面向控制的船用高壓共軌系統(tǒng)實時仿真模型開發(fā)

姚賀銘， 王勤鵬,2,3， 楊建國,2,3， 余永華,2,3， 王英杰， 賀玉海,2,3

(1.武漢理工大學(xué) 船海與能源動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063； 2.武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430063； 3.武漢理工大學(xué) 船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，湖北 武漢 430063)

開展船用柴油機電控系統(tǒng)的軟件與硬件在環(huán)功能測試與驗證是電控系統(tǒng)進行臺架試驗前必不可少的環(huán)節(jié)。作為受控對象的船用電控柴油機實時仿真模型的精度和完整度對電控系統(tǒng)的軟件在環(huán)與硬件在環(huán)測試有很大影響[1-4]。軟件和硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中受控對象的仿真模型研究多為船用柴油機整機性能的模擬，不會建立復(fù)雜的燃油系統(tǒng)仿真模型，只將復(fù)雜的燃油系統(tǒng)作為整機模型輸入的邊界條件進行處理[5-8]。這樣，實時仿真模型就沒有為控制系統(tǒng)的噴射壓力、噴油量和噴油率調(diào)節(jié)等功能提供明確的受控仿真對象[9-10]。在柴油機實時仿真中，平均值模型是一種準線性模型，由于其計算精度高、運行速度快在柴油機實時仿真中得到廣泛應(yīng)用，如Jianwei等[11]使用平均法建立了柴油發(fā)動機的實時仿真，以驗證控制系統(tǒng)對渦輪增壓柴油發(fā)動機的影響。Fadila等[12]在建立柴油發(fā)動機的平均模型后，分析了多重噴射控制策略對溫度和HC排放的影響。Tang等[9]還使用平均模型預(yù)測柴油發(fā)動機的整體性能。Wang等[13]使用基于平均模型和氣缸運動的方法創(chuàng)建了柴油發(fā)動機的實時仿真，其建立的實時仿真能夠接收來自ECU的信號，如曲軸角度和排氣門升程。針對高壓共軌燃油系統(tǒng)的研究多為建立復(fù)雜的機-電-液燃油系統(tǒng)性能仿真模型，開展燃油系統(tǒng)特性和優(yōu)化的研究工作[14-18]。

即使簡化燃油為一維非定常的層流流動，仍需要求解微分方程組和復(fù)雜的邊界條件，對于硬件在環(huán)實時仿真過于復(fù)雜無法滿足系統(tǒng)實時性，直接查找MAP圖的方法可以具有一定的實時性，但過于簡化而且需要大量的試驗來獲得對應(yīng)數(shù)據(jù)[19-22]。

本文以船用柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)作為對象，開發(fā)了面向控制用的高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型。開發(fā)的高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型可以接收來自ECU的噴油脈寬、噴油正時、比例閥開度信號；和傳感器提供的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度信號，根據(jù)輸入信號可以計算得出軌壓、噴油量和噴油率并將輸出信號反饋給電控系統(tǒng)。開發(fā)的高壓共軌實時仿真模型內(nèi)部主要包括高壓油泵子模型、共軌管子模型以及噴油器子模型等，噴油器子模型接收噴油脈寬和噴油正時信號向質(zhì)量轉(zhuǎn)換子模型提供燃油消耗量信號，高壓油泵子模型接收比例閥控制信號計算得出燃油輸送量信號傳遞給共軌管子模型，共軌管子模型則計算出軌壓，為噴油器子模型提供噴油壓力信號也向電控系統(tǒng)反饋當(dāng)前共軌壓力。在模型的建立中需要大量試驗數(shù)據(jù)，為減少開發(fā)成本，利用AMESim平臺建立柴油機性能仿真模型，代替實際機器獲得所需的實驗數(shù)據(jù)。在建立實時仿真模型后，進行了模型精度驗證和動態(tài)壓力波動驗證，開發(fā)的船用高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型可以為電控系統(tǒng)噴油噴射和軌壓調(diào)節(jié)等功能的閉環(huán)測試提供受控仿真對象，并為進一步完善船用柴油機整機實時仿真模型功能的完整度提供了技術(shù)支持。

