高豪杰，汪功校，鄭竹安

（224051 江蘇省 鹽城市 鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院）

0 引言

高壓共軌系統(tǒng)具有噴射壓力高、壓力波動(dòng)幅值不隨工況而變化、噴油定時(shí)靈活、可單獨(dú)控制噴油壓力等優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低有害氣體的排放，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，目前已廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

高壓共軌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)燃油噴射壓力、噴射量和噴射速率的靈活精準(zhǔn)控制，是目前為止最高效的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)。高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程較復(fù)雜，需由低壓油泵、燃油計(jì)量閥、高壓油泵、高壓共軌管、電磁閥和噴油器協(xié)同配合完成，完成供-噴油過(guò)程。高壓油泵為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓燃油，國(guó)內(nèi)外科研人員開展了大量的高壓油泵結(jié)構(gòu)和性能的研究[2]。祝軻卿[3]等對(duì)部分負(fù)荷下影響高壓油泵供油量因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)燃油計(jì)量閥剛度、電磁閥彈簧力、進(jìn)油閥預(yù)緊力對(duì)部分負(fù)荷下高壓油泵循環(huán)供油特性影響較大。代偉[4]等對(duì)軌壓對(duì)供油特性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了高壓油泵的轉(zhuǎn)速對(duì)流量的最大值起到?jīng)Q定性作用。張朝陽(yáng)[5]等利用AMESim 對(duì)高壓油泵進(jìn)行了物理建模，并對(duì)供油效率的影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)蛪河吐返膲毫^小時(shí)，泄壓閥的控制壓力對(duì)供油壓力有著較大的影響，并且呈線性變化；蘇海峰[6]等對(duì)共軌系統(tǒng)水擊力波動(dòng)的分析發(fā)現(xiàn)，加入T 型諧振型濾波器對(duì)單次噴射的水擊壓力波動(dòng)有明顯的減弱作用，其最大油量波動(dòng)率降低了19%。趙萬(wàn)林[7]利用有限元分析研究了偏心距對(duì)壓力波動(dòng)的影響，結(jié)果表明，隨著偏心距的增加，波動(dòng)幅值呈線性增加，但不會(huì)影響波動(dòng)的頻率。李捷輝[8]等對(duì)起動(dòng)工況下的軌壓控制進(jìn)行了研究，提出了一種新型不采用PID 的軌壓控制算法，結(jié)果表明，軌壓波動(dòng)幅值在1 MPa 以內(nèi)且怠速軌壓建立時(shí)間小于1.5 s 能夠有效減小軌壓波動(dòng)。賈曉巖[9]對(duì)超高壓共軌燃油系統(tǒng)多次噴射性能進(jìn)行研究，當(dāng)工作軌壓為1 800～ 2 500 bar 時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著噴射壓力的提高，提高結(jié)束時(shí)，針閥落座產(chǎn)生的水壓力波會(huì)更加劇烈，噴油壓力下降幅值均隨噴射壓力的提高而增大。Jesheum[10]等人通過(guò)AMESim 建立了電磁噴油器的一維模型，用數(shù)值方法研究燃料粘度和密度隨燃料溫度的變化對(duì)噴射壓力和噴射速率的影響，結(jié)果表明，燃油粘度對(duì)噴油速率和噴油壓力的影響大于燃油密度對(duì)其的影響。

本文主要通過(guò)AMESim 軟件研究高壓油泵凸輪偏心距對(duì)軌壓和噴油特性進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)共軌實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的驗(yàn)證。

1 高壓油泵的數(shù)學(xué)模型

本文建立了高壓油泵的數(shù)學(xué)模型，主要包括凸輪運(yùn)動(dòng)方程、質(zhì)量守恒方程、液體流動(dòng)連續(xù)性方程、物理受力方程和電磁方程、凸輪運(yùn)動(dòng)方程。

