电控柴油机..

电控柴油机概述
引言
柴油机是热效率最高且在工农业、交通运输乃至国防领域内应用得最为广泛的热力发动机。

因此，柴油机工业的发展，对社会经济建设及国防建设均有重要意义燃料供给系统是柴油机中最为重要也是最为精密的部件之一，被称为柴油机的“心脏”。

柴油机的技术进步在很大程度上归功于燃料供给系统的发展。

传统的机械燃油系统难以保证与柴油机在各工况下的精确合理匹配。

为了满足日益严格的排放要求和提高发动机燃油经济性，国内柴油机燃料供给系统正不断向电控方向发展。

随着电子技术的迅猛发展，单片机在船舶柴油机动力控制以及检测领域的应用越来越广泛。

基于提高动力装置的经济性、动力性，实现适时调节控制的需求，电控柴油机已成为船舶柴油机领域的重点发展方向。

所谓电控型柴油机也称为智能型柴油机，即将电子设备及软件应用于船用柴油机并成为其基本组成部分的一种新型柴油机，电控柴油机与传统柴油机的主要区别表现在燃油喷射系统和控制技术上。

1.电控系统基本组成和控制方式
电控系统主要由传感器、电控单元（电控模块）、执行器（电控喷油器、操纵油门等）及显示仪表4部分组成，传感器向电控单元（模块）提供反映柴油机自身状态和环境条件的参数信号（负荷、转速、冷却液温度、环境温度、大气压力等），电控单元将上述信息处理后，判断发动机所处的工况，根据储存的发动机调控参数、状态目标数据等资料，采取一定的控制策略决策并生成最佳运行指令，执行器按电控单元的指令实现被控对象的控制( 如图1)[1]。

图1电控系统组成
1 . 1 控制内容和方法
1 . 1 . 1 燃油控制
对柴油机燃烧的控制，是对喷油量、喷油定时、喷油速率和喷油压力等主要参数的控制。

控制方式经历了位置控制和时间控制2个阶段，控制内容也从供（喷）油量、供（喷）油定时逐步扩展到供（喷）油速率、喷油压力。

按产生高压燃油的执行装置分，有传统的泵—管—嘴系统、泵喷嘴系统和高压共轨系统等。

高压共轨系统是在高压泵与各缸控制喷油电磁阀之间设有蓄压油轨，从而使喷油压力的产生与油泵泵油互不关联。

它使喷油过程中喷油压力近乎恒定，毋需在每次
喷油时建立压力，同时具备喷油压力闭环控制，可实现高精度的高压喷射，并可灵活地预喷射和多级喷射。

由于其独特的性能，现已成为电控柴油机的最常用的喷油系统。

a )供（喷)油量控制在位置控制系统中，电控单元以转速和负荷（油门手柄或加速踏板位置) 信号为主控信号，确定基本供油量，再根据进气压力、进气温度、冷却液温度等信号以及油量分配泵或柱塞泵位置传感器提供实际位置的反馈信号进行修正，来提供最佳喷油量。

在时间控制系统中，电控单元须确定控制溢油通路的高速电磁阀或喷油器高速电磁阀针阀开启的持续时间，即喷油量。

在共轨系统中，电控单元根据该工况下喷油量设定值和测得的油轨压力，确定喷油器高速电磁阀相应激励时间（即脉冲宽度），提供基本喷油量。

b )供( 喷) 油定时控制在位置控制系统中，电控单元以转速和负荷信号为主控信号，确定基本供油定时，再根据进气压力、温度、冷却液温度等信号进行修正，并参考提前器活塞位置传感器或喷油器针阀升程传感器提供的信号对分配泵液压提前器活塞位置（即供油定时）进行反馈修正。

在时间控制系统中, 电控单元须确定溢油通路高速电磁阀的开启时刻或控制喷油器电磁阀针阀的开启时刻，即供（喷）油定时, 在提供电磁阀开启（或关闭）点检测信号时，还须进行反馈修正，最后确定供（喷）油定时。