1 高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型整體概況

本文以為某船用高壓共軌燃油系統(tǒng)作為仿真對象，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該高壓共軌燃油系統(tǒng)采用了“2個高壓油泵、3段共軌管供給6只噴油器”的分布式共軌系統(tǒng)。

圖1 船用高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際的船用高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖來設(shè)計實時仿真模型，整個高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型主要由高壓燃油泵、共軌管、噴油器以及質(zhì)量轉(zhuǎn)換等子模型組成。以燃油流向為線索來設(shè)計，ECU向?qū)崟r模型中的高壓油泵子模型提供比例閥開度信號，同時傳感器向高壓油泵子模型提供柴油機轉(zhuǎn)速信號，高壓油泵子模型向共軌管子模型提供供油量信號。共軌管子模型根據(jù)來自高壓油泵子模型的供油量信號、來自質(zhì)量轉(zhuǎn)換子模型的消耗量和來自溫度計算子模型的柴油溫度信號計算出當(dāng)前共軌壓力傳遞給噴油器子模型。噴油器子模型接收來自共軌管子模型的軌壓信號和來自ECU的噴油脈寬、噴油正時信號得出燃油消耗量，傳遞給質(zhì)量轉(zhuǎn)換子模塊。質(zhì)量轉(zhuǎn)換模型將來自噴油器子模型的每循環(huán)燃油消耗量簡化為分段函數(shù)計算噴油器隨時間變化的噴油率，然后作為共軌管內(nèi)不同時刻的燃油消耗量輸出給共軌管子模型進行壓力波動計算。

根據(jù)圖1所示的船用高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理，建立如圖2所示的整體開發(fā)框架。

圖2 高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型整體框架

為滿足實時性要求，在噴油器子模型和高壓油泵子模型的建立過程中需要大量的高壓共軌燃油系統(tǒng)的特性數(shù)據(jù)，由于所需的數(shù)據(jù)量過大，且部分數(shù)據(jù)為過渡工況數(shù)據(jù)，難以通過臺架試驗獲得，所以先建立了高壓共軌燃油系統(tǒng)性能仿真模型，將性能仿真計算得到的數(shù)據(jù)提供給實時仿真模型中的噴油器子模型和高壓油泵子模型，最終完成實時仿真模型的建立。

2 高壓共軌燃油系統(tǒng)性能仿真模型開發(fā)

因為在高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型的建立中，噴油器子模型和高壓油泵子模型的開發(fā)需要大量的特性數(shù)據(jù)，且大部分過渡工況的數(shù)據(jù)難以通過臺架試驗獲得，同時為減少開發(fā)成本，利用AMESim平臺(advanced modeling and simulation environment for systems engineering)建立了如圖3所示的高壓共軌燃油系統(tǒng)性能仿真模型。仿真計算可為實時模型的高壓油泵子模型提供供油量的特性數(shù)據(jù)，為實時模型的噴油器子模型提供噴油量、回油量和泄露量的特性數(shù)據(jù)。

圖3 高壓共軌燃油系統(tǒng)性能仿真模型

利用建立的高壓共軌燃油系統(tǒng)性能仿真模型仿真計算的數(shù)據(jù)，與高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)試驗臺架的數(shù)據(jù)進行了對比分析，驗證了不同軌壓和噴射脈寬下的噴油量，結(jié)果如圖4所示，最大誤差不超過4%。

圖4 高壓共軌燃油系統(tǒng)性能仿真模型驗證

同時驗證了高壓共軌燃油內(nèi)共軌壓力波動的情況，以凸輪軸轉(zhuǎn)速500 r/min，共軌壓力140 MPa，噴油脈寬2.8 ms下的共軌系統(tǒng)的軌壓波動情況為例，共軌壓力波動仿真計算結(jié)果與試驗對比情況如圖5所示，具體數(shù)據(jù)如表1所示，仿真值與實驗測得數(shù)據(jù)較為符合，誤差皆在5%之內(nèi)，因此，可認為所建立的高壓共軌燃油系統(tǒng)性能模型能夠模擬共軌管內(nèi)的壓力波動，可為實時仿真模型提供建模所需的過程數(shù)據(jù)。