1.1 高壓油泵液力過(guò)程模型

（1）液壓腔室容積流量守恒模型

對(duì)于所研究的腔類容積模型，例如高壓腔、回油腔燃油計(jì)量閥腔，在運(yùn)行仿真模型時(shí)，它的質(zhì)量和流量在簡(jiǎn)化后滿足的守恒方程為

式中：V——容積體積；E——燃油的彈性模量；——泵油效率；Qi——流進(jìn)或流出的燃油流量。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)的部件，可得：

式中：A——有效流通面積；v——流體速度。

流進(jìn)、流出容積腔的流量變化規(guī)律可根據(jù)貝努利方程得出

式中：Cd——流量系數(shù)，針對(duì)不存在氣穴現(xiàn)象的液體管，其中Cd管道內(nèi)控的截面形狀、液體種類和液體流速有關(guān)；A——有效流通面積；ρ——采油密度。本文將高壓共軌管簡(jiǎn)化為無(wú)氣穴現(xiàn)象。

燃油泄漏量的計(jì)算根據(jù)柱塞耦合件環(huán)形間隙滲油流量公式：

式中：Δp——柱塞上下壓力差；δ——控制活塞與泵體配合面間隙；l——泄漏面的長(zhǎng)度；η——燃油動(dòng)力粘度。

（2）管道液體流動(dòng)連續(xù)性模型

在建立燃油管道模型時(shí)，考慮管道中的壓力脈動(dòng)，采用連續(xù)流動(dòng)方程：

式中：q——管道燃油流動(dòng)速率；p——管道中的油壓；θ——燃油管道放置的傾斜角；h（q）——與管壁相關(guān)的燃油粘度摩擦。

式中：c——聲速；A——管道的截面面積。

（3）泵油柱塞受力平衡方程

式中：mpis——柱塞質(zhì)量；a——柱塞加速度；An——出油閥的承壓面積；α——阻尼系數(shù)。

雖然活塞在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)伴有徑向運(yùn)動(dòng)，但由于存在3 個(gè)運(yùn)動(dòng)活塞，所以在每個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，所受到的徑向力相互抵消。

1.2 高壓油泵機(jī)械部件模型

每一個(gè)柱塞泵結(jié)構(gòu)都可以簡(jiǎn)化表示為質(zhì)量-彈簧-阻尼部件，基本方程為

式中：m——作用質(zhì)量；c——彈簧部件阻尼系數(shù)；k——彈性系數(shù)；F——沿高壓油泵柱塞腔軸向的作用力。

1.3 高壓油泵電磁閥響應(yīng)特性分析

電磁閥作用在燃油計(jì)量閥上，它控制著低壓油進(jìn)入高壓油泵的油量，其特點(diǎn)是快速響應(yīng)供油特性，并能精準(zhǔn)控制進(jìn)入高壓油泵的油量。電磁閥根據(jù)PWM 信號(hào)觸發(fā)，通過(guò)ECU 控制單元控制電磁力的大小。

（1）電磁電路方程

式中：U——電磁閥驅(qū)動(dòng)電路；i——通電線圈電流；r——線圈內(nèi)阻；Φ——磁通量。

（2）磁路方程

式中：i——通電電流；Nc——線圈匝數(shù)；Φ——磁通量；Gδ——真空隙磁導(dǎo)率；Gm——鐵磁導(dǎo)率。

（3）電磁鐵吸力計(jì)算

式中：Fm——電磁力；μ0——空氣磁導(dǎo)率；S——導(dǎo)磁面積。

（4）電磁閥銜鐵運(yùn)動(dòng)方程

式中：m——銜鐵質(zhì)量；a——銜鐵的運(yùn)動(dòng)加速度，開啟時(shí)a＞0，關(guān)閉時(shí)a＜0；Fs——銜鐵彈簧作用力；Ff——電磁閥銜鐵的運(yùn)動(dòng)阻力；Fh——銜鐵所受液壓力。

