船用高压共轨柴油机共轨系统建模与仿真研究

论文摘要

高压共轨柴油机作为当今最具有发展潜力的柴油机,它不但能实现柴油机喷油正时和排气正时的精确控制,而且还可以实现喷油压力与柴油机的转速完全分开,保证柴油机在任何工况下都能达到最佳的喷射压力,在不失柴油机动力性的基础上降低排放,顺应全球对节能减排的要求。目前国内研究所、高校和大型柴油机生产商对车用柴油机的研发已经比较深入,但是对船用大型低速高压共轨柴油机的研究仍处于起步阶段。在对车用和船用大型低速高压共轨柴油机的发展现状进行对比分析后,以瓦锡兰公司生产的船用大型低速二冲程高压共轨柴油机7RT-flex60C为对象展开研究工作。首先,根据其共轨系统的特点分别从燃油共轨系统、伺服油共轨系统、控制油共轨系统和WECS-9500控制系统等分别介绍各系统的主要设备和工作原理。其次,以流体力学中的连续性方程和运动方程为理论依据,结合控制逻辑按照模块化建模的思想分别建立燃油共轨和伺服油共轨的物理简化模型和数学模型。在对燃油共轨系统建模时,充分考虑燃油压力变化对其密度、弹性模量和运动粘度的影响。最后,对所建模型进行数值计算求解,在求解过程中分析了采用特征线法存在的困难,选择经验公式法求解数学模型得到了满意的数值计算结果。运用MATLAB/Simulink工具箱建立共轨系统的仿真模型。利用仿真模型,分别对高压油泵凸轮的升程及柱塞腔压力、中间储油器与燃油共轨管压力及流量、ICU流量控制活塞的位移与前腔压力、喷油器针阀的升程、伺服油泵柱塞的位移及柱塞腔压力、收集器与伺服油共轨管压力、VCU控制活塞位移与前腔压力、排气阀位移进行了模拟。用仿真得到的喷油量与实验测得的喷油量进行对比,验证了仿真程序的正确性。之后通过对比不同参数对系统性能的影响获得了一些结论,经分析判断,数值结果与实际系统的特性基本一致。为国内对船用大型低速二冲程高压共轨系统的研发提供了参考和指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 车用电控柴油机
• 1.2.1 车用电控柴油机的发展历程
• 1.2.2 车用电控柴油机的研究现状
• 1.3 船用智能柴油机的发展现状
• 1.4 柴油机计算机仿真技术的发展
• 1.4.1 燃油系统仿真发展现状
• 1.4.2 伺服油系统仿真发展现状
• 1.4.3 主要的模拟计算方法及其特点
• 1.5 论文的主要工作
• 第2章 7RT-flex60C共轨系统的组成和工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 燃油共轨系统的组成部件和工作原理
• 2.2.1 高压油泵
• 2.2.2 中间储油器
• 2.2.3 燃油共轨管
• 2.2.4 喷油器
• 2.3 伺服油共轨系统的组成部件和工作原理
• 2.3.1 伺服油泵
• 2.3.2 伺服油共轨管
• 2.3.3 排气阀
• 2.4 控制油系统的组成和工作原理
• 2.4.1 控制油泵
• 2.4.2 控制油共轨管
• 2.5 WECS-9500控制系统
• 2.5.1 MCM控制功能
• 2.5.2 CCM控制功能
• 2.5.3 共轨电磁阀
• 2.5.4 喷射控制单元
• 2.5.5 排气控制单元
• 2.6 其它辅助设备
• 2.6.1 转速控制器
• 2.6.2 曲柄转角监测
• 第3章 7RT-flex60C型柴油机高压共轨系统仿真模型
• 3.1 引言
• 3.1.1 特征线法进行数值求解
• 3.1.2 经验公式法求解
• 3.2 共轨系统各组成部分的数学模型
• 3.2.1 燃油共轨系统各组成部分的数学模型
• 3.2.2 伺服油共轨系统各组成部分的数学模型
• 3.3 共轨系统的边界条件及相关参数初始化
• 第4章 7RT-flex60C高压共轨柴油机仿真程序设计
• 4.1 共轨系统仿真软件介绍
• 4.1.1 MATLAB简介
• 4.1.2 Simulink简介
• 4.2 共轨系统仿真程序设计
• 4.2.1 共轨系统仿真框图设计
• 4.2.2 仿真步骤
• 第5章 7RT-flex60C型柴油机仿真结果分析
• 5.1 燃油共轨系统仿真结果分析
• 5.1.1 高压油泵仿真
• 5.1.2 中间储油器与共轨管仿真
• 5.1.3 ICU控制单元仿真
• 5.1.4 喷油器仿真
• 5.2 伺服油共轨系统仿真结果分析
• 5.2.1 伺服油泵仿真
• 5.2.2 收集器与共轨管仿真
• 5.2.3 VCU与排气阀仿真
• 5.3 共轨系统各参数对系统的影响
• 5.3.1 供油泵转速对供油率的影响
• 5.3.2 压力缓冲器容积对其压力稳定性的影响
• 5.3.3 不同柴油机负荷对喷油器和排气阀的影响
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历