0 引言

随着社会经济的发展，由于柴油机经济性和可靠性高，现已成为船舶、工程机械以及重型车的主要动力。但如何有效减少排放，提高效率已成为人们研究的重要课题。喷射系统中喷油规律是实现先进燃烧控制的核心技术。它直接关系到柴油机的燃烧性能的好坏。与高压共轨系统相比，电控单体泵喷射系统结构简单，实用性强，对燃油品质要求低等优点。结合国内的实际情况，更符合我国的国情，更具有深远的发展前景^{[1 -2]}。相对机械式喷射系统，电控单体泵不仅可以大大提高燃油喷油压力（可达200 MPa以上），而且可以灵活的对影响喷油规律的各参数进行调节，有效地改善柴油机各工况下的排放性能和经济性能。

本文针对某船用电控单体泵中速柴油结构参数的匹配进行研究，采用实验验证的AMESim和AVL-BOOST仿真模型进行仿真研究。首先通过AMESim仿真得到定喷油量即不同喷油速率的喷油规律，然后再导入到AVL-BOOST整机模型中进行仿真，研究喷油速率对船用中速柴油机运行性能的影响，从而实现对柴油机的优化^{[3 -5]}。

1 喷射系统仿真模型的建立

本文采用系统工程建模和仿真模型软件（即AMESim软件）对柴油机液压喷射系统进行仿真模型如图 1所示。它功能强大、易于操作，集热力学、机械、流体、电磁、控制等复杂学科于一体，因此主要用于汽车、航天航空等的重型的工业设备的多学科领域。仿真模型建立好以后，依次选取相对应的数学模型，并设置相关参数，柴油机的主要参数如表 1所示。

按照表 1对柴油机参数进行设置。依据文献[6]对该模型进行验证。仿真值和试验值误差不超过3%，说明该模型能够较准确的预测柴油机的喷油规律。结合船用中速柴油机电控化改造，优化柴油机结构参数的匹配，本文选取了柱塞（13.5，14，14.5）、喷油器孔径（0.22，24，26和28）、和高压油管（850和900）4个结构参数进行全仿真研究。在定喷油量的情况下，以喷油压力大于100 MPa，喷油持续角小于35°为参考对各种组合进行初步筛选。

从AMESim仿真结果中选取了5组喷油规律比较合理的喷油方案。这5组方案的选取参数如表 2所示，喷油规律如图 2所示。方案3的喷油持续角最小，为33.2° CA；方案2的喷油压力最大，为108.33 MPa。高压油管对喷油规律的影响比较小。在定喷油量的情况下随着喷孔直径和柱塞的增加，喷油速率上升，喷油压力增加，喷油持续角减小。然而高压油管对喷油持续角的影响很小，只要是由于高压油管变长，导致燃油在管内运动距离变长，阻力增加，因此喷油压力下降，喷油持续角增加。

2 柴油机整机模型的建模与仿真

AVL-BOOST仿真软件具有强大的功能，能够对柴油机的稳态和动态性能进行分析，并可以实现对柴油机件部件的设计优化。因此，为了分析上述5组方案的匹配优化情况，本文采用AVL-BOOST软件对该柴油机进行整机建模并展开研究，建立的仿真模型如图 3所示。选用AVL MCC Model燃烧模型，相对其他模型它有效的考虑了喷射动能和喷油规律对瞬时放热的影响，能较好的预测氮氧化物和SOOT的生成。同时选用适用于高压循环的Woschni1978传热模型分析其传热过程^{[7 -8]}。

按照表 1设置仿真模型参数。在船用机械式电控柴油机改造过程中研究相同喷油量情况下不同喷油速率对柴油机综合性能的影响，以达到选取合适的供油定时角的目的。参照原机说明书选取方案1和方案3进行多次供油定时角的仿真研究。将AMESim中方案1和方案3的喷油规律曲线导入到AVL-BOOST仿真模型中，仿真的供油定时角分别从-28°~-12°进行仿真。因为计算的数值差值都比较小，为了方便观察，将计算得到的柴油机NOx排放量，SOOT排放量、油耗量、IMEP和转矩进行归一化处理，进行归一化处理的结果如图 4~图 5所示^[9]。

从图 4和图 5可见，在供油定时角从-28°~-12°范围内，柴油机有效转矩和IMEP都呈向下开口的抛物线形状，在供油定时角为-20°的时候达到最大波峰值；而油耗的曲线则相反，呈开口向上的抛物线形状，在供油定时角为-20°的时候油耗最低。随着供油定时角的推迟，碳烟的排放量总体呈单调递增的趋势，而NOx排放量刚好相反，呈单调递减的趋势。因此，在综合考虑柴油机动力性能、经济性能和排放性能的前提下，选取供油定时角为-20°，即把该供油定时角作为电控改造后的供油定时角^[10]。