（5）凸輪運(yùn)動(dòng)方程

凸輪線性和凸輪偏心距等參數(shù)對(duì)高壓油泵供油特性、軌壓和噴油特性等都有較大的影響。在供油階段，偏心距的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)共軌管的壓力波動(dòng)幅值產(chǎn)生較大影響，但對(duì)壓力波動(dòng)的頻率影響較小。當(dāng)偏心距變化時(shí)，最高的供油速率也隨之改變，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，適當(dāng)增大偏心距，供油速率和軌壓也會(huì)隨之增加，從而使得噴油器的噴油特性發(fā)生變化。

（a）粘度系數(shù)計(jì)算公式

式中：z——阻尼比；K——?jiǎng)偠?；M——凸輪質(zhì)量。

鋼件阻尼比通常在0.01～0.05 之間，完全阻尼的穿透度為正數(shù)。

（b）凸輪線速度公式

式中：AT——偏心距；R——粘度系數(shù)；βs——主架橫坐標(biāo)與從動(dòng)件軸的夾角；?——凸輪從動(dòng)件的初始角位移；ωRPM2——旋轉(zhuǎn)角速度。

c）凸輪位移公式

式中：xref——線速度；offset——初始位移值。

表1 為系統(tǒng)中高壓油泵仿真模型主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 高壓油泵模型的主要參數(shù)Tab.1 Simulation calculation parameters of high-pressure oil pump

2 高壓油泵仿真模型

2.1 電磁閥響應(yīng)分析

燃油計(jì)量電磁閥作為低壓油泵和高壓油泵的連接部件，主要作用是為高壓油泵提供穩(wěn)定持續(xù)的低壓油。采用AMESim 軟件，構(gòu)建了包含驅(qū)動(dòng)電路和閥門機(jī)械結(jié)構(gòu)的電磁閥整體結(jié)構(gòu)模型，如圖1 所示。圖2 為其每單次提供的電磁力，該電磁力可以滿足計(jì)量閥的工作要求。

圖1 電磁閥仿真模型Fig.1 Solenoid valve simulation model

圖2 電磁閥單次動(dòng)作電磁力輸出力Fig.2 Output force of electromagnetic force in single electromagnetic action

2.2 高壓油泵模型

為了進(jìn)行高壓共軌的參數(shù)分析，根據(jù)高壓油泵的工作原理，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，利用AMESim軟件建立高壓油泵的整體模型，模型中包括ECU控制單元、低壓油路、燃油計(jì)量閥、高壓油泵等關(guān)鍵部位，分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 高壓共軌控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of high-pressure common-rail control system

圖4 油泵仿真模型Fig.4 Simulation model of oil pump

2.3 模型驗(yàn)證

在單次工況相同條件下，改變仿真模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。并通過(guò)圖5 所示的高壓油泵試驗(yàn)臺(tái)對(duì)高壓泵的輸出效率進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 High-pressure common-rail test rig

通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，得出了兩者供油效率之間的差異。輸出效率試驗(yàn)與效果如表2、表3 所示。從表2、表3 可知，相同軌壓條件下，輸出效率隨著轉(zhuǎn)速的增大而下降。相同轉(zhuǎn)速條件下，共軌軌壓越高，輸出效率越低。

表2 仿真輸出效率結(jié)果/%Tab.2 Simulation results of output efficiency

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試輸出效率結(jié)果/%Tab.3 Output efficiency experimental results

對(duì)于輸出效率，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在一定偏差，但多數(shù)偏差都維持在5%以內(nèi)，這樣的差異度可以接受，所以本研究的仿真模型和參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)的匹配度較高，也驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

3 仿真分析結(jié)果

高壓油泵是高壓共軌系統(tǒng)中的重要元件，其可為噴油器持續(xù)提供穩(wěn)定的高壓燃油。研究高壓油泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，找出主要影響因素，可針對(duì)性地改善高壓共軌系統(tǒng)的供油和噴油性能。

3.1 凸輪離心距對(duì)軌壓的影響

凸輪是高壓油泵中較為關(guān)鍵的部分。柱塞泵的供油過(guò)程中，凸輪為柱塞提供動(dòng)力，即隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)，柱塞向上運(yùn)動(dòng)使燃油變?yōu)楦邏河洼敵?，因此凸輪離心距對(duì)軌壓有較大影響。通過(guò)AMESim 的仿真分析，研究離心距對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的影響，探尋能輸出最佳壓力和流量的離心距。

