王正宇, 張丹瑞, 楊 明
(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與國(guó)家安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200135)
能源儲(chǔ)量的不斷下降及環(huán)境保護(hù)相關(guān)法規(guī)的日益嚴(yán)格,對(duì)船用柴油機(jī)的性能提出了更高的要求,傳統(tǒng)的機(jī)械液壓控制型柴油機(jī)較難滿足目前的要求,船舶行業(yè)對(duì)優(yōu)秀性能的柴油機(jī)需求日益增加,更智能化的電控型柴油機(jī)已成為船用柴油機(jī)的發(fā)展方向[1]。電控型柴油機(jī)的電控系統(tǒng)由啟動(dòng)空氣系統(tǒng)、伺服油系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)等組成。其中,排氣系統(tǒng)主要控制排氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉,保證燃燒過(guò)程順利進(jìn)行,它由電控單元通過(guò)電-液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可變排氣正時(shí)的柔性電子控制,優(yōu)化了柴油機(jī)的全工況性能,降低了有害氣體的排放,提高了柴油機(jī)的可靠性[2]。排氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉運(yùn)動(dòng)過(guò)程受到伺服油軌壓、柴油機(jī)負(fù)荷、掃氣壓力、燃燒狀況及主機(jī)轉(zhuǎn)速等因素的影響。柴油機(jī)主電控單元根據(jù)工況確定排氣閥開(kāi)啟及關(guān)閉角度的設(shè)定值,依靠測(cè)量得到的排氣閥升程曲線計(jì)算排氣閥開(kāi)啟及關(guān)閉的角度,根據(jù)設(shè)定值和計(jì)算值之間的差值來(lái)調(diào)整控制信號(hào)的相位,對(duì)排氣閥開(kāi)啟及關(guān)閉正時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制,確保排氣閥在指定角度啟閉[3]。因此,以柴油機(jī)排氣閥為模型,以排氣閥運(yùn)動(dòng)物理過(guò)程為對(duì)象,在固定打開(kāi)和關(guān)閉角度的前提下,分析在不同軌壓下排氣閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真曲線,得出軌壓與排氣閥運(yùn)行的關(guān)系,對(duì)以后研究排氣閥控制具有重要意義。
電控排氣系統(tǒng)由控制器、伺服油高壓油軌、伺服油泵、排氣閥、排氣控制閥(液壓控制兩位三通方向控制閥)、排氣共軌電磁閥、曲軸角度傳感器、排氣閥位置傳感器及空氣彈簧等組成。
排氣閥控制原理見(jiàn)圖1,圖1中所有控制元件在關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)排氣共軌電磁閥通電打開(kāi)時(shí),等候在該閥的高壓伺服油通過(guò)此閥送至排氣控制閥,使排氣控制閥打開(kāi),也使等候在該閥的高壓伺服油送至驅(qū)動(dòng)閥,使該閥驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)上升,將油腔內(nèi)原儲(chǔ)存的低壓油壓力升高后,送至排氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)使排氣閥打開(kāi)。當(dāng)排氣共軌電磁閥斷電關(guān)閉時(shí),排氣閥靠空氣彈簧進(jìn)行復(fù)位。同時(shí),排氣閥上用一個(gè)位置傳感器來(lái)檢測(cè)排氣閥的動(dòng)作和位移,反映機(jī)械和液壓的延遲。
圖1 排氣閥控制原理圖
鑒于柴油機(jī)整機(jī)的復(fù)雜性和多樣性,只選取排氣閥的運(yùn)動(dòng)過(guò)程作為研究對(duì)象,根據(jù)所述排氣閥運(yùn)動(dòng)的原理,提取排氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程的方程。
2.1.1排氣閥開(kāi)啟過(guò)程方程
控制活塞芯的運(yùn)動(dòng)方程為
(1)
式(1)中:P為共軌壓力;Ap為控制活塞芯的面積;Pp為控制活塞芯上方的壓力;Mp為控制活塞芯的質(zhì)量;f為摩擦阻尼系數(shù);Xp為控制活塞芯的位移。
排氣閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為
(2)
式(2)中:Av為排氣閥芯上方的面積;Pa為空氣彈簧的壓力;Aa為排氣閥下方與空氣彈簧接觸的閥芯的面積;Xv為排氣閥芯的位移;Mv為排氣閥的質(zhì)量。
因?yàn)榭刂苹钊c排氣活塞是用油管連接的,根據(jù)兩端連續(xù)的方程可得[4]
XpAp=XvAv
(3)
聯(lián)立式(1)、式(2)及式(3)可得
(4)
2.1.2排氣閥關(guān)閉過(guò)程方程
控制活塞芯的運(yùn)動(dòng)方程為
(5)
排氣閥芯的運(yùn)動(dòng)方程
(6)
同排氣閥開(kāi)啟過(guò)程一致,由連續(xù)性狀態(tài)方程XpAp=XvAv代入,可得排氣閥工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程為
(7)
