CN111079308A - 一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法 - Google Patents

一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法，首先对系统模型的控制步长、运算过程总时间、部件结构参数和压力等状态初值进行设定；基于matlab仿真平台建立燃油增压单元数学模型、高压油管数学模型和喷油器数学模型，通过各模型输入输出参量的对接实现模型间的数据传递。本发明在高压油管中考虑了一维空间管路波动，旨在建立一个高精度的燃油系统模型，为设计及计算共轨燃油系统中详细压力提供有效方法，计算结果精确，能应用于发动机模型，实用性好。

Description

一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法
技术领域
本发明涉及的是一种柴油机仿真方法，具体地说是船用柴油机仿真方法。
背景技术
船舶低速柴油机因其具备功率大、热效率高等优势，成为大型远洋船舶的主推进动力。
20世纪末后，随着世界各国对内燃机排放指标和性能指标要求的逐渐提高，研究和开发电子控制燃油喷射系统成为了达到逐渐提高排放指标的必由之路。而低速机装置的设计是涵盖多系统、多学科的综合性课题，其燃油系统的工作过程是一个多物理场耦合过程，不同的物理场相互影响，共同决定了其工作过程的稳定性。通过利用计算机集成仿真技术，建立数学模型对系统性能开展多角度的研究是当前研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供多角度、多学科仿真分析的一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法，其特征是：
(1)对系统的控制步长Nt、运算过程的总时间NT,0<Nt≤NT，增压单元、高压油管和喷油器内结构参数和压力初值进行设定；
(2)建立燃油系统的数学模型：包括燃油增压单元数学模型、高压油管数学模型和喷油器数学模型；
(3)基于已建立好各模型的输入输出参量的对接实现模型间的数据传递：计算在一个步长时刻Nt燃油系统内燃油流经各个部分的实时压力变化及压力值，获得该步长时刻的喷油压力值，基于上一步长时刻系统内状态值，在NT/Nt步内对燃油系统模型进行迭代运算，获得燃油系统整个工作过程的喷油压力数据。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)中，需要设定的初值参量包括：
系统的控制步长Nt、运算过程的总时间NT,共轨伺服油压力Ps，增压单元内大小柱塞直径D1、D2、燃油增压腔容积Vy,高压油管长度L和直径dhp,喷油器盛油槽容积Vf和压力室容积Vin。
2、步骤(2)中建立燃油系统的数学模型：包括燃油增压单元数学模型、高压油管数学模型和喷油器数学模型；
(a)构建燃油增压单元数学模型的具体方法：
设定电磁信号I驱动燃油增压单元中两位三通电磁阀切换开闭状态，对低压燃油增压；
增压后燃油压力变化值为
Figure BDA0002344177840000021
其中，ΔVz为燃油增压腔的体积变化值，Qout为燃油流入高压油管的流量；
(b)在高压油管中考虑一维空间管路波动，构建高压油管数学模型的具体方法：
将高压油管中流动按空间长度位置划分，分段求解，获得在一个控制步长Nt内从ΔL距离起的L距离内的正向压力波动值：
Figure BDA0002344177840000022
及从当前距离ΔL起的反向压力波动值：
Figure BDA0002344177840000023
从Nt时刻起的NT/Nt步内的正向及反向压力波动值：
Figure BDA0002344177840000024
其中K为耗散因子；
获得高压油管进出口位置流速：
v(0)＝[F(0)+R(0)]/(αρ)，v(L)＝[F(L)+R(L)]/(αρ)；
(c)构建喷油器数学模型的具体方法：
盛油槽内燃油压力变化值为
Figure BDA0002344177840000031
其中，ΔVf为盛油槽腔的体积变化值，Qin为高压油管内燃油流入盛油槽的流量，Qout为燃油流入压力室的流量；
压力室内燃油压力变化值为
Figure BDA0002344177840000032
其中，Qin为盛油槽流入压力室的燃油流量，Qout为由喷孔喷出的流量；
Figure BDA0002344177840000033
其中Ain为盛油槽与压力室流通面积；
Figure BDA0002344177840000034
其中P0为缸内压力，A*为喷孔总面积。
3、步骤(3)中，基于已建立好各模型的输入输出参量的对接实现模型间的数据传递，具体为：
将
Figure BDA0002344177840000035
带入计算燃油压力变化值ΔPy获得实时增压腔内燃油压力：
Py＝Py0+ΔPy；
将
