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高压燃油系统的最优控制方案

发布时间:2021-08-27 人气:

作者姓名:姚佩玲 兰咏琪 梁

文章字数:2445

发表期数:天府数学2019年4期

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天府数学2019年4期

本文网址:tfsx20190414

  摘要:本文基于高压燃油系统和经典流体力学的理论,研究不同条件下单向阀开启时长、凸轮角速度问题以及高压共轨管系统的工作策略和控制方案。首先对高压燃油系统工作原理进行分析,在确定高压油管内压力的影响因素后,通过一维不稳定流动方程并计入摩擦阻力的影响建立单向阀开启时长模型。拟合出燃油在高压油管中与摩擦阻力有关的压降值,再利用其周期性变化特点,创建与摩擦有关的流量差公式,通过对公式的求解,得到单向阀每次开启0.299s,可以使管内压力维持在IOOMPa左右。再增加新的单向阀流量公式,利用迭代法,以及JAVA程序编程,得到分别经过约2s、5s和10s的调整过程后稳定在150MPa,单向阀应开启的时长为0.726ms、0.694ms、0.645ms,同时在第2s,5s,lOs的调整后,单向阀的开启时间恢复为0.7lms。随后在单向阀开启时长模型的基础上,增加燃油在高压油泵的连续方程,同时以针阀控制喷油嘴代替原喷油嘴,给出新的喷油嘴流量变化方程,建立以这两个方程为边界条件的凸轮角速度优化模型。在给出高压油泵压力与凸轮角速度的关系式前提下,利用差分法对在给定初始条件下的高压油泵常微分方程进行数值求解,在求解问题一模型的方法下,求解出使油管内压力稳定在IOOMPa的凸轮角速度为22rad/s。
  关键词:喷油系统;压力波动;一维不稳定流动方程;迭代法
  1引言
  随着全球燃油资源以及日益严重的环境污染问题,各国对于更加严格的环境保护法,这对于燃油装置的性能要求也越来越高。在此背景下,各种燃油装置也应运而生。而燃油装置的核心就是燃油系统,但燃油系统的供油量、喷油量控制精度困难,供油时间以及喷油时间定时困难。而对喷油时间的控制不仅可以提高燃油装置的效率,减少资源消耗,对于环境保护具有重大意义。因此,控制供油时间是一个亟待解决的问题。在此,本文也给出了不同条件下高压燃油系统的控制方案。
  2模型假设
  1)不考虑高压油管内部柴油残留;
  2)不考虑高压油管的弹性变形;
  3)不考虑温度对整个过程的影响;
  4)不考虑单向阀和针阀所受到的摩擦阻力;
  5)不考虑燃油在单向阀口与喷油嘴接口处的燃油损失;
  6)不考虑高压燃油系统燃油系统泄露问题。
  3模型的建立与求解
  3.1单向阀开启时长模型的建立
  供油入口A处小孔由单向阀开关控制,且每打开一次就要关闭lOms,则假设单向阀每间隔10ms打开T(ms),同时喷油嘴B处每间隔lOOms工作2.4ms,则我们可以认为单向阀控制的供油过程、喷油嘴控制的喷油过程是自动的。故我们只考虑燃油在高压油管内部的变化情况。
  燃油的压力变化量与密度变化量成正比,根据附件3的数据,通过matlab编程,我们可以得到压力与密度的关系图,如图l。
  由于燃油具有粘性,且高压油管的内径较小,同时其在高压油管内流速很大,则无法忽略其摩擦阻力的影响。如果要将高压油管内的压力稳定100MPa左右,则其内部的物理状态基本没有发生变化。
  在计人摩擦阻力的前提下,我们建立燃油在高压油管内部的质量及动量守恒方程:
  其中ρ为燃油密度,u为燃油在高压油管内的流速,P为高压油管内部的压力,f为摩擦系数,z为距离坐标,t为时间坐标[1]。
  1)燃油在高压油管中流动时是一个连续的过程,所以高压油管内的压力会随时间不断发生变化,则油管中压力变化的连续方程
  其中d为高压油管的内直径,L为高压油管的内腔长度[2]。
  3.2单向阀开启时长模型的求解
  1)对于确定合适的单向阀开启时长,以稳定高压油管内的压强变化,我们认为高压油管的压强与燃油密度、燃油流速以及管内壁摩擦力有关,而燃油密度与管内燃油的流量差有关,因为管内初始压强为IOOMPA,而喷油嘴B每秒喷出的燃油是固定的,所以我们设置1秒为一个周期,同时控制管内燃油流量差的大小,让高压油管的压力维持在IOOMPA左右。我们可以得到在一个周期内只与管内流量差有关的压力平衡方程
  Qin=Qout
  (6)
  由于燃油流速与管内摩擦阻力对于压力的影响较大,但是其影响值计算较为复杂,所以我们查阅相关文献与数据后,通过拟合曲线(如图2),可以得到一个针对本题材料属性的在燃油流量为每秒440立方米时,沿程阻力压降值为4.126MPA[3]。
  在计人沿程阻力压降值后,我们得到在一个周期内新的压力平衡方程
  Qin=Qout+Qf
  (7)
  代入具体数据,通过对该新压力平衡方程的求解,我们得出单向阀每次需开启0.299ms,可以使高压油管内部压力尽可以维持在100MPA左右。
  2)对于第二小问,需要调整单向阀开启时间使高压油管在不同时间内达到150MPA并趋于稳定。因为高压油管从IOOMPA到150MPA变化期间,其单向阀流量随压强在不断变化,无法直接求得在不同时间内单向阀的开启时长,所以我们在第一小问的基础上以lOOms为一个周期,利用迭代法,增加新的單向阀流量计算公式
  其中T为单向阀开启时长,n=20,50,100,燃油密度Pi与管内压力Pi+1存在一定关系。
  通过JAVA编程,可得分别经过约2s、5s和10s的调整过程后稳定在150MPa,单向阀应开启的时长为0.726s、0.694s、0.645s,同时在第2s,5s,lOs的调整后,单向阀的开启时间恢复为0.71ms。
  3.3凸轮角速度选取模型的建立
  高压油泵的工作过程:凸轮旋转驱动柱塞腔内的柱塞上下运动,来改变压力,控制单向阀的开启。

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