電動燃油泵系統仿真及性能優化研究

黃益政，張振東，文 勇，侯肖婷

HUANG Yi-zheng,ZHANG Zhen-dong,WEN Yong,HOU Xiao-ting

（上海理工大學 機械學院，上海 200093）

0 引言

電動燃油泵基本功用是連續不斷地把燃油從汽油箱吸出，給燃油系統提供規定壓力和流量的燃油。基于電動燃油泵的功能可知電動燃油泵的性能的好壞將直接影響發動機的工作性能，所以對于電動燃油泵的仿真分析和性能優化將對發動機性能優化起重要作用。借助AMESim軟件對電動燃油泵的工作過程進行仿真分析，深入研究電動燃油泵流量和壓力的關鍵要素，以仿真結果為基礎，對電動燃油泵的性能參數進行優化設計，能夠有效提升電動燃油泵性能，減少產品的設計周期。

1 系統建模

本課題研究的電動燃油泵的基本結構如圖1所示，電動燃油泵由泵體、直流電機和殼體三部分組成。它的基本工作原理是直流電機通電后帶動泵殼體內的轉子進行高速旋轉，轉子軸下端的切面與葉輪的內孔切面相結合，使得當轉子旋轉的時候通過轉子軸帶動葉輪一起同向旋轉，葉輪高速旋轉過程中在進油口部分造成真空低壓，進而將經過過濾處理的燃油從泵蓋的進油口吸入，吸入的燃油經燃油泵葉輪加壓后進入泵殼內部再通過出油口壓出，為燃油系統提供具備一定壓力的燃油。直流電機的結構包括固定在泵殼殼體內壁上的永磁鐵、通電后能夠產生磁力矩的轉子和安裝在泵殼上端的石墨碳刷組件。碳刷與電樞轉子上的換向器處于彈性接觸狀態，其引線連接在外殼的插電接線電極，電動燃油泵泵殼外部的兩端采用卷邊鉚緊，成為一個不可拆卸的總成。基于AMESim軟件的模型庫的規劃特點結合電動燃油泵的結構和工作特性，將電動燃油泵的仿真模型系統分為三個模塊：機械模塊、電磁模塊和液力運動模塊。通過各模塊元件的連接最終組成電動燃油泵的仿真系統。

圖1 電動燃油泵的結構簡圖

在建模之前，根據結構圖運用AMESim軟件創建了如圖2所示的電動燃用泵系統模型，并根據該模型分別建立了電磁控制模塊、機械模塊和液力運動模塊三個子模型。

1.1 系統初步模型創建

圖2 電動燃油泵模型示意圖

根據電動燃油泵模型示意圖，我們就機械模塊、液力模塊、電磁控制模塊這三個子模塊，在AMESim模型庫[1,2]中選取了不同的元件。電磁控制模塊我們選擇了直流電動機元件，直流電源，動態信號，階躍控制信號。機械模塊我們選擇了質量模型元件，彈簧模型元件，轉矩負載模型元件，零力源元件。液力模塊我們選擇了球閥元件，容積腔和節流口元件，油液屬性和油箱元件，流量計元件。

根據以上三個模塊的元件我們建立了電動燃油泵系統的幾個重要組件的模型如圖3和圖4所示[3]，并且建立了電動燃油泵的初步仿真模型如圖5所示。

圖3 閥門模型組件

圖4 轉子模型組件

圖5 電動燃油泵初步仿真模型

1.2 葉輪模型創建

本課題以渦流式電動燃油泵為對象開展研究，由于其葉輪部分具有強烈的三維效應，AMESim庫沒有提供相適應的解決此問題的子模型，在建模過程中，也不能使用其他的子模型元件或者子模型元件的組合進行替代，因此，本文利用AMESim軟件包中的AMESet軟件專門創建了葉輪部件子模型，以利用AMESim軟件的仿真功能[4,5]。

本文所創建的葉輪模型如圖6所示，其中1、2端口為流體端口；3、4端口為機械傳動端口。與葉輪相連接的四個元件分別是一個轉矩負載模型、一個零轉矩源和兩個容積腔，其中兩容積腔與葉輪模型的兩個流體端口相連接，轉矩負載元件和零力源模型與葉輪模型的兩個機械轉動端口相連接。因此設置3端口的轉矩為向外輸出，接收外部的轉速信息，4端口跟3端口為同軸關系設置4端口的輸出為轉速、輸入為轉矩，設置1、2流體端口具備三個液力變量：向外輸出流速和流量，接收來自外部元件的液體的壓力。

圖6 葉輪模型

在前幾步變量和參數定義完成之后，使用AMESet軟件生成C語言代碼，導出葉輪模型元件并添加到圖5葉輪文字描述白框處，使整個模型系統的各元件端口均封閉且正確連接，至此這個電動燃油泵的仿真模型創建完成。圖7顯示的就是完整的電動燃油泵仿真模型。

圖7 電動燃油泵仿真模型

2 仿真分析

2.1 單一輸入的仿真分析

在完成對油液，單向閥和安全閥，以及轉子和葉輪等部件的參數設置之后。使用單一的階躍信號作為信號控制源，依據相應參數的要求檢驗仿真結果，驗證仿真的正確性。

圖8 單向閥流量曲線

圖9 單向閥出油口壓力曲線

從圖8可以看出電動燃油泵的流量最終穩定在接近1.6L/min的位置，根據電動燃油泵圖紙對單向閥出口流量不低于90L/h的要求，仿真結果符合要求。從圖9可以看出電動燃油泵的壓力在接近10秒鐘后趨于穩定狀態，最終電動燃油泵在4.6bar的壓力下保持向外輸出燃油。

