基于AMESim的柴油机高压共轨系统高压油泵的建模仿真分析_吴庆林

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第26卷第8期重庆理工大学学报(自然科学)2012年8月Vol．26No．8JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)Aug．2012基于AMESim的柴油机高压共轨系统高压油泵的建模仿真分析吴庆林，米林，王国超(重庆理工大学重庆汽车学院，重庆400054)摘要:对当前高压共轨系统使用较广泛的径向柱塞式高压油泵的结构及工作原理进行研究，通过LMS公司的AMESim软件对高压油泵液力、机械、关键部件(电磁计量阀)分别进行模块化分析，建立带有电磁计量阀的高压共轨系统高压油泵模型，并进行仿真分析。通过改变高压油泵的结构参数，得出高压油泵进、回油孔直径对燃油输出油压、流量的影响，为整个高压共轨系统及共轨管和喷油机的优化设计提供参考。关键词:柴油机;共轨系统;高压油泵;AMESim中图分类号:U464文献标识码:A文章编号:1674－8425(2012)08－0006－06ModelingSimulationAnalysisofUnitPumpinHighPressureCommonRailSystemBasedonAMESimWUQing-lin，MILin，WANGGuo-chao(ChongqingAutomobileInstitute，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400054，China)Abstract:Thispaperanalyzedthestructureandworkingprincipleofradialpistonhighpressurepump，whichwaswidelyusedinthehighpressurecommonrailsystem．Withthemodularanalysisofhydraulic，mechanicalandthekeycomponents-solenoidmeasurementvalvebythesoftwareofAMES-imrespectively，thesimulationmodelofhighpressurepumpwasbuilt．Andthroughchangingthestructureparametersofthehighpressurepump，themaininfluenceofstructureparametersofthehighpressurepumponfuelinjectionwasdiscussed．Theresultshaveconformedthatthissimulationmodelhasimportantreferencevaluefortheoptimizationdesignofcommonrailpipe，injectorandthewholesysteminhighpressurecommonrailsystem．Keywords:dieselengine;commonrailsystem;highpressureoilpump;AMESim能源动力技术在20世纪90年代中期取得的的喷油定时和喷油量控制、独立的喷油压力调节一项重大突破———高压共轨燃油喷射系统(简称等显著优点，有效提高了发动机的动力性和燃油共轨系统)技术。共轨系统以其高喷射压力、灵活经济性，降低了有害气体的排放。柴油机因具有收稿日期:2012－05－18基金项目:科学技术部科技人员服务企业行动项目作者简介:吴庆林(1985—)，女，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事电控发动机燃油喷射系统研究。 