實時性與準確性的需求，可基于噴油器模型開展硬件在回路仿真測試工作。同時，在噴油器模型的驗證中，本模型體現了較好的可復用性和可移植性，可以擴展用于不同高壓共軌柴油機噴油模型的搭建。大大縮短了模型開發的時間，有效提高了工作效率。

圖2 噴油器模型