CN115559842A - 一种高压共轨系统仿真方法 - Google Patents

一种高压共轨系统仿真方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115559842A
CN115559842A CN202211127041.8A CN202211127041A CN115559842A CN 115559842 A CN115559842 A CN 115559842A CN 202211127041 A CN202211127041 A CN 202211127041A CN 115559842 A CN115559842 A CN 115559842A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure
oil
common rail
needle valve
rail system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211127041.8A
Other languages
English (en)
Inventor
周航琪
唐梦奇
常亮
胡步青
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Original Assignee
Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Innovation Academy for Microsatellites of CAS filed Critical Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Priority to CN202211127041.8A priority Critical patent/CN115559842A/zh
Publication of CN115559842A publication Critical patent/CN115559842A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/02—Conduits between injection pumps and injectors, e.g. conduits between pump and common-rail or conduits between common-rail and injectors
    • F02M55/025—Common rails
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/02—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type
    • F02M59/10—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive
    • F02M59/102—Mechanical drive, e.g. tappets or cams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F02M63/0265—Pumps feeding common rails
    • F02M63/027—More than one high pressure pump feeding a single common rail
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1409—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method using at least a proportional, integral or derivative controller
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高压共轨系统仿真方法，包括以下步骤：S1、将通用油压类高压共轨系统简化；S2、基于质量的输运方程获得高压公共油轨容积腔内弹性模量E关于压力P的函数关系；S3、根据常见喷油嘴针阀几何数据，模拟仿真喷油嘴喷油规律和雾化效果；S4、使用盖特曼函数表示盘形凸轮机构驱动柱塞腔的运动规律，模拟仿真高压油泵向高压公共油轨泵油规律；S5、构建减压阀理想PID计算公式，模拟仿真减压阀工作规律；S6、根据高压共轨系统输入输出控制策略和部件配置情况，对高压共轨系统内压力波动情况及反向影响进行仿真模拟，验证控制策略、设计实际应用的高压共轨系统。有益效果是完全不依托硬件，实现高效率、高适应性、多维度高压共轨系统仿真。

Description

一种高压共轨系统仿真方法
技术领域
本发明涉及航天发动机技术领域，具体涉及一种高压共轨系统仿真方法。
背景技术
共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU（电子控制单元）组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小供油压力随发动机转速的变化。
高压共轨系统中，输入输出间歇性工作显著影响高压共轨压力，对共压系统整体稳定性有很大威胁，因此试验仿真可以指导燃油喷射系统的设计，有效减少试验工作量及试验费用。
