船用柴油机相继增压气动蝶阀切换时间研究

        随着柴油机设计技术、电子控制技术及材料的发展，柴油机逐步向高平均有效压力和高增压方向发展，升功率不断提高，导致增压器与柴油机匹配难度增加。相继增压系统（STC）解决了高增压柴油机与增压器匹配难的问题，有效的改善了增压柴油机的低工况性能，扩大了柴油机的工作范围，其经济性和排放特性显著提高[1，2]。相继增压柴油机增压系统工作原理如图1所示。

图1 柴油机相继增压系统原理

        图1中，TC1、TC2分别为基本涡轮增压器和受控涡轮增压器；AV#1、AV#2分别是空气阀和燃气阀.通过燃气阀和空气阀的开闭来控制增压器是1TC还是2TC工作[3]。
        随着对相继增压瞬态切换过程的深入研究发现，由于增压器本身转动惯量以及气体流动惯性等因素的影响，瞬态切换过程对柴油机工作过程有较大影响，易使压气机发生喘振，柴油机冒黑烟，导致发动机工作不稳定。理论计算和试验研究发现，蝶阀恰当的启闭时间对柴油机性能有很大的影响。另外，由1TC向2TC切换时，空气阀要迟于燃气阀一定的时间打开，如果延迟时间过长，受控增压器会发生喘振，若延迟时间过短，则基本增压器会发生喘振。因此，为了准确控制蝶阀启闭时间，需要研究整个蝶阀气动控制系统中各部件对蝶阀启闭时间的影响[5]。目前，还没有人做过此方面的研究，本文把相继增压柴油机蝶阀气动控制系统作为一个整体来研究其动态开启时间。
        1 蝶阀气动控制系统模型
        1.1 物理模型
        蝶阀气动控制系统包括：储气罐、电磁换向阀、气动蝶阀和管路等。图2为蝶阀气动控制系统三维实物图，图3为相继增压蝶阀气动控制系统原理图。

图2 蝶阀气动控制系统三维实物图

图3 蝶阀气动控制系统结构原理图 

    
        蝶阀气动控制系统的工作原理：首先打开气路开关，电磁阀未通电时，在复位弹簧作用下，电磁阀左侧气路流通，压缩气体通过电磁阀左侧气路进入执行气缸，活塞向中间移动，此时气动蝶阀处于闭合状态。电磁阀通电后，电磁阀芯向弹簧端移动，电磁阀右侧气路流通，此时压缩空气流过电磁阀右侧的通道，进入执行气缸，推动活塞向两侧移动，阀板随之运动，直至完全开启。由此过程可知，影响蝶阀启闭时间的主要因素有气源压力、管路长短、电磁阀换向时间、执行气缸内活塞所受的力负载等。
        1.2 数学模型
        为建立蝶阀换向时间的数学模型，将蝶阀换向时间t划分为三部分：即电磁阀换向所需要的时间t1；压缩空气在管路中输送的时间t2；传送完毕到蝶阀完成切换过程的时间t3。
        1）电磁阀的换向时间t1
        采用的电磁阀是FESTO公司的两位五通电磁阀，标准开启时间为9ms；关闭时间为29ms，故t1=0.9ms.
        2）压缩空气在管路中输送的时间t2

       
        （2）其中，a为声波在空气中的传播速度，m/s；k为气体绝热系数，k=1.4；R为理想气体常数，R=8.31J/（mol·K）；L为电磁阀至气缸腔室的管道长度，m；T为环境温度，K.
        3）传送完毕到蝶阀完成切换过程的时间t3
        在建立蝶阀切换过程的数学模型时做了如下假设：在切换过程中，气缸腔室内的气体与外界无热交换；气源压力P*恒定，气源温度T为环境温度；气缸腔室中的气体热力过程为准静态过程，气缸的内外泄露均忽略不计[6]。
        执行气缸腔室分进气腔和排气腔。进气腔恒定气源压力向有限容积绝热充气的过程为：
        （3）    
        排气腔有限容积绝热放气的能量方程：     
        （4）
        式中，p1，p2为进、排气腔中空气绝对压力，Pa；X为活塞的位移，m；X10，X20为活塞起始坐标、排气侧坐标，m；Qm1，Qm2为进、排气腔的流量，kg/h；Ts，T2为气源、排气腔的温度，K；A1，A2为进、排气腔侧活塞的有效面积，m2。
        根据牛顿第二定律得出气缸活塞的运动方程：

        
        式中，MW为活塞及其驱动部件的质量，kg；a0为进气腔侧活塞的作用面积有效系数；F为力负载，即除压缩空气外，作用在活塞上的全部力的合力，N。
        进气腔充气的质量流量Qm1和排放气的质量流量Qm2方程为：
        （6）
        （7）
        其中，Ae为进、排气管路的总有效面积，m2；b为临界压力比；T*为管路的上游温度，K；pe，p*为上游压力和下游压力，Pa。
        根据以上的数学模型，利用MATLAB/Simulink仿真软件编写计算仿真程序（图4）。仿真模型输出不同蝶阀气动控制系统中执行气缸活塞的位移特性，即蝶阀切换时间。