Figure BDA0002344177840000036
带入计算燃油压力变化值ΔPf获得实时盛油槽内燃油压力：
Pf＝Pf0+ΔPf；
计算在一个步长时刻Nt燃油系统内燃油流经各个部分的实时压力变化及压力值，获得该步长时刻的喷油压力值，基于上一步长时刻系统内状态值，在NT/Nt步内对燃油系统模型进行迭代运算，获得燃油系统整个工作过程的喷油压力数据。
本发明的优势在于：本发明提供了一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统建模仿真方法，运用matlab仿真软件建立一个高精度的燃油系统模型，并在高压油管中考虑了一维空间管路波动，能够用于对共轨燃油系统设计的优化和验证，计算结果精确，能应用于发动机模型，实用性好。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为燃油系统结构示意图；
图3为燃油系统喷射压力仿真与实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明提供一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统建模仿真方法，总体流程图如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：系统模型需要设定的初值参量为：
系统的控制步长Nt、运算过程的总时间NT,0<Nt≤NT，共轨伺服油压力Ps，增压单元内大小柱塞直径D1、D2、燃油增压腔容积Vy,高压油管长度L和直径dhp,喷油器盛油槽容积Vf和压力室容积Vin,以及针阀组件等相关参数。
步骤2：建立燃油系统的数学模型：包括燃油增压单元数学模型、高压油管数学模型和喷油器数学模型；
(a)构建燃油增压单元数学模型的具体方法：
设定电磁信号I驱动燃油增压单元中两位三通电磁阀切换开闭状态，对低压燃油增压；
增压后燃油压力变化值为
Figure BDA0002344177840000041
其中，ΔVz为燃油增压腔的体积变化值，Qout为燃油流入高压油管的流量；
ΔVz＝S2·H，其中H由柱塞的机械运动方程获得；
(b)在高压油管中考虑了一维空间管路波动，构建高压油管数学模型的具体方法
将高压油管中流动按空间长度位置划分，分段求解，获得在一个控制步长Nt内从ΔL距离起的L距离内的正向压力波动值：
Figure BDA0002344177840000051
及从当前距离ΔL起的反向压力波动值：
Figure BDA0002344177840000052
从Nt时刻起的NT/Nt步内的正向及反向压力波动值：
Figure BDA0002344177840000053
其中K为耗散因子，计算K的具体方法：
假设管道内为紊流流动，根据当前管内平均流速计算雷诺数，对应的公式为：
Figure BDA0002344177840000054
其中
Figure BDA0002344177840000055
为管内平均流速，ν为运动粘度；
获得当前雷诺数后，根据目标油管的半经验公式求油管的沿程阻力系数λ；
耗散因子：
Figure BDA0002344177840000056
获得高压油管进出口位置流速：
v(0)＝[F(0)+R(0)]/(αρ)，v(L)＝[F(L)+R(L)]/(αρ) (7)
其中α为声速，ρ为燃油密度；
(c)构建喷油器数学模型的具体方法：
盛油槽内燃油压力变化值为
Figure BDA0002344177840000061
其中，ΔVf为盛油槽腔的体积变化值，Qin为高压油管内燃油流入盛油槽的流量，Qout为燃油流入压力室的流量；
压力室内燃油压力变化值为
Figure BDA0002344177840000062
其中，Qin为盛油槽流入压力室的燃油流量，Qout为由喷孔喷出的流量。
Figure BDA0002344177840000063
其中Ain为盛油槽与压力室流通面积；
Figure BDA0002344177840000064
其中P0为缸内压力，A*为喷孔总面积。
步骤3：基于已建立好各模型的输入输出参量的对接实现模型间的数据传递：
将
Figure BDA0002344177840000065
带入计算燃油压力变化值ΔPy获得实时增压腔内燃油压力：
Py＝Py0+ΔPy； (12)
将
Figure BDA0002344177840000066
带入计算燃油压力变化值ΔPf获得实时盛油槽内燃油压力：
Pf＝Pf0+ΔPf； (13)
计算在一个步长时刻Nt燃油系统内燃油流经各个部分的实时压力变化及压力值，
获得该步长时刻的喷油压力值，基于上一步长时刻系统内状态值，在NT/Nt步内对燃油系统模型进行迭代运算，获得燃油系统整个工作过程的喷油压力数据。
假设j为迭代次数。燃油喷射压力值：
Pin(j+1)＝Pin(j)+ΔPin (14)
图3显示了燃油喷射系统喷射压力仿真值与实验值的对比，显示具有较好的吻合性。

