基于AMESim柴油機電控單體泵噴射系統仿真研究

2014-10-15 09:58:38張志清

制造業自動化 2014年19期

張志清

（1.欽州學院，欽州 535000；2.集美大學廈門 361000）

0 引言

自狄賽爾發明“壓縮式點燃式柴油機”的一百多年發展歷史中，柴油機經濟性、可靠性等各方面的綜合性能都有了很大的提高。但隨著各國排放法規的日益嚴格，燃油價格的不斷攀升，對柴油機的排放性能和經濟性能提出了更高的要求。尤其是Tier II實施以后，進一步限制了船舶柴油機氮氧化物的排放。然而，柴油機的電控化控制是滿足該規則的有效途徑。而電控單體泵是第二代時間控制式的電控燃油噴射系統，它不僅可以提高燃油噴射壓力，而且可以有效地實現噴油量和噴油定時的控制，來優化柴油的噴射特性[1～3]。本文主要采用AMESim對電控單體泵燃油噴射系統進行建模，對燃油的噴射系統進行研究。

1 噴射系統的組成

電控單體泵主要由機械部分和電控部分組成。電控部分主要由傳感器、電子控制單元（ECU）和各類執行器組成。傳感器主要作用是檢測當前柴油機運行狀態各個方面的數據（如水溫、油溫、中冷器前后溫度、轉速、各種壓力等參數）。噴射控制系統主要是由微機組成，根據采集到的柴油機傳感器的各種信號及各種操作信號，正確識別出當前柴油機運行的工作狀態，控制柴油機進入相對應的控制模塊，并按已經標定好的柴油機特性，控制柴油機的運行[4,5]。機械部分主要由電控泵、噴油器、高低壓油管、輸油泵和油箱等五部分組成。電控單體泵一般都由泵體、電磁閥、進/出油口、拉桿、柱塞、調整墊片、回位彈簧和調整墊片組成[6]。

2 仿真模型的建立及驗證

2.1 數學模型的建立

電控單體泵是一個復雜的系統，它包括了機械運動、流場、電場和磁場方面的知識。根據系統內在聯系，建立系統數學模型，從而進行噴射性能參數分析。

2.1.1 泄漏模塊

在噴油系統的運行中，考慮到針閥體內部間隙的泄漏，有環形間隙滲油流量公式：

式中：Δρ為兩端壓力差；L為密封長度；μ為運動粘度；δ為控制活塞與配合面間隙。

2.1.2 運動件模塊

根據靜力平衡關系，得到閥桿和針閥機械運動方程分別如下：

式中：m為運動件的質量；x為閥桿的位移；Fmag為電磁閥電磁力；Ff為液體阻力尼；k為復位彈簧剛度；x0為彈簧變形量；Sn為針閥截面積；Ss為針閥密封面的截面積；Pn為盛油糟中的燃油壓力；Pi為壓力室中燃油壓力。

2.1.3 高壓油管模塊

依據流體力學中動量守恒方程、能量守恒方程和連續性方程，高壓油管內的波動方程如下：

式中：ρ為燃油密度；v為燃油速度；λ為粘性阻力系數；p為燃油壓力；a為油管內壓力波傳播速度。

2.1.4 電磁場耦合模塊

電控單體泵柴油機噴射系統中, 高速強力電磁閥的動作決定了燃油的噴射定時和噴油量。它的動態響應特性直接影響燃油噴射壓力和柱塞泵腔內燃油壓力的卸載速度等特性，直接影響柴油機的燃油經濟性能和排放性能。假定電磁閥磁路未飽和，忽略鐵心中的感應渦流、漏磁及鐵磁的磁阻。根據麥克斯韋定律可以求得：

式中：Fmag為電磁閥電磁作用力；μ0為真空磁導率，為一定值；i為電磁閥線圈電流；N為電磁閥線圈匝數（匝）；A為電磁鐵作用面積；δ為銜鐵與電磁鐵之間的間隙。

在一定的電磁閥結構中線圈匝數，真空磁導率和電磁鐵作用面積為常數，如果銜鐵與電磁鐵之間的間隙一定時，電磁閥的電磁作用力與線圈電流的平方成正比[7]。

式中：Ud為提供的驅動電壓；i為電磁閥線圈電流；R為電路的總電阻。

在線圈電路中，因為電路總電阻比較小，可以忽略。從式（6）可以看出，電流的變化率是由線圈的電感和提高的驅動電壓決定的。當線圈電感一定時，電流的變化率和驅動電壓成正比。在電磁閥動作過程中，電流的變化率，應該以最快的速度達到最大值。

2.1.5 容積模塊

考慮到油槽和針閥腔的容積效應，在AMESim環境中，引入容積模塊?；谀芰渴睾愫土黧w力學的相關的知識，容積模塊的方程如下：

式中：V為壓力室容積；p為壓力室里面的燃油壓力；B為容積腔里面燃油的彈性模量；∑Q為流入容積腔燃油流量的總和；∑q為流出容積腔燃油流量的總和。

2.2 AMESim仿真模型的建立與驗證

在建立電控單體泵燃油噴射系統數學模型基礎上，利用AMESim仿真軟件，將單體泵模型、電磁閥模型和噴油器模型三部分元件組合起來，再通過油管連接在一起，這樣就構成電控單體泵單缸燃油噴射系統AMESim仿真模型，如圖1所示。在搭建系統的草圖仿真模型后，再給每個元件模塊結合式（1）匹配合適的數學模型。根據系統的結構、原理等相關參數，設置仿真模型中各子模型的參數，得出了子模型。

