摘要：根据天然气的气体特性,建立了基于AMeSim 的“两级调压”共轨系统模型。为研究天然气发动机高压共轨系统的动态特性,以压力波动幅值为控制目标,综合分析了转速、共轨腔容积、长径比和共轨腔压力等对压力波动幅值的影响,提出了相应的控制策略,并利用MATLAB/ Simulink 建立了控制系统模型。仿真结果表明,该联合仿真系统能够反映天然气发动机高压共轨系统的实际工作过程,所采用的控制策略能够减小共轨腔中气体压力的波动,为天然气高压直喷发动机的研究奠定了基础。
关键词：天然气发动机; 高压共轨; 两级调压; 数值模拟; 压力波动
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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