Claims (4)

1.一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法，其特征是：
(1)对系统的控制步长Nt、运算过程的总时间NT,0<Nt≤NT，增压单元、高压油管和喷油器内结构参数和压力初值进行设定；
(2)建立燃油系统的数学模型：包括燃油增压单元数学模型、高压油管数学模型和喷油器数学模型；
(3)基于已建立好各模型的输入输出参量的对接实现模型间的数据传递：计算在一个步长时刻Nt燃油系统内燃油流经各个部分的实时压力变化及压力值，获得该步长时刻的喷油压力值，基于上一步长时刻系统内状态值，在NT/Nt步内对燃油系统模型进行迭代运算，获得燃油系统整个工作过程的喷油压力数据。
2.根据权利要求1所述的一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法，其特征在于：步骤(1)中，需要设定的初值参量包括：
系统的控制步长Nt、运算过程的总时间NT,共轨伺服油压力Ps，增压单元内大小柱塞直径D1、D2、燃油增压腔容积Vy,高压油管长度L和直径dhp,喷油器盛油槽容积Vf和压力室容积Vin。
3.根据权利要求1所述的一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法，其特征在于：步骤(2)中建立燃油系统的数学模型：包括燃油增压单元数学模型、高压油管数学模型和喷油器数学模型；
(a)构建燃油增压单元数学模型的具体方法：
设定电磁信号I驱动燃油增压单元中两位三通电磁阀切换开闭状态，对低压燃油增压；
增压后燃油压力变化值为
Figure FDA0002344177830000011
其中，ΔVz为燃油增压腔的体积变化值，Qout为燃油流入高压油管的流量；
(b)在高压油管中考虑一维空间管路波动，构建高压油管数学模型的具体方法：
将高压油管中流动按空间长度位置划分，分段求解，获得在一个控制步长Nt内从ΔL距离起的L距离内的正向压力波动值：
Figure FDA0002344177830000021
及从当前距离ΔL起的反向压力波动值：
Figure FDA0002344177830000022
从Nt时刻起的NT/Nt步内的正向及反向压力波动值：
Figure FDA0002344177830000023
其中K为耗散因子；
获得高压油管进出口位置流速：
v(0)＝[F(0)+R(0)]]/(αρ)，v(L)＝[F(L)+R(L)]/(αρ)；
(c)构建喷油器数学模型的具体方法：
盛油槽内燃油压力变化值为
Figure FDA0002344177830000024
其中，ΔVf为盛油槽腔的体积变化值，Qin为高压油管内燃油流入盛油槽的流量，Qout为燃油流入压力室的流量；
压力室内燃油压力变化值为
Figure FDA0002344177830000025
其中，Qin为盛油槽流入压力室的燃油流量，Qout为由喷孔喷出的流量；
Figure FDA0002344177830000031
其中Ain为盛油槽与压力室流通面积；
Figure FDA0002344177830000032
其中P0为缸内压力，A*为喷孔总面积。
4.根据权利要求1所述的一种船用低速机两级柱塞增压式共轨燃油系统仿真方法，其特征在于：步骤(3)中，基于已建立好各模型的输入输出参量的对接实现模型间的数据传递，具体为：
将
Figure FDA0002344177830000033
带入计算燃油压力变化值ΔPy获得实时增压腔内燃油压力：
Py＝Py0+ΔPy；
将
Figure FDA0002344177830000034
带入计算燃油压力变化值ΔPf获得实时盛油槽内燃油压力：
Pf＝Pf0+ΔPf；
计算在一个步长时刻Nt燃油系统内燃油流经各个部分的实时压力变化及压力值，获得该步长时刻的喷油压力值，基于上一步长时刻系统内状态值，在NT/Nt步内对燃油系统模型进行迭代运算，获得燃油系统整个工作过程的喷油压力数据。
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