目前主流研究运用国外AMESim（LMS Imagine.Lab AMESim，Advanced ModelingEnvironment for performing Simulation of engineering systems，是多学科领域复杂系统建模仿真平台）、GT-fuel（供油系统仿真分析，GT-SUITE系列软件的一个组成部分，适应于共轨、泵管嘴、泵嘴燃油喷射系统仿真）等仿真软件进行面向物理对象的建模，但是建模考虑轨压动态波动、振荡的影响，导致系统庞大复杂，既不适用于解决快速轻量的仿真需求，也往往只适用于系统离线仿真，不便于简化计算难度。如何纯基于软件建立仿真环境有效仿真高压共轨管内的压力大小对共轨输入和输出过程的影响成为国内亟待解决的问题。
数字化建设是我国重点发展的科技领域之一，本发明紧跟国家数字化发展战略的步伐，针对卫星研制中涉及的高压共轨系统论证手段缺乏、仿真验证方法落后等导致策略结果不明确、测试不充分、研制周期长等难题，对高压共轨系统的仿真方法作了技术改进。
发明内容
本发明的目的是，提供一种完全不依托硬件，实现高效率、高适应性、多维度高压共轨系统仿真的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种高压共轨系统仿真方法，包括以下步骤：
S1、将通用油压类高压共轨系统简化为盘形凸轮机构驱动柱塞腔的高压油泵、包含减压阀的高压公共油轨和若干喷油嘴串联的简化高压共轨系统；
S2、根据欧拉法将高压公共油轨容积腔视为控制体，基于质量的输运方程获得高压公共油轨容积腔内弹性模量E关于压力P的函数关系；
S3、根据常见喷油嘴针阀几何数据，模拟仿真喷油嘴喷油规律和雾化效果；
S4、使用盖特曼函数表示盘形凸轮机构驱动柱塞腔的运动规律，模拟仿真高压油泵向高压公共油轨泵油规律；
S5、根据经典PID控制理论，构建减压阀理想PID计算公式，模拟仿真减压阀工作规律；
S6、根据高压共轨系统输入输出控制策略和部件配置情况，基于步骤S1至S5构建的简化高压共轨系统数学模型，对高压共轨系统内压力波动情况及反向影响进行仿真模拟，验证控制策略、和/或设计实际应用的高压共轨系统。
优选地，上述的一种高压共轨系统仿真方法，步骤S2具体包括以下步骤：
S21、基于欧拉法将高压公共油轨容积腔视为控制体，构建关于质量的输运方程为：
Figure 876786DEST_PATH_IMAGE001
，其中，CV为控制体，CS为控制体表面，
Figure 499659DEST_PATH_IMAGE002
为油的密度，t为时间，CS1为t时刻控制体表面，CS2为t+∆t时刻的控制体表面，
Figure 227444DEST_PATH_IMAGE003
为第n时间的瞬时流速，V为控制体体积，A为控制体横截面积；
S22、根据输运方程可知高压共轨系统高压油管内净流入的质量等于其内部质量的变化率，对于稳压的情况，将等式左侧视作零，将压强的变化转化成质量的变化，作为仿真压力计算的基础；
S23、根据输运方程可知高压公共油轨容积腔内压力的高低与密度大小密切相关，仿真环境中通过二项式曲线拟合得到弹性模量E关于压力P的函数关系，高压公共油轨容积腔内液体的状态方程为：
Figure 450615DEST_PATH_IMAGE004
，其中P为压力，E为弹性模量，
Figure 656468DEST_PATH_IMAGE002
为油的密度。
优选地，上述的一种高压共轨系统仿真方法，步骤S2具体还包括以下步骤：
S24、在步骤S23高压公共油轨容积腔内液体的状态方程基础上，进一步仿真简化高压共轨系统各个部件腔内液体的状态方程关系。
优选地，上述的一种高压共轨系统仿真方法，S3具体还包括以下步骤
S31、构建常见喷油嘴针阀几何关系：
Figure 897963DEST_PATH_IMAGE005
，其中𝜙为针阀密封座圆锥的半角，d𝑧为针阀直径，d𝑚为最下端喷孔的直径，h为针阀运动的高度，a为针阀下沿到针阀密封座侧壁的最短距离，c为沿针阀下沿到针阀密封座侧壁最短距离方向的针阀下沿到针阀中线的距离，r为沿针阀下沿到针阀密封座侧壁最短距离方向与针阀侧壁交点到针阀中线的半径距离，
Figure 796648DEST_PATH_IMAGE006
为针阀与圆锥空间形成的扇形面积的顶角大小；
S32、令𝐴𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚为针阀圆锥座最下端喷孔的面积，S为针阀与圆锥空间形成的扇形面积，喷油面积S通过微元法积分得出：
Figure 241536DEST_PATH_IMAGE007
当针阀刚刚开启时，S小于最下端喷孔的面积，燃油喷出孔的有效截面积为S，随着针阀的开启，喷孔有效截面积变为最下端喷孔面积𝐴𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚，
Figure 251081DEST_PATH_IMAGE008
为针阀下沿半径与喷油所在位置处的针阀圆锥座的半径差；
S33、燃油从针阀喷孔进入高压油管的流量仿真为：
Figure 111196DEST_PATH_IMAGE009
，其中Q流过小孔的燃油流量，C为流量系数，A为喷孔的面积，ΔP为喷孔两边的压力差，ρ为高压侧燃油的密度；
S34、针阀运动高度h与时间t的关系实验测得，仿真环境中采取曲线拟合的方法，将面积S关于时间t的函数表达式S(t)代入流量计算公式得到喷油嘴的喷油流量关于时间的函数关系式𝑄(𝑡)，仿真得到𝑄(𝑡)与时间t的关系曲线-即仿真环境下针阀喷油速率。
