基于SimulationX的船用高压共轨燃油系统仿真

屠星星，王俊雄，黄丹清，张和牧，银海中

(1.上海交通大学 动力装置及自动化研究所，上海200030;2.中船动力研究院有限公司，上海200129)

0 引 言

对物理系统建模主要有2 种方法:基于数学关系的建模和基于物理对象的建模。前者需对物理部件蕴含的数学关系十分清楚，通过编程或利用Simulink 之类软件的基本数学模块搭建模型，往往简单的物理系统需要庞大的数学模型来表征。后者将物理系统分解成工程系统的各种最小要素，这些要素可由专门的建模软件提供，用户即便在不了解内在数学关系的情况下，也能够根据物理结构用最小要素搭建系统模型，不但搭建过程简便快捷，而且系统模型比数学模型简洁的多，很适合复杂、庞大物理系统的建模。

SimulationX 是一种可以基于物理对象建模的软件。它是一款多学科领域建模、仿真和分析工具，在汽车、航空航天、船舶等工业领域有着许多成功案例［1］。本文以瓦锡兰RT－flex48 柴油机高压共轨燃油系统为研究对象，用SimulationX 对其建模仿真，根据仿真结果对进油量、轨压波动和喷油率等进行分析。

1 燃油系统建模

1.1 SimulationX 基本要素分析

液压系统基本元件主要有阻性元件、容性元件和感性元件3 类。在SimulaitionX 中，阻性元件有节流孔、单向阀等;容性元件有容积、活塞腔等;感性元件主要是管路。

对于节流孔，数学关系可表示为

式中:Q，Cq和A 分别为节流孔的流量、流量系数和流通面积;ΔP 为节流孔两端压差;ρ 为流体密度。

容性元件基于连续性方程［2］

对于管路模型，主要基于以下公式

式中:ΔPAB为管路两端压差;ΔPvisc，ΔPaccel和ΔPhydrost是因摩擦、流体惯性及重力引起的压力降。

1.2 SimulationX 模型搭建

RT－flex48 机高压共轨燃油系统主要由高压油泵、燃油共轨管、喷油控制单元(ICU)和喷油器组成［3］。

图1 高压共轨燃油系统原理图Fig.1 Common rail fuel system schematic diagram

RT－flex48 机的高压油泵是机带单体柱塞泵。柱塞上部开有斜槽，柱塞下行到某一位置，斜槽与进油口对上，燃油进入柱塞腔;柱塞上行，斜槽与进油口分离后，进油口关闭［4］。柱塞旋转之后，斜槽与进油口对接的流通面积也会被改变。油泵执行器控制油泵齿条位移，油泵齿条拉动柱塞旋转，从而控制油泵进油量，即控制了高压油泵泵入共轨管的油量。

图2 高压油泵及燃油共轨管结构Fig.2 The structure of the pump and common rail

图2 中，进油口和节流孔是阻性元件类的节流孔，油泵出油单向阀和共轨进油单向阀是阻性元件类的单向阀，柱塞腔和缓冲腔是容性元件类的活塞腔和容积。高压燃油输送管和燃油共轨管是感性元件类的管路。共轨管要给6个喷油控制单元供油，所以共轨管需分解成7 段管路。

图3 泵和共轨管的SimulationX 模型Fig.3 The SimulationX model of the pump and common rail

同理可建喷油控制单元的SimulationX 模型。高压燃油管将燃油输送到盛油槽，盛油槽油压升高，推动针阀往上运动，因此盛油槽内燃油进入喷油嘴，开始喷射。达到喷射时间长度后，不再有燃油进入盛油槽，盛油槽油压下降，针阀落座，喷油结束［5］。

图4 喷油器结构Fig.4 The structure of the injector

图4 中，进油通道、回油槽、回油通道及喷孔是阻性元件类的节流孔，盛油槽、喷油嘴以及另外2个液压腔和是容性元件类的活塞腔，顶杆及针阀是质量元件，针阀座可由座阀搭建。

图5 喷油器的SimulationX 模型Fig.5 The SimulationX model of the injector

2 仿真结果分析

本次仿真，燃油采用380 号重油，最大凸轮转速为838 rpm，最大油泵齿条位移为31 mm。

2.1 齿条位移及凸轮转速对进油量的影响

图6所示为最大油泵齿条位移下，100%、70%和40%转速对应的进油口流量。转速虽然不同，但进油口流量的峰值相同。转速越大，2 次进油之间时间间隔越小，进油频率越高;转速越小，进油口流量持续时间越长。40%转速时，进油口流量出现负值，说明柱塞腔已经完全进满燃油，并且有燃油被压出，进油口同时也起到了回油作用。因此，凸轮转速决定了进油持续时间和进油频率。

