摘要: 高压共轨燃油喷射系统能够有效的改善柴油机的排放性能, 利用AMESim软件建立其仿真模型, 分析了共轨管容积、长径比、内径和长度等参数, 对高压共轨系统的压力建立和压力波动的影响, 并在共轨试验台架上验证模型的可靠性与精确性。
关键词: 高压共轨; AMESim; 模型; 压力波动
随着国家对能源与环保的日益重视, 先进的高压共轨燃油喷射系统在我国将逐步普及, 高压共轨电控喷射系统是在电控分配泵系统的基础上发展起来, 完全满足降低排放, 提高发动机动力性方面的时代要求。国外在这方面的研究已取得成熟的应用成果, 国内的研究单位主要有: 天津大学、武汉理工大学、北京理工大学、无锡油泵油嘴研究所、上海交通大学等。在可预见的将来, 必将在国内广泛采用。
高压共轨喷射系统涉及到计算机、传感器、电子技术和控制理论等。实验系统复杂而昂贵, 利用计算机仿真技术可以先摸清其特性后再进行实物试验, 大大的节约研究成本。本研究选择安装在4 缸直列493 柴油机上的BOSH 单轨共轨系统建模仿真,再与试验结果对比, 优化影响喷射特性的各参数。
目前应用于流动仿真的一维仿真软件比较多, 例如Flowmaster International Ltd 公司的flowmaster 软件, AVL 公司的HYDSim 软件和IMAGINE 公司的AMESim 软件。本研究采用AMESim 仿真软件, 他具有友好的人机交互界面以及丰富的元件库, 使用方便, 大大减小了系统设计分析中的人工工作量, 可以使用户迅速达到建模仿真目的。因此被奔驰、福特、通用等很多整车制造厂家和BOSCH、DELPHI 等零配件厂商应用。
1 建立高压共轨系统模型
1.1 高压共轨系统的结构原理
BOSCH 公司开发的高压共轨系统,主要由低压系统、高压系统、电控单元( ECU) 、电控喷油器总成等子系统组成, 低压油从油箱进入三柱塞高压泵产生高压油经由高压油管进入共轨管,再经由高压油管分配到喷油器入口端, 通过控制喷油器电磁阀控制喷油, 限压阀是当共轨压力超过一定数值时, 开启进行卸压。
1.2 高压共轨系统数学模型
一般来说, 高压共轨喷油系统数学模型由电磁类模型、容器类模型(柱塞腔、共轨腔、控制腔、喷嘴腔、压力室)、运动件模型(针阀、控制阀等)、管类模型(共轨管、高压油管)和流体特性子模型组成。管路模型除了研究燃油的流速和流量之外, 还必须研究高压油管中由于压力波动产生的传播现象。模型中的流体采用标准ISO4113 柴油, 这种液体特性是基于10oC- 20oC 的试验测量得到的, 包括气穴和气泡, 超出这个温度范围的流体特性采用外插方法。
由于实际高压共轨喷油系统的影响因素十分复杂, 模拟计算时如果考虑所有的影响因素是不现实也是不必要的。计算模型的建立取决于计算目的和精度要求, 在满足两者的基础上, 计算模型力求简单实用。根据高压共轨系统的特点和计算要求, 简化如下:
1.2.1 在计算过程中, 不考虑油温随时间和压力的变化; 燃油的物理性质, 即粘度、表面张力、密度、弹性模量仅和压力有关;
1.2.2 除了共轨管和高压油管, 假定其余各腔均为集中容积, 燃油向各腔流动, 不考虑压力传播时间;
1.2.3 燃油在各容积中的状态变化瞬时达到平衡, 同一集体容积内同一瞬时的压力、密度处处相等;
1.2.4不考虑密封面因加工问题造成的泄漏, 只考虑圆柱运动副的泄漏及其对各腔压力的影响;
1.2.5 对高压共轨系统控制进行简化, 用限压阀对最高压力进行开环控制。
1.3 高压共轨系统模型
利用AMESim 建立高压共轨系统各部分模型, 以调压阀的建模过程为例, 首先分析其结构特征, 调压阀主要由电磁部分和机械部分组成, 机械部分包括一个可调节开度的阀和弹簧, 根据分析建立其模型。三柱塞高压油泵的每个柱塞由进油阀、柱塞腔、出油阀组成, 类似于调压阀的建模思路, 模型考虑柱塞腔因压油产生的泄漏。其他各部件的建模方法和调压阀一致。完成各部件子模型的建立之后, 按照高压共轨系统的工作原理连接各部件如图1。
图1 喷射系统部分模型
2 模型验证
模型建立完成之后, 设定共轨系统参数, 进行模型验证, 主要从启动过程的共轨压力建立和压力稳定之后的共轨管中的压力波动两个方面进行验证。
2.1 启动过程共轨压力建立