优选地，上述的一种高压共轨系统仿真方法，步骤S4具体还包括以下步骤：
S41、盘形凸轮机构驱动柱塞腔的运动规律，相应的柱塞运动位移、速度及加速度函数如以下：
Figure 915204DEST_PATH_IMAGE010
，其中，x为柱塞运动的位移，v为柱塞运动的速度，a为柱塞运动的加速度，h为柱塞的行程，ω为凸轮转动的角速度，t为时间，kd为凸轮对应柱塞运动一个行程转动的角度，凸轮转动到上下止点位置时，𝛿𝑚𝑎𝑥为最大极径，𝛿𝑚𝑖𝑛为最小极径；
S42、柱塞腔在一个周期内向高压油管喷射的燃油总质量为低压燃油充满整个柱塞腔室的质量与高压燃油被挤压在残余容积里的质量之差；
S43、盘形凸轮机构通过控制凸轮转动角速度控制喷油的单位时间内向高压油管喷入的燃油质量。
优选地，上述的一种高压共轨系统仿真方法，步骤S42：取h=120mm，取ω=720°/s，取kd=180°。
优选地，上述的一种高压共轨系统仿真方法，步骤S5减压阀理想PID计算公式为：
Figure 847388DEST_PATH_IMAGE011
，其中，t为时间，
Figure 395044DEST_PATH_IMAGE012
为PID控制过程的反馈量，
Figure 611130DEST_PATH_IMAGE013
控制过程的输出量，
Figure 586039DEST_PATH_IMAGE014
为PID控制过程的输入量，
Figure 271099DEST_PATH_IMAGE015
为反馈比例参量，
Figure 622446DEST_PATH_IMAGE016
为反馈过程的积分调参量，
Figure 194503DEST_PATH_IMAGE017
为反馈过程的微分调参量。
本发明一种高压共轨系统仿真方法有如下有益效果：基于输运方程建立了高压共轨系统各个构件的数学模型与减压阀PID控制策略，建立对压力大小与共轨输入输出过程中的运行状态进行模拟计算的仿真算法，并对发动机运行过程进行了仿真计算，结果表明控制方案可以较好的满足各个工况的运行策略，可以指导类似高压共轨系统的设计，有效减少试验工作量及试验费用，具体而言1、不依赖硬件构建高压共轨系统，建立高压输入泵、高压共轨、喷嘴器、共轨管、电控装置及传感器等装置的数学模型，满足高压共轨系统仿真、论证、和辅助研制的需求；2、解决了轨内压力与喷射输入时机影响耦合和多维度仿真的难题，聚焦于轨内压力变化，有效验证输入策略、控制策略、减压阀等多维度下的高压共轨系统情况仿真、提高了卫星研制过程中涉及的高压系统研制速度，丰富国内高压共轨系统仿真方案；3、低成本、低风险，高效率的模拟轨内情况，解决了硬件未全部就绪的情况下，开展软件模拟流程作业，提供了轻量化高压共轨系统环境与控制策略的软件仿真。
附图说明
图1是一种高压共轨系统仿真方法步骤图。
图2是通用油压类高压共轨系统示意图。
图3是通用油压类高压共轨系统简化图。
图4是高压公共油轨容积腔示意图。
图5是喷油器针阀剖面示意图。
图6是喷油器针阀喷油速率图。
图7是高压油泵盘形凸轮机构凸轮转动到上下止点位置时的示意图。
图8是通用油压类高压共轨系统喷油策略示意图。
图9是单倍喷油策略下ω′=ω时油管压力变化图。
图10是双倍喷油策略下ω′=2ω时油管压力变化图。
图11是喷油策略ω′=2.11ω时油管压力变化图。
图12是高压公共油轨减压阀控制模型图。
图13是高压公共油轨减压阀减压控制过程曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
实施例
本实施例实现一种高压共轨系统仿真方法。
本实施例一种高压共轨系统仿真方法，基于高压环境输运方程，设计模拟算法，实现常见高压系统的压力波动仿真。
图1是一种高压共轨系统仿真方法步骤图。如附图1所示，本实施例一种高压共轨系统仿真方法，针对卫星研制中涉及的高压共轨系统论证手段缺乏、仿真验证方法落后等，导致策略结果不明确、测试不充分、研制周期长等技术问题，提出一种包含高压共轨系统内各个构件的数学模型，基于输运方程建立了高压共轨系统各个构件的数学模型与减压阀PID控制策略，并对压力大小与共轨输入输出过程中的运行状态进行模拟计算的仿真算法，可以较好的满足各个工况的运行策略，指导类似高压共轨系统的设计，有效减少试验工作量及试验费用。
本实施例一种高压共轨系统仿真方法，1）不依赖硬件构建高压共轨系统由高压输入泵、高压共轨、喷嘴器、共轨管、电控装置及传感器等装置的数学模型，满足高压共轨系统仿真、论证、和辅助研制的需求；2）解决了轨内压力与喷射输入时机影响耦合和多维度仿真的难题；聚焦于轨内压力变化，有效验证输入策略、控制策略、减压阀等多维度下的高压共轨系统情况仿真、提高了卫星研制过程中涉及的高压系统研制速度；3）低成本、低风险，高效率的模拟轨内情况，解决了硬件未全部就绪的情况下，开展软件模拟流程作业，提供了轻量化高压共轨系统环境与控制策略的软件仿真。
本实施例一种高压共轨系统仿真方法，仿真算法具备通用性，以最为需要的油压类高压共轨系统为例，开发验证仿真算法的有效性。
图2是通用油压类高压共轨系统示意图。如附图2所示，高压共轨系统由高压油泵、高压公共油轨、喷油器、高压油管、电控装置及传感器等装置组成。其中高压油泵的供油量必须满足柴油机喷油量的需求以及起动或加速时油量改变的需求，高压公共油轨（共轨管）将高压油泵提供的燃油提供给各个喷油器，并起到蓄压器的作用，但由于系统稳定和材料限制，其容积和压力波动都不能太大。同时，高压公共油轨高压共轨的压力波动也会影响到共轨式燃油系统中最关键且最复杂的部件-电控喷油器，喷油时机频率及喷油量等策略成为仿真计算过程中最为重要的影响因素之一。