在共轨系统中，电控单元还必须从曲轴（或凸轮轴）转角位置传感器获得信号，确保各缸喷油压力按发动机规定的发火顺序喷油。

c )喷油压力控制在高压共轨系统中，高压供油泵、油压传感器和电控单元形成油压控制的闭环系统，电控单元根据转速和负荷设定的喷油量，通过预定压力，以传感器测得的实际压力为反馈信号，来确定高压供油泵所产生的系统压力偏差，控制泵内电磁阀，改变油的流通面积，从而改变燃油供应量，使之偏差在规定范围内[2]。

d )喷油速率控制在时间控制的分配泵，泵喷嘴和单体泵系统中，电控单元选择不同速度的凸轮工作段作为电磁阀的关闭时间，改变供油速率，在位置控制柱塞式合成泵系统中，通过改变柱塞上滑套的位移或预行程（供油起始点）来改变供油速率。

为降低NOx的排放量，通常采用延迟喷油的办法，但这样做会增加固体颗粒的排放。

因此，在电控发动机上，通常采用在主喷射前进行少量预喷射的办法来消除它。

这样，不仅可以在不增加颗粒排放的情况下减少NOx的排放量，而且有利于降低燃烧噪声。

在时间控制的分配泵、泵喷嘴、单体泵和共轨系统中，电控单元通过对电磁阀或喷油器电磁阀针阀运动的控制，可实现对预喷射或多级喷射的控制。

1．1．2 怠速控制
怠速状态是柴油机的常用工况之一，该状态也是排放比较恶劣的状态。

电控发动机的电控单元根据工作时的有关信号对各缸的均匀性( 即各缸喷油量偏差)、进气量等进行综合控制，有效解决了怠速的振动、噪声及排放问题。

1．2 电控系统组成
1.2.1 传感器
传感器是电控系统中的重要组成部分，它们可以把物理参量、电量、磁量和化学量等信息转换成电控单元可识别的信号。

按其作用不同，传感器可分为4类，即，一类用于对主控信号的检测（如，空气流量、发动机转速等），以确定控制目标的基本量；一类用于对环境状态的检测（如环境温度、气压等），以确定修正量；一类用于对控制对象状态检测，以确定反馈量；一类用于对操作者操作情况进行判断，以提供相应的开关信号。

柴油机电控系统的传感器是在内燃机特有的高温、高振动、高冲击、油污、灰尘、电磁干扰等恶劣环境中工作的，因此，其技术指标的安全性、可靠性均有非常高的要求。

一般来说，电控柴油机有以下传感器。

a )正时和同步传感器这 2 种传感器用来传送柴油机的正时信息，一般来说，其精确度可达到曲轴每转360°误差为±0 . 25°。

正时传感器提供每缸一次的参数，同步传感器则提供每转一次的参数。

从而使电控单元能够精确地确定活塞上止点位置，综合其他参数控制喷油量和喷油时间，以保证得到最佳的燃烧过程。

b )油门位置传感器油门位置传感器是电控油门踏板或操纵杆的一个组成部分，它取代了机械式油门拉杆，既不需要润滑，也没有杆件铰接处卡塞或松驰的弊端，从而能够准确地将操作者的意图输入电控单元。

c )涡轮增压器传感器此传感器用来监视废气涡轮增压器的压力变化，将压力值输入电控单元，保证柴油机的最佳工况，防止突然加
速时冒黑烟，还可起到空气系统的保护作用。

d )燃油温度传感器将燃油温度的变化输入电控单元，据此计算出燃油密度的变化，调整燃油比，以获得最佳的燃烧过程。

e )燃油压力传感器此传感器监视燃油压力，一旦压力下降，便表明燃油滤清器较脏，及时发出警告，提前更换滤芯、清洗滤清器。

f )冷却液液位传感器如果此传感器发现冷却液液位下降，便立即发出停机警告，避免产生重大机械事故。

g )润滑油压力传感器此传感器为柴油机保护系统而设置，如油压较低，便发出警告并自动降低输出功率和转速，若过低就发出停机警告[8]。

1.2.2 电控单元
电控单元的作用是根据规定的方法或已储存的程序对传感器输入的各种模拟量或数字量信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，控制有关执行器准确、快速动作( 如图2 )。