圖10 安全閥流量曲線

圖11 安全閥開啟速度曲線

從圖10可以看出，安全閥在大約8秒鐘左右開啟，并不斷升高泄油流量，在20秒鐘時開始趨于穩定狀態。對應圖9的燃油壓力曲線可以看出電動燃油泵安全閥的開啟壓力約在4.6bar左右，此壓力值在圖紙規定的卸壓壓力范圍內，隨著燃油壓力的趨于穩定安全閥的流量趨于穩定狀態，同時可以從圖11看出，在電動燃油泵啟動之初8秒左右在電動燃油泵內部油壓達到安全閥的開啟壓力后安全閥迅速開啟，安全閥的開啟響應較快。結果表明，本系統模型實現了電動燃油泵的功能，證明了仿真結果的正確性。

2.2 動態輸入仿真結果

根據我國汽車測試的六個工況，設計了如圖12所示的信號控制曲線，六工況分別為勻速階段，勻加速階段，較高速勻速階段，加速階段，高速勻速階段和勻減速階段。通過對不同階段電動燃油泵工作的仿真將顯示出電動燃油泵在各個工況下的工作性能，以及能否較快的響應系統的需求等。

圖12 信號控制曲線

圖13 單向閥性能仿真曲線

圖14 安全閥仿真性能曲線

由圖13和14可以看出電動燃油泵基本能夠達到汽車在六個工況下的使用需求，但是同時我們也可以看出它的一些缺點，電動燃油泵在啟動初期響應時間較長和啟動后油壓又提升過高，造成了對供油系統和燃油泵本身較高的負荷。所以我們就需要對電動燃油泵進行優化。

3 優化設計

為了解決啟動初期響應時間較長和啟動后油壓又提升過高的問題，實現實時調節，同時結合之前對電動燃油泵結構性能的分析，我們設計了流量和油壓問題的調節方案。

圖15 優化的電動燃油泵模型系統

如圖15所示，在原有模型基礎上添加控制線路，通過使用安裝在單向閥出口的流量計檢測出油口的流量大小，將信息反饋經過判斷函數的邏輯控制調節向電壓元件輸出的控制信號進而調整轉子的轉速以此來控制電動燃油泵對外輸出的燃油流量和壓力。

圖16 安全閥出油口流量對比

圖17 單向閥出油流量對比

對于單一輸入的信號控制調節如圖16和17所示，安全閥的調節作用更加顯著，對應與單向閥的流量控制，可以看出，當壓力超過安全閥的開啟壓力時安全閥迅速打開，由于油液壓力的下降導致單向閥的流量開始下降，在壓力降到安全閥開啟壓力以下時安全閥閥門關閉，泵殼內燃油開始累積燃油壓力開始增大，繼而單向閥流量從上一階段的降低轉為增大，直到燃油壓力再次達到安全閥的開啟壓力時新一輪的調節開始起作用。通過對輸入信號的反饋控制穩定了燃油流量和壓力的穩定輸出，使其波動在一個較小的范圍內發生，從單向閥的流量方面可以看出控制調節后流量能夠迅速達到規定的流量值并在上升階段受安全閥的調整迅速回落到規定值附近，顯示出調節的有效性。

圖18 單向閥出油口流量對比

圖19 安全閥出油口流量對比

根據圖18可以看出單向閥在動態輸入時的出油流量在優化前后的對比分析曲線，可以看出優化后在啟動初始階段能夠迅速達到1.5L/min，滿足發動機燃油需求，解決了初始階段的遲滯現象，當處于減速階段的時候，優化后的模型系統在不影響供油需求的情況下能夠快速地降低輸出燃油量到規定值附近。圖19顯示安全閥在優化后相對響應要快，同時在減速階段能夠較快的將流量降低到零，實現保壓保證時刻供油系統提供規定壓力的燃油。

4 結論

1）使用AMESim軟件結合AMESet軟件完整地創建了具有強烈三維效應的電動燃油泵整體模型系統。

2）順利完成了對電動燃油泵整個工作過程的仿真，并對電動燃油泵在不同的工作情況下的工作性能做了具體的仿真分析，得到了電動燃油泵啟動響應時間長和啟動后油壓又提升過高等問題的原因及影響因素。

3）使用AMESim相關子模型庫設計出針對其流量特性進行調整的優化的電動燃油泵模型，提高了電動燃油泵的性能。為以后的電動燃油泵優化提供了一種新的思路。

[1] 郝守綱.電控單體泵電磁閥電磁機液特性研究[M]. 北京：清華大學,2003.

[2] 石慶豐. 對幾種電動汽油泵控制電路的分析比較[J].農業裝備與車輛工程. 2008(7)： 62-65.

[3] Ivantysyn J,Ivantysynova M. Hydrostatic Pumps and Motors,New Dehli： Academic Books International,2001.

[4] 文元江.多電發動機用電動燃油泵方案研究[A].中國航空學會第十四屆發動機自動控制專業學術交流,2008.

[5] 毛福合,羅小梅. 一種供油系統壓力油箱的AMESim自定義建模與仿真[J]. 中國科技信息,2009(1)： 98-100.