考虑到发动机喷油系统的常见工况与常见高压公共油轨材料强度，为保证高压油泵和喷油嘴工作时高压公共油轨（共轨管）内部压力波动不致机械结构损坏，其内压应控制在5MPa之下，且轨内容积不能能过大以保证有足够的压力响应速度匹配发动机燃油需求量变化。
图3是通用油压类高压共轨系统简化图。如附图3所示，高压共轨系统可以进行一定简化，以便仿真模型构建；简化高压共轨系统包括高压油泵（含盘形凸轮机构）、高压公共油轨（即共轨管，含减压阀）和电控喷油器（包括喷油嘴）。具体的，简化后的连接关系：油料经盘形凸轮结构源源不断进入高压油泵，高压油泵的供油量必须满足柴油机喷油量的需求以及起动或加速时油量改变的需求；共轨管将高压油泵提供的燃油提供给各个喷油器，并起到蓄压器的作用，且容量不能太大，以达到足够的压力响应速度来匹配发动机的燃油需求量变化；电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键且最复杂的部件，它的作用是根据ECU发出的控制信号，通过控制喷油嘴中电磁阀的开启和关闭，将高压油管中的燃油喷入燃烧室。
简化的模型兼顾了所有真实情况中的关键节点，又规避了相关性较小的环境变量，是仿真环境搭建的重要考量。
图4是高压公共油轨容积腔示意图。如附图4所示，为模拟高压共轨系统内压力与各部件仿真数据，应基于欧拉法将高压公共油轨容积腔视为控制体。欧拉法（eulermethod）是以流体质点流经流场中各空间点的运动（即以流场）作为描述对象研究流动的方法。
其关于质量的输运方程为：
Figure 605893DEST_PATH_IMAGE018
。
其中，CV为控制体，CS为控制体表面。通过上式可以看出，高压油管内净流入的质量等于其内部质量的变化率。对于稳压的情况，可将等式左侧视作零，那么压强的变化就可以转化成质量的变化，可以作为仿真压力计算的基础。
根据输运方程可知油管容腔内压力的高低与密度大小密切相关。而在工程实际当中，弹性模量E与压力P的数量关系容易通过实验测得，仿真环境中可通过二项式曲线拟合得到弹性模量E关于压力P的函数关系。
容腔内液体的状态方程为：
Figure 778249DEST_PATH_IMAGE004
。
在容腔内液体的状态方程的基础上，可以进一步仿真系统的各个部件腔内液体的状态方程（函数）关系。一般地讲，对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变（称为“形变”），“弹性模量”的一般定义是：单向应力状态下应力除以该方向的应变。
高压共轨喷油器的针阀运动规律直接决定了喷油规律和雾化效果，决定针阀运动规律的因素对改进喷油器结构以及提升雾化效果有着重要影响。
图5是喷油器针阀剖面示意图。如附图5所示，针阀与喷油原理的仿真主要建立在常见针阀几何数据上，其几何关系为：
Figure 667707DEST_PATH_IMAGE005
。
其中𝜙为针阀密封座圆锥的半角，d𝑧为针阀直径，d𝑚为最下端喷孔的直径，h为针阀运动的高度。若令𝐴𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚为圆锥座最下端喷孔的面积，S为针阀与圆锥空间形成的扇形面积，则面积S可以通过微元法积分得出：
Figure 858386DEST_PATH_IMAGE019
。
因此仿真过程分析可知，当针阀刚刚开启时，S小于最下端喷孔的面积，燃油喷出孔的有效截面积为S，随着针阀的开启，喷孔有效截面积变为最下端喷孔面积𝐴𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚。
则燃油从小孔进入高压油管的流量可仿真为：
Figure 175098DEST_PATH_IMAGE009
。
其中Q流过小孔的燃油流量，C为流量系数，A为小孔的面积，ΔP为小孔两边的压力差，ρ为高压侧燃油的密度。
图6是喷油器针阀喷油速率图。如附图6所示，工程实际当中，针阀运动高度h与时间t的关系可以实验测得，仿真环境中采取曲线拟合的方法，将面积S关于时间t的函数表达式S(t)代入流量计算公式可得喷油嘴的喷油流量关于时间的函数关系式𝑄(𝑡)，仿真得到𝑄(𝑡)与时间t的示例关系曲线-即仿真环境下针阀喷油速率。
高压油泵及盘形凸轮机构具有结构简单、运动平稳的特点，在高压柱塞泵中得到了广泛应用，仿真难度不大。高压柱塞泵柱塞的运动规律可以用盖特曼函数表示，其相应的柱塞运动位移、速度及加速度函数如以下：
Figure 569170DEST_PATH_IMAGE020
。
图7是高压油泵盘形凸轮机构凸轮转动到上下止点位置时的示意图。如附图7所示，凸轮转动到上下止点位置时，其中𝛿𝑚𝑎𝑥为最大极径，𝛿𝑚𝑖𝑛为最小极径。柱塞腔在一个周期内向高压油管喷射的燃油总质量为低压燃油充满整个柱塞腔室的质量与高压燃油被挤压在残余容积里的质量之差。
由于凸轮极径是随着旋转角度持续变化的，柱塞在凸轮旋转一个周期的时间内持续地做上升下降运动，以压缩燃油提高压力，使油泵以固定的开启时长向高压油管喷油。凸轮通过控制其转动角速度控制喷油的单位时间内向高压油管喷入的燃油质量。
因此，仿真环境必须能够有效模拟各种负荷下的燃烧室中有足够的喷油量，一般高压泵向共轨泵油的燃油量大于该工况各缸实际需求的喷油量，因此多余的一部分高压油经回油管回到油箱中。这就意味着每次高压油泵压入的燃油量实际上是大于实际喷出的燃油量，也就是目前的单喷油嘴式高压共轨管工况系统，仿真环境首先需要模拟出该工况下不同喷油策略的油管压力-时间关系，以验证不同控制方案对高压公共油轨（共轨管）和整个系统的影响。