吴庆林，等:基于AMESim的柴油机高压共轨系统高压油泵的建模仿真分析7高功率、高效率的特点而被广泛使用，但是柴油机下，进油阀开启，泵油过程重新开始，如此不断循的压燃方式做功使其燃烧环境相当恶劣。将柴油环供油。机与高压共轨系统完美结合，能集各自之长，改善分泵腔内的燃油是由一电磁阀来进行计量柴油机的燃烧环境。柴油机高压共轨系统是一个的，如图2所示。这种电磁阀能精确执行系统所相当复杂庞大的系统，高压油泵、共轨管、喷油器需的燃油量。这种燃油输送控制不仅避免压缩燃和电磁阀协同作用，缺一不可。作为提供高压燃油的冗余，也降低了燃油的油路温度，还提高了高［2］油的部件———高压油泵，在稳压升压上起着重要压油泵的供油效率。作用，因此对高压油泵进行研究是目前共轨系统［1］研究的重要分支。LMS公司的高级仿真平台产品AMESim是良好的液压、机械系统建模、仿真的综合集成软件平台。该平台有液压、机械和电磁等多方面功能模块，能有效地满足机、电、液及其之间耦合效应的分析仿真。AMESim建模采用工程技术语言，通过图形界面进行仿真模型的建立、扩充或改变，不用图1三柱塞高压油泵结构编制任何程序代码，建模过程简单易学，通用性强。1模型的建立1．1高压油泵工作原理及物理模型共轨系统用的高压油泵有3种类型，其中典型的也是效率最高的是三柱塞高压油泵，其结构如图1所示。三柱塞高压油泵工作原理为:输油图2油泵电磁计量比例阀泵(电子燃油泵或者机械齿轮泵)将燃油从燃油箱泵出，通过带油水分离器的滤清器过滤后送往进1．2高压油泵数学模型油口1;装有凸轮6的驱动轴5使柱塞按照其偏心1．2．1高压油泵液力过程模型距上下移动;燃油通过高压油泵的进油阀2进入高压油泵从物理结构上来看就是一些容积分泵腔，此时其泵油柱塞正在往下运动，此为油泵腔、孔、阀相互连接起来形成的油管。由于在高压的吸油行程;当柱塞到达下止点后向上时，进油阀油泵供油过程中，燃油的不连续供油导致出油口被关闭，这样燃油就不可能从分泵腔泄出;腔内的压力有所波动。在建模时，需要考虑油泵出油口燃油在柱塞的压缩下，其压力开始上升，直到超过和外部连接管道中的压力脉动。在驱动信号接通高压油泵的供油压力;柱塞腔内的燃油被压缩，只的瞬间，为简化计算，将出油阀的压力设为恒定［3］要达到设定的共轨压力就立即打开出油阀3，被压值。出油阀压力波动主要是由受脉动供油液压缩的燃油进入高压油路;泵油柱塞将继续供油，直力作用的影响，对于高压油泵来说，单次供油、柱到抵达上止点，此为油泵的供油行程;此后，压力塞周期性运动以及喷油器针阀动作对共轨压力波下降，出油阀关闭;分泵腔得到泄压，柱塞又开始动所造成的影响都比高压油泵出油液压力的影响向下运动;分泵腔内的压力下降到输油泵压力以要小。 8重庆理工大学学报1)液压腔容积流量守恒模型3)泵油柱塞受力平衡方程对于某一类的容积模型，比如进、出油阀腔，dhpmpis·a=pc·Ap－pc·An－α·(7)dt柱塞腔，死运动容积等，在建立模型时，其基本数学模型的质量流量守恒方程为其中:mpis为柱塞质量;a为柱塞加速度;An出油阀VdPdV的承压面积;α为阻尼系数。由于该高压油泵的+=∑Qi(1)Edtdti结构为径向的，因此3个泵油柱塞中心在同一平dV面上，且在各自的工作周期内径向受力相互抵消。式中:V为容积腔体积;E为燃油的弹性模量;为dt1．2．2高压油泵机械部件模型泵油效率;Qi为流进或者流出的燃油流量。每一个柱塞泵结构都可以简化表示为质量－对于运动的部件，可得:弹簧－阻尼部件，其基本方程为dVd(Ay)dy==A·=Av(2)mx¨+cx+kx=Fdtdtdt其中:m是作用质量;c是弹簧部件阻尼系数;k是其中:A是有效流通面积;ν是流体速度。弹性常数;F是沿高压油泵柱塞腔轴向的作用力。流进、流出容积腔的流量变化规律可根据贝1．2．3高压油泵电磁阀响应特性分析努利方程得出:高压油泵中的燃油计量器控制油泵泵油的多Δp2ΔρQ=Cd·Δp·A·槡ρ(3)少，使高压油泵按需供应，避免能量损失，且能稳定共轨管的油压。