图6 不同转速下进油口流量Fig.6 The flow rate of the oil inlet at different speeds

图7所示为100% 转速下，最大齿条位移、70%齿条位移及40%齿条位移对应的进油口流量。虽然齿条位移不同，但流通时间相同。随着齿条位移的减小，流量峰值减小，而且峰值位置偏离流量曲线的中心，齿条位移越小，峰值位置偏离越大。因此，齿条位移决定进油流量峰值。

图7 不同齿条位移下进油口流量Fig.7 The flow rate of the oil inlet at different rack displacements

2.2 轨压波动分析

图8 是共轨管左右两端的油压。左右两端油压不同，说明沿着管方向轨压不一样。在高压油泵给共轨管供油时，左端轨压滞后于右端轨压，滞后时间约为4 ms，共轨压力波传递效果明显;其他时刻，压力波也在传递，只是左右段轨压滞后时间变化。共轨管内存在明显的压力波传递。

图8 共轨管左右两端油压Fig.8 The rail pressure at the left and right sides

面向数学关系的燃油系统建模，往往将共轨管简化成一个具有单一压力的容积，未考虑管内因燃油惯性引起的压力波传递。图9 是容积模型轨压以及本文管路模型轨压(取右端压力)。

容积模型轨压变化平稳，波动频率小。管路模型考虑了压力波传递，更接近真实情况:不仅供油和喷油阶段会产生压力波动，其他时刻压力也不稳定，因压力波传递也存在明显的波动。一次供油或喷油导致的最大压力波动约为30 bar，其他时刻因压力波传递导致的最大压力波动约为20 bar，达到供喷油最大压力波动的70%。压力波传递使得轨压波动频率更高，振幅更大，这种影响不可忽视。

图9 两种模型轨压对比Fig.9 The comparison of rail pressure from two models

容积模型弱化了共轨管的轨压波动，基于容积模型的轨压控制策略在调控实际系统轨压时，存在较大风险，不易达到理想的稳压效果。所以，以研究控制策略为目的的燃油系统建模，考虑共轨管压力波传递很有必要。

2.3 轨压对喷油的影响

喷油量取决于喷射时间及喷射压力。对于一个既定的燃油系统，喷射压力取决于轨压。因此轨压对喷油速率和喷油量有着较大影响。

图10所示为喷射等量燃油900 bar、700 bar和500 bar 轨压对应的喷油速率曲线。轨压越高，喷油速率峰值越大，喷油持续时间越短。

图10 不同轨压下喷油速率Fig.10 The injection rate under different pressure

轨压变高，燃油的喷射压力也随之变高，因此燃油的雾化质量更好。随着轨压的提高，喷孔流量峰值明显提高，喷射时间明显缩短，燃油更快速地喷入气缸，并且在急燃期内快速燃烧。更好的雾化质量和快速燃烧使得缸内爆压和最高温度变高，因此同样的喷油量能够做更多的功，柴油机的经济性能更好。

不过随着爆压的升高，零部件受到强烈冲击，柴油机运转粗暴，振动加强，影响柴油机寿命［6］。

3 结 语

1)凸轮转速越大，进油持续时间越短，进油频率越高;油泵齿条位移越大，进油流量峰值越大，通过调节油泵齿条位移控制进油量达到稳定轨压的目的。

2)共轨管内存在明显的压力波传递。压力波传递使得轨压波动频率更高，振幅更大。以研究控制策略为目的的燃油系统建模，有必要考虑共轨管内的压力波传递。

3)轨压越高，喷油速率峰值越大，雾化质量越好，燃油进入气缸快速燃烧，柴油机做功效率更高，经济性能更好，但运转粗暴，影响寿命。

［1］刘宝生.SimulationX 多学科建模和仿真工具［J］.CAD/CAM 与制造业信息化，2009(9):34－36.LIU Bao-sheng.SimulationX－ A multidisciplinary tool os modeling and simulating ［J］.Digital Manufacturing Industry，2009(9):34－36.

［2］陈卓如.工程流体力学［M］.北京:高等教育出版社，1992:101－106.

［3］BRUNNER H，BETSCHART M，FRANKHAUSER S.Common-rail wartsila two-stroke engines in practice［C］//CIMAC，2007.

［4］李晓波.史镜海.柴油机高压共轨式燃油喷射系统的仿真研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2008，29(5):465－468.LI Xiao-bo，SHI Jing-hai.Simulating the high-pressure common-rail fuel injection system of diesel engines［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，29(5):465－468.

［5］李斯钦.船用电控柴油机燃油共轨系统建模与仿真研究［D］.厦门:集美大学，2011.

［6］潘军如，施祥.轨压对高压共轨发动机性能的仿真与试验［J］.内燃机与动力装置，2011(2):1－3，24.PAN Jun-ru，SHI Xiang.The simulation and experiment of rail pressure on performance of high pressure common rail engine［J］.I.C.E＆Powerplant，2011(2):1－3，24.