图8是通用油压类高压共轨系统喷油策略示意图。如附图8所示，仿真环境设置初始油压为100MPa，两个喷油嘴在一个运行周期内轮流喷油，每次喷油间隔50ms，喷油流量20.7mm^3/ms，时间分配见图7，T为喷油嘴喷油一次的脉冲宽度，喷油时间τ=2.45ms。
图9是单倍喷油策略下ω′=ω时油管压力变化图。如附图9所示，在一个工作周期内，凸轮转动一周期的时间内油泵一直开启，且转速ω与喷入质量成正比，得到单倍喷油策略下油管压力仿真结果；可以看到仿真环境成功模拟了前一次喷油引起的高压油管内的压力变化，不改变凸轮转速ω′=ω，则一段时间后，高压管内压强迅速衰减，停止向外喷油。仿真结果成功复现了在错误的喷油策略下，高压共轨系统内压强不断降低无法持续稳定的结果。
图10是双倍喷油策略下ω′=2ω时油管压力变化图。如附图10所示，再令ω′=2ω，高压管内压强略微衰减基本不变；仿真结果表明高压轨内压力可以基本维持稳定，但仿真结果中也显示出前一次喷油引起的高压油管内的压力变化带来的误差逐渐积累，仿真较为细致，足以进一步适应更复杂控制策略下的仿真需求。
更改新的控制策略为使得高压油管保持较为稳定的压力平衡，对仿真过程中泵油速率做出调整，仿真环境可以根据不同的误差积累情况，使用不同的细粒度进行压力仿真，获得在特定情况下的最佳结果。图11是喷油策略ω′=2.11ω时油管压力变化图。如附图11所示，比如在ω′=2ω时误差在1000ms中积累小于（正负）5Mpa，仿真方法选择以0.01步长动态增大凸轮转速倍数，得到在ω′=2.11ω时，高压管内压强在100MPa左右轻微波动；由此可得仿真方法有效获得了在增加一个喷油嘴且未安装减压阀时的工况下的最佳控制策略：两个喷油嘴在一个运行周期内轮流喷油，两次喷油时间间隔为50ms，同时，使凸轮转动角速度ω′=2.11ω，可一直维持高压油管内压力（正负）2Mpa的平衡中。
综上，本实施例一种高压共轨系统仿真方法，通过仿真模拟计算控制凸轮、柱塞腔等重要部分的最优值，大大简化设计开发过程。
除此以外，为了保证各种负荷下的燃烧室中有足够的喷油量，一般高压油泵向高压公共油轨（共轨）泵油的燃油量大于该工况各缸实际需求的喷油量，多余的一部分高压油经回油管回到油箱中。因此若没有调压装置，高压油管内压力将持续升高。
减压阀也常常出现在管内出现高压的工况下，其发挥控制作用调节压强。减压阀打开，高压油管内的燃油可以在高压作用下回流到外部低压油路中，从而使得高压油管内燃油的压力减小。本实施例一种高压共轨系统仿真方法，对于减压阀的仿真，采用经典的PID控制理论，若输入信号E(t)为t时刻高压油管内实际压力，U(t)为希望达到的高压油管稳恒压力100MPa，G(p)为减压阀控制器。本实施例一种高压共轨系统仿真方法，减压阀理想PID计算公式为：
Figure 996740DEST_PATH_IMAGE011
。
图12是高压公共油轨减压阀控制模型图。如附图12所示，本实施例一种高压共轨系统仿真方法，减压阀控制过程；在具备减压阀的情况下，柱塞在向上运动的半个周期内，喷油嘴向油管喷油。喷油嘴喷射燃油的质量随时间线性增加，且半个周期喷油结束后，线性增加的燃油质量流量求和等于实际工作情况下的燃油质量流量。
图13是高压公共油轨减压阀减压控制过程曲线图。如附图13所示，依据上述情况，对增加了减压阀之后的高压管内的压力控制过程进行仿真计算，得到迭代结果。仿真结果表明：未开启减压阀时，随着进入高压油管的燃油油量积累，高压管压力逐渐上升。高压管内压强增大到110MPa，触及峰值压力，开启减压阀。高压管内压强下降至100MPa时，关闭减压阀，压力开始回升。一个控制周期结束。
以上说明在具备减压阀等部件的复杂工况，即喷射进高压管的燃油大于实际需要出油量时，安装减压阀，仿真得到调度策略下轨内压力结果：100MPa额定工作的高压管内，压强增加至110MPa，开启减压阀，开启一定时间后，压强降至100MPa，关闭减压阀。仿真方法仍能复现实际高压油管工作情况，成为有效验证控制策略、设计高压共轨系统的优秀助力。
综上所述，本实施例一种高压共轨系统仿真方法：
1）以输运方程为基础，建立高压共轨系统各个构件的数学模型，对高压共轨进行精细颗粒度的分解，仿真实现各部件不同操作逻辑。
2）针对不同输入输出策略和不同部件配置情况，在此基础上进行虚拟化构建，实现高压共轨内压力波动情况及反向影响的仿真模拟。
3）完全不依托硬件实现高效率、高适应性、多维度高压共轨系统仿真。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高压共轨系统仿真方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、将通用油压类高压共轨系统简化为盘形凸轮机构驱动柱塞腔的高压油泵、包含减压阀的高压公共油轨和若干喷油嘴串联的简化高压共轨系统；
S2、根据欧拉法将高压公共油轨容积腔视为控制体，基于质量的输运方程获得高压公共油轨容积腔内弹性模量E关于压力P的函数关系；
S3、根据常见喷油嘴针阀几何数据，模拟仿真喷油嘴喷油规律和雾化效果；
S4、使用盖特曼函数表示盘形凸轮机构驱动柱塞腔的运动规律，模拟仿真高压油泵向高压公共油轨泵油规律；
S5、根据经典PID控制理论，构建减压阀理想PID计算公式，模拟仿真减压阀工作规律；