圖5 共軌壓力波動驗證

表1 共軌壓力波動數(shù)據(jù)

3 高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型開發(fā)

3.1 實時仿真模型開發(fā)原理

根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)背后的實際工作原理，將整個系統(tǒng)分為泵子模型、共軌管子模型、噴油器子模型、溫度計算子模型和質(zhì)量計算子模型。以燃料流動方向為線索進行實時仿真設(shè)計。高壓油泵子模型接收比例閥打開信號和控制系統(tǒng)提供的當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速值。通過仿真計算得到供油量，并將供油信號傳輸至共軌管模型。壓力由燃油供應(yīng)的燃油消耗量、高壓油泵子模型的質(zhì)量和溫度計算子模型的溫度信號計算。共軌壓力傳輸至噴油器子模型。根據(jù)性能仿真提供的數(shù)據(jù)，噴油器子模型可以接收控制系統(tǒng)提供的噴油正時和噴油持續(xù)時間信號。根據(jù)獲得的實際情況，設(shè)計了燃燒噴油量、控制室內(nèi)回油量和泄漏量。根據(jù)各子模型的實際工作原理，設(shè)計了各模型的計算邏輯。

3.2 噴油器子模型

基于電控噴油器工作原理和實際工作情況，噴油器在工作時，首先會因正常噴油消耗共軌管內(nèi)的燃油；其次一部分燃油因電磁閥開啟流入控制腔回到低壓油路中，也消耗了共軌管內(nèi)的燃油；而且實際噴油器存在配合間隙，會在高壓噴射時有少量泄漏。所以根據(jù)噴油器實際工作情況，設(shè)計3個油量：1)正常的燃油噴射；2)開啟電磁閥，作為控制用途的回油量；3)根據(jù)實際情況設(shè)計的泄漏量。燃油的總消耗量可以簡化為：

Q=Qi+Ql+Qr

(1)

式中：Q為噴油器燃油總消耗量，g/H；Qi為噴油器噴油量，g/H；Ql為噴油器泄漏量，g/H；Qr為噴油器控制腔回油量，g/H。

噴油器的噴油量、噴油器控制腔回油量和噴油器的泄露量與噴油器接收的噴油脈寬和共軌壓力信號有關(guān)，所以在噴油器子模型的設(shè)計中采用查詢特性仿真模型計算得到工況數(shù)據(jù)的方式，噴油器子模型接收來自ECU模塊的噴油脈寬信號和來自共軌管子模型的共軌壓力信號，查詢仿真工況數(shù)據(jù)得到燃油噴油量、回油量和泄露量3個值。因為在特性仿真中計算得到的值為每循環(huán)的燃油消耗量，所以噴油器子模型與質(zhì)量轉(zhuǎn)換子模型對接，噴油器子模型將噴油量、回油量和泄露量3個值傳遞給質(zhì)量轉(zhuǎn)換子模型，轉(zhuǎn)化為隨時間變化的燃油消耗率，噴油器子模型的開發(fā)流程如圖6所示。

圖6 噴油器子模型開發(fā)流程

其中3個燃油消耗量的所需的數(shù)據(jù)通過開發(fā)的高壓共軌性能仿真模型計算得到，如圖7～9所示。

圖7 噴油器泄露量特性數(shù)據(jù)

3.3 高壓油泵子模型

高壓燃油油泵采用改變比例閥開度的方式，通過調(diào)節(jié)節(jié)流面積達到控制高壓油泵輸出流量，從而完成共軌壓力的控制。

圖8 噴油器控制腔回油量特性數(shù)據(jù)

圖9 噴油器噴油量特性數(shù)據(jù)