图2 电控单元示意
该单元主要由输入回路、A/ D 转换器、微型电子计算机、输出回路等组成，通常与电源、抗电磁干扰装置、自检装置及后备系统等组装成为一个模块。

1 .2.3 执行器
执行器是为实现某种控制功能而提供操作力和操作动作的机构，如，电动燃油泵、电磁式喷油器、怠速常通空气阀及各种继电器等，也可以是实现某种控制功能的其他装置，如点火线圈、点火器等。

2.电控柴油机的仿真研究发展现状
柴油机的建模仿真，一般是用微分方程对柴油机各系统的工作过程进行数学描述，然后用计算机语言进行建模并求解微分方程，求得柴油机各参数随曲轴转角(或时间)的变化规律。

对船舶主机进行详细的数学建模和仿真，可以观测不同类型的主机在各种不同工况下的运行参数，预测其性能；可以观测动力装置在各种严酷工作条件下的动态响应；可以选择合理的控制策略以防止柴油机过载以提高动力装置的可靠性；可以用于柴油机零部件的设计优化和验证。

所以建立能准确反映柴油机特性的模型有很好的经济性和重要的科学意义。

而且，船舶柴油机的建模和仿真是轮机模拟器重要的一部分，建立完善的数学模型能够使输出的参数准确有效且方便故障的设定，增强培训人员的直观感受[10]。

在20世纪70年代早期，美国海军舰船燃气轮机及调距桨等事故的发生，促使美国海军启动了燃气轮机舰船推进控制系统研究和开发
计划，对推进系统进行了仿真，并与实船的实验结果进行对比验证。

此后,越来越多的学者开始对船舶主动力装置进行建模仿真研究。

早期的模型包括Fkmer J 0等人运用伪随机二进制序列的系统辨识方法得到的用传递函数表示的离散模型及Kamei E等人实现的线性模型。

从早期的线性模型到如今的非线性模型，柴油机模型更加复杂准确，以满足柴油机控制和仿真的要求。

柴油机模型主要包括:零维模型、准维模型和多维模型三种模型。

2.1 零维模型
零维模型也称单区模型或热力学模型，它假设气缸内工质均匀分布，各种热力学参数(如压力、温度等)和热物性参数(如密度、粘度、比热容等)随时处于热平衡状态,根据燃烧和进排气过程引起的热量变化计算出缸内工质的能量变化。

其中，燃烧过程简化成放热规律的计算，一般使用经验公式或曲线拟合的方法来描述放热率。

零维模型是BormanGL首先提出的，它计算相对简单,应用范围非常广泛，可以用经验公式预测示功图，反过来也可以根据已知的Pϕ
-图计算放热率。

1985年日本工业大学开发了微机燃烧分析装置，仿真出Pϕ-示工图、-示工图、放热率曲线、最高燃烧压力和平均指示压力等参数。

零Tϕ
维模型中应用最广泛的是Watson等人实现的容积法模型。

1989年，Dudek K P提出了用于解决内燃机气缸压力扰动、控制气缸压力的模型(COPMs)；Hengqing LIU提出了用于柴油机冷启动研究的瞬态和稳态模型；Gregory等人提出了带有可变气阀正时装置的缸内循环过程及模式转变模型；PatrickKirchen提出了用于喷油正时预测的热力学
模型；顾宏中深入研究了涡轮增压柴油机容积法模型。