利用AMESim 仿真启动过程, 根据试验台架参数对模型进行设定, 在喷油器不喷油条件下, 设定高压油泵的转速变化, 仿真得到启动过程共轨管压力建立过程。仿真结果和试验结果对比, 如图2 所示发现两者具有一致的趋势, 但是实验结果相对于仿真结果有一个滞后, 所以导致试验过程中建立压力时间比较长。试验结果出现的滞后时间是可以理解的, 对于实际试验过程中, 高压油泵泵油相对于转速有一个滞后, 这属于机械滞后, 共轨管压力升高相对于泵油也有滞后从压力建立的角度, 利用AMESim 建立的模型基本能够对系统进行仿真研究。
图2 压力建立过程的仿真结果和实验结果比较
2.2 压力稳定之后的共轨管压力波动
设置试验台架的高压油泵转速稳定在1200rpm, 共轨管中最高压力控制在1000bar, 在不喷油条件下测量共轨管出口的压力波动; 同时根据高压共轨系统试验台架结构参数和试验条件对高压共轨系统模型进行设置、仿真, 得到结果。共轨管出口的仿真结果和试验结果进行比较, 发现实测和仿真得到的压力波动频率和幅值基本吻合, 计算得到的结果基本上可以反映共轨管内压力场的情况。
3 研究结果
3.1 性能初步分析
利用验证过的模型对共轨系统管路进行仿真研究, 参数的选取参考了AMESim 例子库中的设置以及BOSCH 公司的某套高压共轨系统; 共轨系统除了结构参数, 还有仿真过程的运行参数设定。
首先分别在喷油和不喷油条件下进行仿真, 喷油条件下共轨管的压力波动比不喷油时的波动大, 而且出现周期不规则的压力波动, 频率也增加。这是由于在喷油条件下, 油管嘴端压力在向喷油器供油后出现压力震荡, 这个压力震荡会波及到共轨,如果共轨管内径小则容积就小, 则在油管入口附近的燃油相对较少, 对由嘴端传来的压力振荡的吸收和衰减能力小, 共轨压力受其影响而产生振荡, 各油管产生的震荡与向喷油器供油而产生的压力变化叠加, 就会使共轨压力波动产生不规则的变化。共轨压力波动幅度对喷油器的喷油量影响较大, 而波动的不规则性将会影响各缸喷油的均匀性。共轨管的压力波动主要是由于高压油泵供油和向喷油器供油产生的压力波动叠加而成的, 通过调节高压油泵的供油周期、始点以及喷油器喷油周期、始点,选择合适的共轨管容积和高压油管长度, 两者造成的压力波动会相互抵消。
3.2 共轨管参数研究
适当的共轨管容积具有削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器因喷油过程引起压力震荡的作用, 使高压油轨中的压力波动控制在5MPa 以下, 但其容积又不能太大, 以保证共轨有足够的压力响应速度, 快速跟踪柴油机工况变化, 初步选取目前BOSCH 公司已经应用的共轨管尺寸进行仿真。在喷油条件下,压力建立时间随着共轨管容积增加而增长; 共轨管压力波动随着共轨管容积的增大而减小, 仿真得出: 共轨管容积为36mL时, 共轨管中的压力波动为30bar 左右, 共轨管容积为15mL 时,共轨管中的压力波动为41bar 左右。
共轨管容积保持在36mL, 在喷油条件, 根据仿真方案设定不同长径比进行仿真, 得出其在一定范围内变化时, 对系统的压力波动没有太大的影响如表1。表1 长径比与压力波动的关系
 设定共轨管内径为12mm, 在喷油条件下, 设定不同共轨长度进行仿真,得到结果如表2。当共轨管长度增加, 共轨管中的压力波动先减小, 后基本保持不变, 但是共轨管中的压力建立时间随着长度增加逐渐增加, 有较好的线性关系。表2 长度对压力波动与压力建立的影响
 设定共轨管长度为180mm, 在喷油条件下, 仿真结果显示,内径变小, 压力建立时间减小, 这主要是因容积减小导致。在喷油期间, 喷油器端的压力波动随着共轨管内径的变化没有明显的变化, 但是在喷油前后, 随着共轨管内径变小, 压力波动增加。随着共轨管内径增加, 共轨中的压力波动幅值逐渐减小, 但是减小的幅度逐渐变小; 压力建立时间随内径增加逐渐增加。
共轨管的压力波动随共轨管容积变化如图3 所示, 从图中可以看出, 压力波动随共轨管容积的变化分为三个阶段: 第一阶段是压力波动幅值的急速下降区; 第二阶段为压力波动幅值的缓慢下降区; 第三阶段压力波动幅值几乎不变。
4 小结
本文分析了高压共轨喷射系统的数学模型, 并且建立了高压共轨系统模型, 同时验证模型的正确性, 通过实验结果和仿真结果的比较, 得出结论, 模型能够反映实际系统特性。在此基础上, 分析了部分共轨管路参数, 以及高压泵转速和共轨管的稳定压力对共轨管压力波动的影响。上述仿真不仅仅为本研究对象的高压共轨系统选型提供依据, 同时也为后续研究和高压共轨技术的普及奠定理论基础。
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