将AMESim中方案1~方案5中的喷油规律曲线导入到AVL-BOOST仿真模型中，从而得到柴油机气缸内压力、放热速率、碳烟生成速率、氮氧化物生成速率、温度与曲轴转角的关系曲线图，如图 6~图 10所示。

从图 6和图 7可见，在喷油量和供油定时角相同的前提下，方案2获得了最高的爆发压力。并且随着喷油压力加压的推迟，最高缸内压力相应的降低，而且达到峰值压力的时间也有一定的推迟。这主要是因为方案2的喷射压力比较大，雾化效果比较好，燃烧效果比较好，所以缸内压力比较大。方案3与其他4种方案相比，缸内放热率前期比较大，方案4有些延迟。这主要是因为方案3中喷孔直径比较大，喷油速率相对比较大，因此放热速率比较大，而方案4虽然喷射压力相差不大，但是喷孔直径比较小喷油速率比较小，喷油持续角比较大，所以缸内放热率有点推迟。

从图 8可见，在喷油量和供油定时角相同的前提下，方案3喷油速率最大，碳烟生成速率最先达到峰值而且在5种方案中生成速率最大，其次是方案一和方案4的，方案2的生成速率最低。即随着喷油压力的增大，碳烟生成速率逐渐减小。这主要是因为方案3喷孔直径比较大，喷射速率比较大，喷射压力比较小，燃油雾化效果比较差，因此，碳烟生成速率比较大。而方案2喷射压力最大，雾化效果最好，即碳烟生成速率最小。

从图 9和图 10可见，在燃油喷油量和供油定时角相同的前提下，随着喷油速率的减小，喷油脉宽的增加，氮氧化物的生成曲线向后推迟，氮氧化物的生成速率依次达到生成最大值。即方案4生成氮氧化物的量最小，主要是因为燃油喷射压力比较小，而且缸内温度比较低。燃油喷射压力对缸内温度的影响最大，柱塞比较大，燃油加压比较快，即随着建压时间的推迟，缸内温度呈推迟的趋势。

从表 3可以看到，在相同供油定时角和喷油量的情况下喷油速率对柴油机动力性、经济性和排放性能的影响。方案5使得柴油机获得了比较大的有效功率和转矩，燃油消耗量和碳烟生成量都最少，氮氧化物生成量有点偏大。相对于方案3，有效功率和有效转矩分别提高了1.02%和1.023%，碳烟生成量减少了7.4%，但是氮氧化物增加了1.1%。方案3经济性最差，但是氮氧化物排放量最少。综合考虑，方案五喷油规律更为合理，燃烧效果最佳，因此做功输出功率最集中，动力性、经济性最佳，碳烟生成量最少，氮氧化物稍微偏高。

3 实验研究

为了对电控单体泵柴油机喷射系统的结构参数进行优化，根据选取的方案3利用电控单体泵柴油机实验台架进行实验研究，图 11为电控单体泵柴油机实验台架。实验过程中通过改变喷油脉宽来保持相同的喷油量。采用法国EFS-IFR600型喷油规律测量仪对单体泵喷油规律开展喷油率测试。采用Horiba烟度检测仪对柴油机废气中的NO等排放物进行测量；采用FCMM-2燃油耗测量仪测量1次燃油消耗质量，从而计算出耗油率。

从表 4可得，在柴油机额定转速1 000 r/min，定喷油量和定供油定时角的前提下，有效转矩、有效功率、氮氧化物生成量和燃油消耗量都在2%以内，说明了该仿真的结果在误差范围之内，能够比较准确的反应柴油机综合性能变化的趋势。

4 结语

在定喷油量的前提下，以变喷油速率的电控单体泵燃油喷射控制为目的，分别对喷油率喷油速率的产生、柴油机结构参数的匹配和喷油速率的控制进行了仿真研究和实验验证，结论如下：

1）利用AMESim建立了电控柴油机的燃油喷射系统仿真模型，并利用验证后的仿真模型得出了5组喷油压力比较大，喷油规律比较合理的方案。

2）利用建立的AVL-BOOST柴油机整机模型，通过仿真，对数据进行了归一化处理，在综合考虑柴油机经济性、动力性和排放性的前提下，得到了最优的供油定时角。

3）在相同喷油量和供油定时角的前提下，燃油喷射压力越大，燃油雾化质量越高缸内温度、缸内放热速率、氮氧化物生成量和缸内压力增加，碳烟生成量下降。选取一组经济性、动力性比较好的方案，并通过实验对其进行了实验验证。