对于船舶柴油机,HountaksDT用容积法模型模拟了各类柴油机故障,并分析其故障性能；KyrtatosNP等人建立了容积法模型,用来预测船用柴油机的性能。

但这些模型主要用来研究柴油机的稳态性能，不能模拟柴油机动态性能，为此很多学者致力于研究柴油机容积法模型的动态仿真。

1991年Song Zhu建立了柴油机曲柄连杆机构动力学模型，为把容积法用于动态仿真打下基础。

2001年，Filipi Z S等人对单缸柴油机建立了瞬态模型，用于预测柴油机瞬态转速和扭矩。

2007年大连海事大学王海燕改进简化了"浓排气"扫气模型，引入废气成分系数，并用此系数计算排气温度。

零维模型忽略了对燃烧过程中缸内的物理化学反应的探讨，用燃烧放热规律代替之，因此计算相对比较简单。

但是该方法不能体现燃烧过程的本质，无法从机理上揭示柴油机工作过程的特性，且经验系数影响模型的准确性，在使用过程中有很大的局限性。

零维模型假设气缸内工质均匀分布，这导致零维模型有两个明显的不足：①没有细致地描述气缸中喷雾混合、油滴蒸发、卷吸、工质运动等重要过程，使零维模型不能准确分析喷雾混合、油滴蒸发及火焰传播对燃烧过程的影响；②忽略了非均匀温度场对排放污染物浓度的影响，不能预测排放污染物如NOx、碳烟等的浓度。

以上不足促使了准维模型的发展[7]。

2.2 准维模型
准维模型又称现象学模型，此类模型在准空间坐标下建立，假设气缸内压力均匀、各喷束等同且无相互作用,考虑燃油的雾化、气化、
混合、着火燃烧、火焰传播、排放物生成等现象，在空间上一定程度地揭示了燃烧过程的机理。

准维模型将燃烧室划分为若干个小的区域，按照零维模型的计算方法求得各个分区的温度和浓度，从而得到缸内的压力、温度等参数随曲轴转角变化规律，并且能够模拟出各种排放污染物的浓度。

有研究表明，就柴油机缸内压力、放热率等参数而言，准维模型比零维模型的仿真结果更精确，而且模型计算量相对较小，己经逐渐成为柴油机工作过程性能预测与优化的最佳可选方案。

但是准维模型也不能准确分析燃烧室几何形状对柴油机性能参数和排放浓度的影响[4]。

2.3 多维模型
多维模型也称流体力学模型，该类模型较全面地考虑了缸内多维多组分气体的流动，考虑了油束的形成和发展，考虑了燃烧过程，从质量、动量、能量守恒方程出发，结合湍流模型、多相流模型、燃烧化学反应和气体状态方程,通过选择合适的边界条件，用数值方法求解得到缸内压力、速度场、温度场、浓度场随时间的变化规律。

多维模型可以全面预测柴油机各方面性能，在油束发展和燃烧等方面模型具有一定的精度，比较适合用于流场分析、燃油的雾化混合燃烧分析及排放污染物的形成等模拟研究。

随着高速计算机的普遍应用，近年来多维模型得到了深入的研究。

另外，平均值模型和各种智能算法模型也可以用于柴油机的动态仿真。

1989年Hendricks E首次将平均值模型用于船舶柴油机的仿真，平均值模型是准静态模型和容积法模型的结合，它没有对气缸工作过程、曲柄连杆机构运动学和动力学进行
建模，而是引入指示热效率这一参数，计算出柴油机的指示功率，从而计算出柴油机的平均指示功率。

智能算法模型具有代表性的有Dovifaaz X等人用神经网络技术建立的可以分析排气污染物浓度的柴油机模型，Radovan Anionic等人用神经网络技术建立的用于控制系统的船用柴油机模型。

但智能算法建模不具有通用性，且需要大量的试验数据。

参考文献
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[3]梁锋,谭文春,肖文雍等.高压共轨式电控柴油机动态仿真研究.车用发动机,2003,148(6):21-24.
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