圖1 電控單體泵燃油噴射系統仿真模型圖

表1 電控單體泵燃油噴射系統主要參數

在建立好數學模型以后，為了保證它的穩定性和準確性，必須通過試驗數據來進行驗證。圖2和圖3都是在脈寬在14mm、高壓油管長度900mm，直徑2mm、柱塞13mm、凸輪轉速在500 r/min、噴孔直徑0.26mm時試驗數據和仿真數據的對比圖，其中圖2是油泵試驗臺得出的噴油規律試驗數據和仿真曲線的曲線對比圖。圖3是柴油機在運行試驗得出的泵端壓力和仿真曲線的對比圖。由兩圖試驗曲線和仿真曲線對比可知，柴油機燃油系統的噴射規律和噴油提前角基本相一致，表明能夠較為準確的預測燃油噴射系統的噴油規律。

圖2 噴油速率曲線對比圖

圖3 泵端壓力曲線對比圖

3 模型的仿真分析

利用驗證的建立的AMESim仿真模型，在定脈寬14mm的情況下，通過改變相關的參數（高壓油管長度、高壓油管直徑、凸輪型線速度、柱塞直徑、柴油機凸輪轉速）轉速來仿真分析燃油噴射系統的燃油噴油規律。在研究單個因素影響時，其他的因素保持與表1一致。

3.1 高壓油管長度

如圖4所示，高壓油管長度對柴油機噴油規律的影響不是很明顯，但隨著高壓油管的變長，噴油提前角有變小的趨勢，從圖4可以看到850mm和950mm的相差約0.2°CA，噴油結束的時刻也相應的有所滯后，噴油速率也略有下降。主要是由于在高壓、快速的過程中，管路是彈性原件，燃油是可壓縮的，因此管路越長，流動的時間就越長。如圖5所示，高壓油管長度的變化對泵端壓力的影響也不明顯，同樣隨著高壓油管的變長，泵端壓力稍微有所下降。這主要是由于高壓油管變長，燃油在高壓油管流動的阻力變大。

圖4 油管長度對噴油規律的影響曲線圖

圖5 油管長度對泵端壓力的影響曲線圖

3.2 高壓油管直徑

如圖6所示，2mm管徑的高壓油管噴油速率最大，1.5mm和2.5mm管徑的最大噴油速率相差很小。管徑越小噴油持續角就越大。如圖7所示，2mm管徑的高壓油管泵端壓力最大，為74.6MPa；比2.5mm管徑的大2.1MPa，比1.5mm管徑的大3.1 MPa。1.5mm管徑的高壓油管建壓時間最長，降壓最慢。這主要是因為高壓油管的管徑越小，整個高壓油管的容積就越小，建壓就越快，泵端壓力本應該比較高，但是由于管徑越小，燃油在管內流動受到的阻力比較大。反之，燃油流動受到的阻力比較小。在噴油后期，主要是由于管徑小的建壓比較快，壓力下降的比較慢，因此噴油持續角就比較大。

圖6 油管直徑對噴油規律的影響曲線圖

圖7 油管直徑對噴油規律的影響曲線圖

3.3 凸輪型線速度

如圖8所示，凸輪型線對噴油規律影響比較明顯，隨著凸輪型線速度的增加，噴油速率增加。相鄰的兩種凸輪型線之間相差約2mm3/°CA。如圖9所示，隨著凸輪型線速度的增加，泵端壓力增加的很明顯。0.46mm/CaA和0.4mm/CaA之間最大泵端壓力相差約18.6MPa。當脈寬一定時，凸輪型線速度越大，建壓就越快，同時噴油量也增加。

圖8 凸輪型線對噴油規律的影響曲線圖

圖9 凸輪型線對泵端壓力的影響曲線圖

3.4 柱塞直徑

如圖10所示，柱塞直徑對噴油規律影響比較明顯，隨著柱塞直徑的增大，噴油速率和噴油持續時間都有不同程度的增大，噴油提前角增大的趨勢并不是很明顯。如圖11所示，柱塞直徑對泵端壓力影響比較明顯，隨著柱塞直徑的增大，油泵的泵端壓力相應的升高。主要是因為柱塞直徑越大，柴油機燃油系統的供油速率增大，系統中建壓的時間變短，噴射壓力升高，噴油提前角增大。

圖10 柱塞直徑對噴油規律的影響圖

圖11 柱塞直徑對泵端壓力曲線圖

3.5 柴油機轉速

如圖12所示，隨著柴油機轉速的升高，噴油速率和噴油持續時間都增大。同時，噴油提前角都有增大的趨勢。如圖13所示，柴油機轉速對泵端壓力影響比較明顯，隨著柴油機轉速的升高，油泵的泵端壓力升高，增大比較明顯。這主要是因為柴油機轉速越大，柴油機燃油系統中建壓的時間變短，泄露量減少，噴射壓力升高，噴油提前角增大。