图4 MATLAB/Simulink程序图

      
        2 仿真计算及试验验证
        2.1 仿真计算与分析
        根据上节建立的蝶阀转换控制系统的数学模型，利用Matlab/Simulink仿真软件建立仿真模型，仿真所使用参数如下：Ae1=Ae2=1.59×10-5m2；X10=0.012m；X20=0.032m；S=0.05m；b1=0.48；b2=0.46；MW=0.85kg；Ts=293K；A1=A2=1.59×10-5m2；ps=1×105Pa。
        为了研究不同气源压力P*、管路长度L和气缸阻力F对蝶阀气动控制系统工作时间的影响，将这三个因素设为可变量。下面分析这三个因素分别对蝶阀切换时间的影响。
        1）气源压力P*对蝶阀切换时间影响的分析
        图5为不同压力下活塞的位移特性曲线。设置仿真参数：L=3.5m，F=1330N。由图5可以看出，当气源压力为0.8MPa、0.5MPa和0.3MPa时，对应的蝶阀切换时间分别为0.5610s、0.4515s和0.4768s。气源压力为0.5MPa时，蝶阀切换时间最短。因此，只有选择适当的气源压力，才能缩短蝶阀切换时间。

图5 不同气源压力活塞位移的变化

        2）管长L对蝶阀切换时间影响的分析
        图6为不同管长下活塞位移特性曲线。设置仿真参数：P*=0.8MPa，F=1330N。由图6可以看出，管长为2m、3.5m和5m时，蝶阀切换时间分别为0.4728s、0.4768s和0.4818s。管长L=2m时，蝶阀切换时间最短。由此得出，管路长度越短，切换时间越短，反之亦然。

图6 不同管路长度活塞位移的变化

        3）气缸阻力F对蝶阀切换时间影响的分析
        图7为不同气缸阻力下活塞的位移特性曲线。设置仿真参数：P*=0.8MPa，L=3.5m。由图6可以看出，气缸阻力为1330N，3000N和5000N时，切换时间分别为0.4758s、0.533s和0.668s。分析可得出，气缸阻力越小，蝶阀切换时间越短，反之成立。

图7 不同气缸阻力活塞位移的变化

        综上所述，在满足蝶阀控制系统安装条件的前提下，缩短管长，减小气缸阻力，并选择适当的气源压力，是缩短切换时间的有效手段。
        2.2 试验验证
        采用与其中一组仿真基本相同的原始数据（P*=0.8MPa、L=3.5m、F=3000N），对上述蝶阀气动控制系统的仿真模型进行试验验证。为了保证气缸阻力为3000N，试验前，先计算出在气缸阻力为3000N时，活塞所产生的扭矩，再使用扭矩扳手对扭矩进行校准。图8为蝶阀气动控制试验台。表1为试验台所用主要元件。

（a）元件布置                   （b）传感器安装
图8 蝶阀气动控制系统试验台
表1 试验所用元件主要技术参数

        图9为活塞位移特性曲线的试验结果与仿真结果的对比，分析得出：

图9 活塞位移对比

        1）仿真模型蝶阀开启的时间为0.51s，试验结果为0.47s，两数据误差为8%，在误差允许的氛围内。因此，蝶阀切换时间的仿真结果是正确的。
        2）活塞位移曲线存在差异，主要原因为：在蝶阀控制系统的仿真模型中，选用了平均摩擦力，而实际系统中，活塞的受力是由静摩擦力、动摩擦力和活塞速度共同决定的。因此，在仿真计算中，活塞位移为直线，而试验曲线为平滑曲线。试验结果与仿真数据在变化趋势上基本一致，吻合较好，说明仿真模型是有效的，仿真结果具有一定参考价值。
        3 结论
        1）建立了蝶阀气动控制系统的物理模型，并进行了气动蝶阀切换时间的物理划分，建立了计算蝶阀气动控制系统的数学模型。
        2）基于MATLAB/Simulink编制了蝶阀控制系统特性仿真程序，模拟了气源压力、管路长度和气缸阻力三种因素对蝶阀切换时间的影响规律。气源压力过大或过小都会延长蝶阀切换时间，仿真模型可选择合适的气源压力；管路长度越长，切换时间越长，反之亦然；气缸阻力越大，切换时间越长，反之亦然。
        3）仿真模型对蝶阀切换时间进行计算，得出较准确的切换时间，为改善蝶阀切换时间提供了有力的理论依据。同时，提出了改进蝶阀切换时间的可行性建议，为深入研究柴油机相继增压蝶阀气动控制系统提供了参考。
        参考文献：
        [1]石凡，王银燕，冯永明.船用高速柴油机多台增压器相继增压计算分析[J].船舶工程，2007，29（2）：1-5.
        [2]王银燕，杜剑维，王贺春，等.基于GT-power与Simulink的发动机及其控制系统仿真[J].系统仿真学报，2008，20（16）：4379-4381.
        [3]J.Galindo，H.Climent，C.Guardiola.ModelingtheVacuumCircuitofaPneumaticValveSystem[J].JournalofDynamicSystems：MeasurementandControl，MAY，2009.
        [4]王银燕，石凡，冯永明.船用柴油机相继增压蝶阀切换延迟仿真研究[J].武汉理工大学学报，2009，33（1）：17-20.
        [5]陈华清.船用相继增压柴油机1TC/2TC切换过程仿真分析[J].热能动力工程，2009，24（2）：226-229.
        [6]李建藩.气压传动系统动力学[M].广州：华南理工大学出版社，1991.