在高壓燃油泵的工作過程中，其供油量的計算涉及到柱塞腔的平衡計算，球閥的流量計算以及比例閥的計算，一般計算過程可以忽略高壓油泵內(nèi)部的燃油工作過程，只考慮高壓油泵的輸出供油流量，將高壓油泵的平均供油量簡化為：

(2)

由式(2)可知，高壓燃油泵的輸出流量主要受到比例閥開度、高壓燃油泵背壓以及凸輪軸轉(zhuǎn)速3個因素的影響。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，高壓油泵的輸油量受比例閥開度和出口背壓即共軌管壓力影響，根據(jù)上文建立的發(fā)動機性能仿真模型可以得到以比例閥開度和出口背壓為自變量，輸油量為因變量的高壓油泵性能仿真特性數(shù)據(jù)，而且當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速能提供給高壓油泵的能量有最大值即存在最大輸油量，所以應(yīng)將查特性數(shù)據(jù)得到的值與當(dāng)前轉(zhuǎn)速能提供的最大值比較，取兩者最小值。可得到輸送燃油的體積流量值，因為后續(xù)計算需要質(zhì)量流量值，所以在高壓油泵子模型內(nèi)應(yīng)將體積流量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量，因此需要當(dāng)前的柴油密度值。柴油密度受壓力和溫度影響，所以對應(yīng)當(dāng)前柴油溫度和共軌壓力可以得到柴油密度值，計算得出高油泵子模型提供的柴油質(zhì)量流量。流程如圖10所示。由于數(shù)據(jù)眾多，以柴油機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和500 r/min，即高壓燃油泵凸輪軸轉(zhuǎn)速500 r/min和250 r/min下的高壓燃油泵供油特性數(shù)據(jù)為例，如圖11所示。

圖10 高壓燃油泵子模開發(fā)流程

圖11 高壓燃油泵供油特性數(shù)據(jù)

3.4 共軌管子模型

將共軌管簡化為零維腔體，共軌管內(nèi)共軌壓力的建模采用數(shù)學(xué)函數(shù)計算的方式進行，主要考慮燃油的壓縮性，根據(jù)燃油的流體液力性能，可以得到共軌管內(nèi)燃油壓力變化公式為：

(3)

式中：κ為所用燃料的彈性模量，1/Pa；Prail為共軌管內(nèi)的壓力，MPa；Vrail為共軌的體積，m3；ρrail為共軌內(nèi)燃料的密度，kg/m3；dmpump為高壓油泵輸入的燃料質(zhì)量，kg；dminj為噴油器消耗的燃油質(zhì)量，kg。

流入到共軌管內(nèi)的柴油量來自于高壓油泵模型，從共軌管流出的柴油量是噴油器模型計算得出的總消耗量，柴油密度與高壓油泵模塊采用相同的設(shè)計，因為噴油器模型在計算噴油量時計算的單位是每行程的噴油質(zhì)量，所以應(yīng)與當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速相乘得到單位時間消耗的柴油量。設(shè)計如圖12所示的流程。

3.5 溫度計算子模型

對高壓共軌系統(tǒng)進行燃油熱仿真計算可以得到不同燃油初始溫度對不同部件的影響，溫度對高壓共軌燃油系統(tǒng)的壓力變化有影響，而且低共軌壓力時燃油溫度引起的噴油量變化大，高共軌壓力時燃油溫度引起的噴油量變化小[23]。

為保證實時性簡化燃油溫度的計算，簡化燃油溫度變化主要來源是高壓燃油壓縮和環(huán)境溫度傳熱。傳熱引起的燃油溫度變化主要來源于燃燒室溫度和冷卻水溫度，簡化摩擦生熱和燃油同殼體的對流換熱，將冷卻水溫度和燃燒溫度設(shè)置計算比重，使用加權(quán)平均數(shù)的方式計算傳熱溫度，若設(shè)置燃燒溫度權(quán)重系數(shù)為a，冷卻水溫度的權(quán)重則為(1-a)，計算公式為：

Tt=aT1+(1-a)T2

(4)