由于關(guān)閉過(guò)程中的位移Xv與開(kāi)啟過(guò)程中是相反的,列公式的時(shí)候與設(shè)定的開(kāi)啟過(guò)程相反,設(shè)排氣閥開(kāi)啟過(guò)程的方向?yàn)檎?,則式(7)可改為
(8)
式(8)為排氣閥關(guān)閉過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程,該排氣閥的關(guān)閉方程與開(kāi)啟的運(yùn)動(dòng)方程形式相同,唯一不同的是軌壓P變?yōu)镻*。在理想的狀態(tài)下,假定空氣彈簧里的空氣不泄漏也不補(bǔ)充,且溫度保持不變,將氣體看成理想氣體,故可由理想氣體狀態(tài)方程得
PaV=mRTV=Aa(l-Xv)
(9)
(10)
實(shí)際仿真柴油機(jī)型號(hào)為HHM 34,柴油機(jī)工況復(fù)雜,影響排氣閥實(shí)際運(yùn)動(dòng)的因素很多,測(cè)得柴油機(jī)排氣閥部件活塞直徑30 mm,活塞質(zhì)量0.257 kg,活塞上方油壓為50~60 bar,閥桿上方面積20 647.33 mm2,空氣彈簧的接觸面積為3 769.91 mm2,閥桿質(zhì)量為12.722 kg,最大位移為50 mm,摩擦阻尼系數(shù)未知。在此假定摩擦阻尼系數(shù)為0.05。根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況,給定兩組不同軌壓300 bar和200 bar。在MATLAB/Simulink的基礎(chǔ)上通過(guò)狀態(tài)流程和事件驅(qū)動(dòng)對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真[5]。運(yùn)用Stateflow將圖形表示和表格表示(包括狀態(tài)流程圖、流程圖、狀態(tài)裝換表和真值表)結(jié)合,系統(tǒng)對(duì)事件、基于時(shí)間的條件及外部輸入信號(hào)的反應(yīng)方式進(jìn)行建模(見(jiàn)圖2)。
圖2 排氣閥仿真模型
對(duì)柴油機(jī)排氣閥模型開(kāi)啟、關(guān)閉運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真,給定的過(guò)程始終在0°~360°,時(shí)間在2 s內(nèi),將排氣閥的開(kāi)閉過(guò)程通過(guò)stateflow狀態(tài)機(jī)分成開(kāi)與關(guān)兩個(gè)狀態(tài),打開(kāi)過(guò)程在140°~210°。在打開(kāi)過(guò)程中,經(jīng)過(guò)狀態(tài)函數(shù)作用,產(chǎn)生排氣閥打開(kāi)曲線,當(dāng)排氣閥位移達(dá)到最大值時(shí),排氣閥保持開(kāi)啟狀態(tài)一段時(shí)間(見(jiàn)圖3)。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角>210°時(shí),使排氣閥關(guān)閉產(chǎn)生排氣閥關(guān)閉曲線,排氣閥在完全開(kāi)啟的狀態(tài)立即進(jìn)行關(guān)閉動(dòng)作(見(jiàn)圖4)。由圖3和圖4可知,在不考慮其他因素的情況下,伺服油壓力大時(shí),排氣閥的升程曲線較陡一點(diǎn),即排氣閥在伺服油壓力大(300 bar)時(shí)先于伺服油壓力小(200 bar)時(shí)完全打開(kāi),伺服油壓力大時(shí)先于伺服油壓力小時(shí)完全關(guān)閉。
考慮到排氣閥動(dòng)作不僅受伺服油壓力的影響,且排氣系統(tǒng)執(zhí)行器的動(dòng)作存在延遲,并且每一次啟閉的延遲時(shí)間不是完全相同的。通過(guò)位移傳感器計(jì)算排氣閥的啟閉延遲時(shí)間,上一次啟閉的延遲被應(yīng)用到下一次排氣閥正時(shí)控制中。控制流程主要分為以下7步:
(1) 根據(jù)測(cè)量的曲軸角度、基本開(kāi)啟角度,發(fā)出排氣閥開(kāi)啟命令;
(2) 共軌閥的開(kāi)啟觸發(fā);
(3) 測(cè)量開(kāi)啟延遲時(shí)間;
(4) 根據(jù)測(cè)量的曲軸角度、基本關(guān)閉角度,發(fā)出排氣閥關(guān)閉命令;
(5) 共軌閥的關(guān)閉觸發(fā);
(6) 測(cè)量關(guān)閉延遲時(shí)間;
(7) 在曲軸旋轉(zhuǎn)一周后,下一個(gè)循環(huán)的正時(shí)依據(jù)上一次的延遲時(shí)間進(jìn)行修正。
圖3 排氣閥打開(kāi)過(guò)程曲線
圖4 排氣閥關(guān)閉過(guò)程曲線
傳統(tǒng)柴油機(jī)的凸輪正時(shí)方式中,排氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉由凸輪控制,在任意工況下啟閉角度都設(shè)置為額定工況的目標(biāo)值,所以它只能在額定工況下實(shí)現(xiàn)排氣系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。而電控型柴油機(jī)的排氣系統(tǒng)取消了凸輪機(jī)構(gòu),以電子控制單元進(jìn)行代替,取消凸輪正時(shí)方式,用靈活的電控方式進(jìn)行代替,實(shí)現(xiàn)在各種工況下排氣系統(tǒng)性能的最優(yōu)化,達(dá)到柴油機(jī)節(jié)能減排的目標(biāo)。仿真反應(yīng)了排氣閥開(kāi)啟關(guān)閉的狀態(tài)過(guò)程,分析了不同軌壓下排氣閥升程的位移曲線,為以后進(jìn)行排氣閥升程曲線測(cè)量、進(jìn)行排氣閥正時(shí)控制策略及分析排氣閥電液部分的延遲打下了基礎(chǔ),具有重要的參考作用。