S6、根据高压共轨系统输入输出控制策略和部件配置情况，基于步骤S1至S5构建的简化高压共轨系统数学模型，对高压共轨系统内压力波动情况及反向影响进行仿真模拟，验证控制策略、和/或设计实际应用的高压共轨系统。
2.根据权利要求1所述的一种高压共轨系统仿真方法，其特征在于步骤S2具体包括以下步骤：
S21、基于欧拉法将高压公共油轨容积腔视为控制体，构建关于质量的输运方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中，CV为控制体，CS为控制体表面，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为油的密度，t为时间，CS1为t时刻控制体表面，CS2为t+∆t时刻的控制体表面，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为第n时间的瞬时流速，V为控制体体积，A为控制体横截面积；
S22、根据输运方程可知高压共轨系统高压油管内净流入的质量等于其内部质量的变化率，对于稳压的情况，将等式左侧视作零，将压强的变化转化成质量的变化，作为仿真压力计算的基础；
S23、根据输运方程可知高压公共油轨容积腔内压力的高低与密度大小密切相关，仿真环境中通过二项式曲线拟合得到弹性模量E关于压力P的函数关系，高压公共油轨容积腔内液体的状态方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，其中P为压力，E为弹性模量，
Figure 787380DEST_PATH_IMAGE004
为油的密度。
3.根据权利要求2所述的一种高压共轨系统仿真方法，其特征在于步骤S2具体还包括以下步骤：
S24、在步骤S23高压公共油轨容积腔内液体的状态方程基础上，进一步仿真简化高压共轨系统各个部件腔内液体的状态方程关系。
4.根据权利要求2所述的一种高压共轨系统仿真方法，其特征在于步骤S3具体还包括以下步骤
S31、构建常见喷油嘴针阀几何关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，其中𝜙为针阀密封座圆锥的半角，d𝑧为针阀直径，d𝑚为最下端喷孔的直径，h为针阀运动的高度，a为针阀下沿到针阀密封座侧壁的最短距离，c为沿针阀下沿到针阀密封座侧壁最短距离方向的针阀下沿到针阀中线的距离，r为沿针阀下沿到针阀密封座侧壁最短距离方向与针阀侧壁交点到针阀中线的半径距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为针阀与圆锥空间形成的扇形面积的顶角大小；
S32、令𝐴𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚为针阀圆锥座最下端喷孔的面积，S为针阀与圆锥空间形成的扇形面积，喷油面积S通过微元法积分得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
当针阀刚刚开启时，S小于最下端喷孔的面积，燃油喷出孔的有效截面积为S，随着针阀的开启，喷孔有效截面积变为最下端喷孔面积𝐴𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为针阀下沿半径与喷油所在位置处的针阀圆锥座的半径差；
S33、燃油从针阀喷孔进入高压油管的流量仿真为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，其中Q流过小孔的燃油流量，C为流量系数，A为喷孔的面积，ΔP为喷孔两边的压力差，ρ为高压侧燃油的密度；
S34、针阀运动高度h与时间t的关系实验测得，仿真环境中采取曲线拟合的方法，将面积S关于时间t的函数表达式S(t)代入流量计算公式得到喷油嘴的喷油流量关于时间的函数关系式𝑄(𝑡)，仿真得到𝑄(𝑡)与时间t的关系曲线-即仿真环境下针阀喷油速率。
5.根据权利要求4所述的一种高压共轨系统仿真方法，其特征在于步骤S4具体还包括以下步骤：
S41、盘形凸轮机构驱动柱塞腔的运动规律，相应的柱塞运动位移、速度及加速度函数如以下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，其中，x为柱塞运动的位移，v为柱塞运动的速度，a为柱塞运动的加速度，h为柱塞的行程，ω为凸轮转动的角速度，t为时间，kd为凸轮对应柱塞运动一个行程转动的角度，凸轮转动到上下止点位置时，𝛿𝑚𝑎𝑥为最大极径，𝛿𝑚𝑖𝑛为最小极径；
S42、柱塞腔在一个周期内向高压油管喷射的燃油总质量为低压燃油充满整个柱塞腔室的质量与高压燃油被挤压在残余容积里的质量之差；
S43、盘形凸轮机构通过控制凸轮转动角速度控制喷油的单位时间内向高压油管喷入的燃油质量。
6.根据权利要求5所述的一种高压共轨系统仿真方法，其特征在于步骤S42：取h=120mm，取ω=720°/s，取kd=180°。
7.根据权利要求5所述的一种高压共轨系统仿真方法，其特征在于步骤S5减压阀理想PID计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，其中，t为时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为PID控制过程的反馈量，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