圖6 為凸輪半徑軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min 時(shí)，不同凸輪離心距下的共軌軌壓特性曲線。由圖6 可知，當(dāng)凸輪離心距為1 mm 時(shí)共軌管壓力最小，凸輪離心距為3.5 mm 時(shí)共軌腔壓力最大，且軌壓相對(duì)穩(wěn)定。

圖6 凸輪半徑對(duì)軌壓的影響Fig.6 Influence of cam radius on rail pressure

3.2 凸輪離心距對(duì)噴油特性的影響

由前述可知，凸輪離心距對(duì)軌壓的影響是顯著的，一般情況下，凸輪離心距的改變也會(huì)對(duì)噴油器的噴油特性有一定的影響，本節(jié)主要探究凸輪離心距對(duì)噴油特性有何影響。

3.2.1 凸輪離心距對(duì)噴油流量的影響

由于離心距的調(diào)整，共軌軌壓發(fā)生變化，進(jìn)而影響了噴油器中蓄壓腔的壓力，從而使噴油器的瞬時(shí)噴油流量和油束形狀發(fā)生改變。圖7 為在不同離心距情況下噴油流量隨時(shí)間變化的曲線。

圖7 凸輪離心距對(duì)噴油流量的影響Fig.7 Influence of cam centrifugal distance on fuel injection flow

由圖7 可知，偏心距為1.0～3.5 mm 時(shí)，噴油流量隨凸輪偏心距的增加而變大，離心距為3.5 mm時(shí)噴油流量達(dá)最高值；偏心距大于3.5 mm 時(shí)，軌壓波動(dòng)較大，影響瞬時(shí)噴油流量，使得噴油流量變小。

3.2.2 凸輪離心距對(duì)噴油質(zhì)量的影響

凸輪離心距取1～4 mm 時(shí)，隨著離心距的增加，瞬時(shí)噴油流量增加，從而也使得噴油質(zhì)量相應(yīng)增加。

由圖8 可以看出，離心距為3.5 mm 時(shí)的噴油質(zhì)量最大，當(dāng)瞬時(shí)噴油質(zhì)量增加時(shí)，噴油效率會(huì)得到相應(yīng)的提高。

圖8 凸輪離心距對(duì)噴油質(zhì)量的影響Fig.8 Influence of cam centrifugal distance on fuel injection quality

4 結(jié)論

通過(guò)AMESim 搭建高壓共軌模型，仿真分析了改變高壓油泵中的凸輪偏心距對(duì)噴油特性的影響。分析發(fā)現(xiàn)，凸輪偏心距的改變對(duì)噴油流量、噴油質(zhì)量和軌壓都有較大的影響。

（1）通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，在相同軌壓條件下，輸出效率隨著轉(zhuǎn)速的增大而下降；在相同轉(zhuǎn)速條件下，輸出效率隨著軌壓的增大而降低。

（2）當(dāng)偏心距過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)軌壓的波動(dòng)幅值有較大影響，從而對(duì)噴油特性產(chǎn)生消極影響，此時(shí)應(yīng)當(dāng)控制偏心距；當(dāng)偏心距過(guò)小時(shí)，軌壓較低且相對(duì)不穩(wěn)定；當(dāng)偏心距約為3.5 mm 時(shí)，軌壓達(dá)到最大，同時(shí)軌壓波動(dòng)較小。從而得出結(jié)論，當(dāng)偏心距達(dá)到3.5 mm 時(shí)效果最好。

（3）當(dāng)偏心距較小時(shí)，噴油流量和噴油速率均受到不同程度的影響；偏心距達(dá)到3.5 mm 時(shí)，主噴射階段的噴油流量在主噴射流量達(dá)到最大；偏心距大于3.5 mm 時(shí)，噴油流量主噴射流量也會(huì)不同程度減少。