安装在高压油泵上的燃油计量其中:Cd即流量系数，对于没有气穴现象的液流器由电磁阀控制。电磁阀用PWM信号触发，电磁管，Cd与孔的几何形状、液体流速、液体密度以及力操控柱塞根据ECU信号释放计量孔。液体黏度有关，本文将高压油管视为无气穴现象;1)电磁电路方程A是有效流通面积;ρ是柴油密度。dΦ燃油泄漏量的计算根据柱塞偶件环形间隙渗=U－i·rdt［4］油流量公式:式中:U为电磁阀驱动电压;i为通电线圈电流;r3πdδΔpQ=12η·l(4)为线圈内阻;Φ为磁通量。2)磁路方程其中:Δp为柱塞腔上下压力差;δ为控制活塞与泵体配合面间隙;l为泄漏面的长度;η为燃油动力i·N=Φ+ΦcGδGm黏度。式中:i为通电电流;Nc为线圈匝数;Φ为磁通量;2)管道液体流动连续性模型Gδ为真空气隙磁导率;Gm为铁磁导率。在建立燃油管道模型时，考虑管道中的压力3)电磁铁吸力计算公式脉动，采用一维连续流动方程2ΦdqAdpdqFm=－·+u·+2μ0SdtρdXdX式中:Fm为电磁力;μ0为空气磁导率;S为导磁Ag·sinθ+h(q)=0(5)面积。其中:q为管道燃油流动速率;p为管道中的油压;4)电磁阀衔铁运动方程θ为燃油管道放置的倾斜角;h(q)是与管壁的相m·a=Fm+Fh－Fs－Ff对刚度相关的燃油黏度摩擦。2式中:m为衔铁质量;a为衔铁的运动加速度，开启dpdpρcdq+u·+·=0(6)dtdXAdX时a＞0，关闭时a＜0;Fs为衔铁弹簧作用力;Ff为其中:c是声速;A是管道的截面积。电磁阀衔铁的运动阻力;Fh为衔铁所受液压力 吴庆林，等:基于AMESim的柴油机高压共轨系统高压油泵的建模仿真分析9(衔铁上升时表现为辅助力，衔铁下降时表现为阻力)。表1为计算模型时所用的物理参数。表1高压油泵模拟计算参数3柴油密度850kg/m柴油音速1400m/s柴油动力0．0047柴油弹性1500MPa2黏度N·S/m模量柱塞直径9mm柱塞升程9mm柱塞密封柱塞球阀38mm85N/m长度弹簧刚度图4电磁阀单次作动输出力柱塞球阀质量0．42g柱塞球阀直径4．7mm柱塞球阀柱塞出油阀1．3．2高压油泵建模分析2．75mm0．833出口直径流量系数根据表1的参数建立高压油泵模型(如图5柱塞偶件间隙0．002mm供油孔压力0．8MPa所示)，并进行仿真计算。为了使模型更加完整，柱塞球阀阀孔柱塞低压［8］36°6．3mm加入电磁计量阀模块。带有电磁计量阀的径向接触角油道直径低压油道高压油泵高压油泵模型如图6所示。电磁计量阀的作用0．8160℃流量系数温度有:①灵活控制油泵出油阀进入共轨管的油量，以柱塞集中质量0．083kg柱塞弹簧刚度33．9N/m此来控制共轨管的轨压稳定;②协助喷油器精确柱塞弹簧柱塞滚轮413．5N8．2mm计算喷油量，优化喷油量和喷射效果;③按需所预紧力高度取，避免能量浪费，还可在高压油泵出油量计算时凸轮半径34．7mm凸轮偏心距4．5mm［9］将温度、压力和泄漏油量进行补偿计算。凸轮基圆半径20mm柱塞个数31．3高压油泵仿真模型1．3．1电磁阀响应分析电磁计量阀部分需要考虑电磁阀内部物理结构和驱动电路。利用AMESim软件的电磁模块搭建电磁阀驱动电路模型，如图3所示，输出的单循环计量电磁力见图4，基本符合高压油泵的工作要［5－6］求。影响电磁阀输出的最大因素的为驱动电路的设计，所以搭建模型时没有考虑磁滞、磁泄［7］图5三径向柱塞高压油泵模型漏、磁体涡电流等次要因素对电磁阀性能的影响。在今后的工作中将对该模型继续进行深入研究，重点突破磁体磁导率的问题。图3电磁阀驱动电路模型图6带电磁计量阀的径向柱塞高压油泵模型 10重庆理工大学学报2参数分析2．1进油孔参数对泵油的影响在AMESim软件参数模式下，将出油孔直径固定在某一合适的值，同时在目标压力为60MPa、脉宽30CA的条件下，改变进油孔A的直径，分析其对油泵工作性能(主要为压力、流量变化)的影响。进油孔基准直径设置为0．27mm，固定步长图9进油孔直径0．