控制过程的输出量，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为PID控制过程的输入量，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为反馈比例参量，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为反馈过程的积分调参量，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为反馈过程的微分调参量。
CN202211127041.8A 2022-09-16 2022-09-16 一种高压共轨系统仿真方法 Pending CN115559842A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211127041.8A CN115559842A (zh) 2022-09-16 2022-09-16 一种高压共轨系统仿真方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211127041.8A CN115559842A (zh) 2022-09-16 2022-09-16 一种高压共轨系统仿真方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115559842A true CN115559842A (zh) 2023-01-03

Family

ID=84740240

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211127041.8A Pending CN115559842A (zh) 2022-09-16 2022-09-16 一种高压共轨系统仿真方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115559842A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102192033A (zh) * 2011-04-19 2011-09-21 潍柴动力股份有限公司 用于控制柴油发动机的高压共轨系统的设备和方法
CN102562336A (zh) * 2012-02-01 2012-07-11 吉林大学 直喷汽油机共轨燃油系统的轨压控制方法
US20140041634A1 (en) * 2011-04-19 2014-02-13 Weichai Power Co., Ltd. Device and method for controlling high-pressure common-rail system of diesel engine
US20150106040A1 (en) * 2013-10-16 2015-04-16 Caterpillar Inc. Diagnosing fault in common rail fuel system
JP2016142226A (ja) * 2015-02-04 2016-08-08 株式会社デンソー 減圧弁制御装置
CN113236433A (zh) * 2021-06-15 2021-08-10 北京科技大学 一种高压油管的压力控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102192033A (zh) * 2011-04-19 2011-09-21 潍柴动力股份有限公司 用于控制柴油发动机的高压共轨系统的设备和方法
US20140041634A1 (en) * 2011-04-19 2014-02-13 Weichai Power Co., Ltd. Device and method for controlling high-pressure common-rail system of diesel engine
CN102562336A (zh) * 2012-02-01 2012-07-11 吉林大学 直喷汽油机共轨燃油系统的轨压控制方法
US20150106040A1 (en) * 2013-10-16 2015-04-16 Caterpillar Inc. Diagnosing fault in common rail fuel system
JP2016142226A (ja) * 2015-02-04 2016-08-08 株式会社デンソー 減圧弁制御装置
CN113236433A (zh) * 2021-06-15 2021-08-10 北京科技大学 一种高压油管的压力控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘全忠, 李小斌: "高等流体力学", 31 July 2017, 哈尔滨工业大学出版社, pages: 52 - 56 *
百度文库: "2019全国大学生数学建模竞赛A题目及优秀论文精选", pages 54 - 67, Retrieved from the Internet <URL:https://wenku.baidu.com/view/b55b58d430126edb6f1aff00bed5b9f3f80f7268?aggId=0176b6a2d9ef5ef7ba0d4a7302768e9951e76ee6&fr=catalogMain_text_ernie_recall_feed_index:wk_recommend_main_graph> *