式中：Tt為傳熱增加溫度，K；a為汽缸溫度權(quán)重，1；T1為汽缸溫度,K;T2為環(huán)境溫度,K。

增壓引起的溫度變化則采用查找一維表的方式，自變量為柴油當(dāng)前壓力,取當(dāng)前共軌管模型計算出的壓力。傳熱溫度和增壓溫度相加得到最終柴油溫度值，設(shè)計流程如圖13所示。

圖13 溫度計算子模型開發(fā)流程

3.6 質(zhì)量轉(zhuǎn)換子模型

由于噴油器噴射過程中，其噴油率曲線一般如圖14所示的型線，為減少仿真模型的計算時間，可將整個噴油器的燃油噴射過程劃分為噴油流量開始過程、噴油流量穩(wěn)定過程以及噴油流量關(guān)閉3個階段，其中噴油流量開始和噴油流量關(guān)閉可通過分段函數(shù)的方式實現(xiàn)，而噴油流量穩(wěn)定過程采用固定數(shù)值的方式進行簡化，從而將噴油器噴油流量曲線簡化為分段函數(shù)。在保證整體的噴油質(zhì)量不變的前提下，簡化噴油率曲線的數(shù)據(jù)波動。

圖14 噴油量曲線簡化示意

質(zhì)量轉(zhuǎn)換模型主要通過噴油器模塊輸入的單個沖程內(nèi)的燃油噴射量，通過簡化的分段函數(shù)計算噴油器隨時間變化的噴油率，然后作為共軌管內(nèi)不同時刻的燃油消耗量輸出給共軌管模塊進行共軌內(nèi)壓力波動計算。

4 高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型驗證

完成高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型的建立后對其進行靜態(tài)和動態(tài)的模型精度驗證。由于建立的高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型主要是針對控制策略的共軌壓力控制以及噴油量進行校驗分析，因此對高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型的驗證主要針對電控噴油量和共軌壓力的校驗，通過仿真計算得到如圖15的噴油器燃油噴油量校驗分析，結(jié)果顯示仿真誤差皆不超過5%。

圖15 電控噴油器噴油量校驗

對高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型進行動態(tài)驗證，通過添加簡單的PID算法對建立的實時仿真模型進行控制，并設(shè)置共軌內(nèi)初始壓力為140 MPa以縮短共軌內(nèi)壓力平衡時間，得到常用工況壓力140 MPa下的仿真模型內(nèi)共軌壓力波動如圖16所示，共軌內(nèi)壓力波動在5%之內(nèi)。在一個循環(huán)里每次噴油過程都會引起共軌壓力降低，隨后在高壓燃油泵作用下，共軌壓力隨即上升到設(shè)定范圍內(nèi)。

圖16 共軌壓力波動圖

5 結(jié)論

1)利用仿真特性數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式簡化的手段開發(fā)了由高壓燃油泵子模型，共軌管子模型、噴油器子模型以及質(zhì)量轉(zhuǎn)換子模型組成的高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型，可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的燃油噴射控制和軌壓調(diào)節(jié)信號，實時計算高壓共軌燃油系統(tǒng)的壓力波動、噴油量和噴油率等特性參數(shù)，與電控系統(tǒng)形成了完整的閉環(huán)系統(tǒng)。

2)對開發(fā)的高壓共軌燃油系統(tǒng)實時仿真模型進行了穩(wěn)態(tài)工況下的噴油量精度的驗證，以及閉環(huán)控制下共軌壓力波動的驗證，其誤差都在5%以內(nèi)，建立的實時仿真模型可作為電控系統(tǒng)噴油控制策略的開發(fā)和功能驗證的受控仿真對象。

開發(fā)的船用柴油機高壓共軌系統(tǒng)實時仿真模型不僅可以較為準確地模擬計算不同控制參數(shù)下的循環(huán)燃油噴射，還可以模擬共軌壓力的波動。開發(fā)的船用高壓共軌系統(tǒng)實時仿真可為電控系統(tǒng)燃油噴射和軌壓調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)測試提供受控仿真對象。為進一步提高船用柴油機實時仿真功能的完整性提供技術(shù)支持。