25mm时出油速率为0．01。图7～10为A孔尺寸对出口压力和流量影响的仿真结果，对应进油孔直径分别为0．25mm和0．35mm。由分析结果可知:当进油节流孔直径过小时，电磁阀通电后柱塞腔的压力不能迅速升高，油泵回油口压力升高较慢，也就是说大部分油量进入共轨管，引起共轨管小范围二次轨压波动，即压力在55～75MPa波动且稳定压力小于目标压力，出油速率成锯齿状变化。当进油节流孔直径过大时，电磁阀通电柱塞腔压力迅速降低，出油口流量较大，这时油泵供油已经满足共轨管中压力要求，到达喷油状态，回油口压力逐渐升图10进油孔直径0．35mm时出油速率高，稳定压力约70MPa，高于目标压力。2．2出油孔参数对泵油的影响要知道出油节流孔B的参数对泵油的影响，就将进油孔的直径固定在某一经验值，同时在压力60MPa、脉宽30CA的条件下，改变出油孔B的直径，分析其对油泵泵油性能的影响。设定出油孔的基准直径为0．24mm，固定步长为0．01。图11～14给出了B孔对油压和喷油速率影响的仿真结果，分别对应直径为0．21mm和0．30mm。可图7进油孔直径0．25mm时出油压力以看到:出油孔直径的大小对于油泵供油能力的影响是比较大的。出油孔直径过小时，当电磁阀通电时，通过回油孔缓慢回油，从而柱塞腔压力下降平稳，燃油及时补充出油压力稳定;当电磁阀断电时，出油孔孔径较小，出油速度较慢，柱塞腔的压力迅速升高，则油泵出油压力出现大幅度波动。当出油孔孔径过大时，由于柱塞腔所能提供的最高压力比共轨需要的压力小，形成负压区，影响供图8进油孔直径0．35mm时出油压力油连续性。 吴庆林，等:基于AMESim的柴油机高压共轨系统高压油泵的建模仿真分析113结束语用AMESim建立高压共轨系统关键部件高压油泵的模型，分析高压油泵主要结构参数进、出油口直径对油泵泵油特性的影响。可得如下结论:高压油泵的进油孔直径过大则油压波动较大，进油孔直径过小则供油速率偏低;出油孔直径过大图11出油孔直径0．21mm时出油压力油压达不到预定要求，出油孔直径过小出油速率低，回油严重，大量高压油泄压，能量损失较多;进、出油孔孔径只能在一定范围内选取，且范围较小。因此，在设计进、出油孔直径时，要综合考虑整个系统输入输出的要求，根据共轨压力来选取合适的高压油泵进、出油孔直径。参考文献:［1］倪成群，崔国旭，张雁桥，等．柴油机高压共轨系统高图12出油孔直径0．30mm时出油压力压油泵驱动扭矩仿真研究［J］．车用发动机，2010(3):188－191．［2］何勇灵，徐斌．Bosch柴油机管理系统［M］．北京:北京理工大学出版社，2010．［3］BianchiGM，FalfariS，PelloniP，etal．ANumericalandExperimentalStudytowardsPossibleImprovementsofCommonRailInjectors［J］．SAE，2002(1):500．［4］贾月梅．流体力学［M］．北京:国防工业出版社，2006．［5］QiXL，SongJ，WangHY．InfluenceofHydraulicABSParametersonSolenoidValveDynamic，ResponseandBrakingEffect［J］．SAE，2005(1):1590．图13出油孔直径0．21mm时出油速率［6］IMAGINE公司．AMESim的流体特性与流体模型基础［Z］．American:IMAGINESoftware，2005．［7］张建明，苏冰，杨兵，等．高压共轨燃油喷射系统中喷油器的仿真与实验研究［J］．系统仿真学报，2006(1):18－21．［8］蔡珍辉，杨海青．基于Amesim的高压共轨喷油器的建模及分析［J］．柴油机设计与制造，2008(1):15－19．［9］吴欣颖，李育学，谭笛．电控共轨高压油泵柱塞偶件设计及试验研究［J］．内燃机学报，2006(2):63－65．图14出油孔直径0．25mm时出油速率(责任编辑陈松)