郭培全;来小丽;周春梅;: "凸轮驱动高压柱塞水泵的仿真分析", 机械传动, no. 05, 15 May 2013 (2013-05-15), pages 90 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3972881B2 (ja) 内燃機関の燃料噴射制御装置
CN102562336B (zh) 直喷汽油机共轨燃油系统的轨压控制方法
US7021278B2 (en) Fuel injection system
Chen et al. Triple‐step method to design non‐linear controller for rail pressure of gasoline direct injection engines
Bianchi et al. Advanced modeling of common rail injector dynamics and comparison with experiments
US9664157B2 (en) Device and method for controlling high-pressure common-rail system of diesel engine
Chung et al. Modelling and injection rate estimation of common-rail injectors for direct-injection diesel engines
Liu et al. Modeling and control of the fuel injection system for rail pressure regulation in GDI engine
WO2016019240A1 (en) Method and apparatus for dynamic surface control of a piezoelectric fuel injector during rate shaping
Liu et al. Active disturbance rejection control of common rail pressure for gasoline direct injection engine
CN103092191A (zh) 轨压模拟值生成方法和应用轨压模拟值进行内燃机燃油系统故障诊断方法
CN115559842A (zh) 一种高压共轨系统仿真方法
Ouyang et al. Common rail fuel injection technology in diesel engines
Liu et al. Introduction to the benchmark challenge on common rail pressure control of gasoline direct injection engines
Gao et al. Control strategy based on flow conservation equation for high-pressure common rail system
Liu et al. Flatness-based feedforward and feedback control for fuel rail system of gasoline direct injection engine
JP2010048214A (ja) 燃料噴射制御装置
Kiijärvi Diesel fuel injection system simulation
Tomaselli et al. Common-rail pressure control using a model reference adaptive control approach
Ling et al. Research on ADRC based control algorithm of common rail pressure for diesel engines
Yuan et al. GPIO based sliding mode control for diesel engine high pressure common rail system
Du et al. Study on variable parameter linear active disturbance rejection control for GDI engine common rail pressure
CN112985530B (zh) 一种基于特征方程根轨迹的燃油计量装置设计参数调整方法
Zhang et al. The Pressure Control of High‐Pressure Tubing Based on Difference Equation
Xu et al. Research on Pressure Stability Control of High-pressure Common Rail System Based on Differential Equation Optimization Model

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination