摘要：利用AMESim软件建立仿真模型,通过与试验数据对比,验证了仿真模型能够准确预测系统各工况的喷射特性参数。通过仿真模型对低压供油压力、凸轮型线速度、柱塞配合间隙、峰值控制电流、衔铁残余气隙、阀芯配合间隙、阀芯升程、喷油器开启压力、流量系数和针阀升程等参数的波动对循环喷油量波动的影响进行了详细的分析,得出各种参数对循环喷油量波动影响的百分比量化指标:随着凸轮转速从500 r/min增加到1 300 r/min,喷油器特性参数影响从44%减小到34% ,阀芯特性参数影响从20%增大到35% ,柱塞特性参数影响从32%减小到19%,低压供油特性参数影响从4%增大到12%。并且根据试验设计的方法,考虑交互作用,进行了各种因数与循环喷油量之间的相关性分析,得出了各种因数和循环喷油量之间的相关系数,表明不但参数的单因数和循环喷油量有相关性,参数交互作用因数和循环喷油量也有相关性。
关键词：电控组合泵; 循环喷油量; 量化分析; 相关系数; AMESim
引言
为了适应日益严格的柴油发动机排放法规要求,成都威特电喷有限公司成功开发了电控组合泵燃油喷射系统。与传统的机械泵系统相比,电控组合泵是一种基于时间控制的脉动式电控燃油喷射系统,其喷油定时和喷油量都由电磁阀控制,通过对液力系统和电磁阀方面的详细优化,具有喷油定时电控柔性调节的优点。
对于电控组合泵循环喷油量的波动不仅影响了产品性能一致性、产品生命周期性能的稳定性,而且影响了产品质量的合格率。由于电控柴油发动机循环喷油量的波动会影响发动机性能的一致性,所以研究电控组合泵循环喷油量波动特性具有重大意义。本文利用AMESim软件建立系统的仿真模型,通过试验数据验证模型的准确性,分析系统各种特性参数对循环喷油量波动产生的影响,得到循环喷油量波动的量化指标,并且根据试验设计的方法进行了各种特性参数与循环喷油量之间的相关性分析。
1 系统组成和工作原理
电控组合泵系统的结构示意图见图1,它包括电控系统和机械液力系统两部分。电控系统主要包括控制单元、传感器等部分;机械液力系统则由电控组合泵、高压油管、喷油器和低压系统所组成,这两部分之间通过控制单元发出控制信号控制图2中的电磁铁,使控制阀芯关闭建立电控组合泵供油所需的高压,取代传统喷油泵中复杂的控制执行机构,实现对喷油过程的数字控制。喷油量和喷油定时通过控制阀芯的关闭时间长短和关闭时刻来调节,油泵柱塞只起供油加压作用,不再承担供油调节功能,因而油泵的结构得到简化。
图1 电控组合泵系统结构示意图
图2 电控组合泵泵体结构示意图
2 仿真模型的建立
电控组合泵系统是集电场、磁场、机械运动和流场于一体的复杂系统[ 1—2 ] ,四者之间的相互作用关系如图3所示,每个场通过各自的控制方程及相互作用的变量耦合在一起,通过油管内的波动方程,每个场的参数都会对最终的喷射特性直接或间接的起作用。本文在AMESim 软件中建立模型进行求解, 模型如图4所示。
图3 各种场的相互作用关系
图4 电控组合泵AMES im仿真模型
为了验证模型的准确性,图5是在不同凸轮转速下,在满足试验和仿真相同循环喷油量(某种机型外特性下循环喷油量)的前提下,泵端压力和嘴端压力的试验和仿真结果,可见在任何转速下泵端压力和嘴端压力都能得到很好的预测,最大偏差为7%。由于循环喷油量是喷射压力决定的参数,所以仿真模型也能够很好的预测各种工况下的循环喷油量。
图5 不同转速的实测和计算压力对比
3 特性参数的量化分析
循环喷油量是燃油喷射系统的喷射特性参数,由各种特性参数决定。对于电控燃油喷射系统,随着使用时间的增加,由于机械、电磁、液力特性的微小变化会导致循环喷油量的变化,反映在发动机上就是性能的变化,进而影响整个使用寿命期间的排放水平、动力性水平和可靠性水平[ 3—7 ] 。通过特性参数对循环喷油量波动的量化分析,得出影响大的关键特性参数,进行严格的质量控制,满足产品生命周期内性能的一致性和产品之间的性能一致性。
对于硬件参数固定的燃油喷射系统,由于制造精度和使用过程磨损等原因,对液力系统建压和喷射有影响的零部件特性参数有:低压供油油路零部件包括输油泵、滤清器和溢流阀等,反映在低压供油压力特性参数波动方面;柱塞和凸轮轴零件反映在柱塞密封特性参数波动和凸轮供油速度特性参数波动方面上;电磁阀零部件反映在控制阀芯的运动特性(峰值控制电流、电磁阀衔铁残余气隙和控制阀芯升程等特性参数的波动)和密封特性波动方面;喷油器零件反映在开启压力、喷孔流量系数和针阀升程等参数波动方面。
3. 1 低压供油特性参数影响
低压供油压力大小决定了燃油系统吸油充分程度。根据图6a得出,当低压供油压力从0. 1 MPa到0. 3MPa变化范围内,循环喷油量波动从2. 33 mm3 到7. 85 mm3 ,随着转速的增加循环喷油量波动增加,原因是高转速时,燃油系统的有效绝对吸油时间缩短,供油压力大小影响燃油系统吸油充分程度更加明显。
3. 2 柱塞特性参数影响
凸轮型线速度决定柱塞的供油速度,柱塞配合间隙决定燃油的泄漏程度。根据图6b所示,当凸轮型线速度从0. 39 mm /°CaA到0. 43 mm /°CaA内变化,随着转速的升高,循环喷油量波动范围减少,波动范围从17. 53 mm3 减小到12. 48 mm3 ,原因是与高转速相比,低转速时的单位凸轮转角的绝对时间变长,型线速度在低速起作用的时间长,对循环喷油量波动影响大。图6c中,柱塞配合间隙的变化在整个转速范围内对循环喷油量波动影响不明显,最大只有0. 48 mm3。
图6 不同特性参数对循环喷油量的影响
3. 3 阀芯特性参数影响
电磁阀组件是燃油系统的核心部分,集电磁、机械和液力于一体,阀芯的运动特性和密封特性决定了燃油系统的压力建立过程。其中决定阀芯运动特性因素是阀芯升程和阀芯受到合力的大小,合力包括电磁力、流体液动力和机械方面的小弹簧力等, 3种力中电磁力是最大的[ 8 ] ,因此本文只分析影响电磁力大小的因素。电磁场通过电磁力的大小决定了密封阀芯的关闭时刻,在电感一定的情况下,电磁场力大小与电流的平方成正比,与残余气隙的平方成反比。决定阀芯密封特性参数是阀芯配合间隙。因此从阀芯控制和密封特性两方面分析阀芯运动特性参数波动对循环喷油量波动的影响。
根据图6d～图6g所示,随着控制电流的增加循环喷油量增加,随着残余气隙和阀芯升程的增加循环喷油量减少,并且随着转速的升高,循环喷油量波动呈现增加的趋势,波动范围从2. 93 mm3 到8. 77 mm3。阀芯配合间隙的变化在整个转速范围内对循环喷油量波动影响不明显,最大只有0. 41 mm3。原因分析为,随着峰值控制电流的增加和残余气隙的减小,电磁力增加,阀芯关闭的时间变短;随着阀芯升程减小,阀芯关闭的时间也变短,在相同的控制电流脉宽情况下,阀芯关闭时间越短,柱塞有效建压时间越长,循环喷油量越大。阀芯运动的时间历程曲线决定了高压油管开始建立压力的过程,阀芯升程大小和阀芯配合间隙影响了燃油泄漏量,因此应从柱塞有效建压时间和燃油泄漏量两个方面原因分析特性参数的波动对循环喷油量波动的影响。随着转速的升高,循环喷油量波动一致增加的原因为:在满足发动机外特性循环喷油量下的柱塞有效建压时间是随着转速的增加而减小,高转速的阀芯关闭时间占柱塞有效建压时间的比例大,所占凸轮轴转角也比低转速大,另外由于高转速的单位绝对时间内柱塞供油量大,阀芯关闭时间长短的变化对阀芯与阀座缝隙之间燃油泄漏量影响大,所以会产生随着转速的增加,循环喷油量波动增加的现象。
3. 4 喷油器特性参数影响
喷油器特性参数的稳定性影响了发动机性能和排放稳定性。根据图6h～图6 j所示,喷油器流量系数的波动对循环喷油量波动影响最大,在整个转速范围内都为19. 5 mm3 左右,随转速的变化规律不明显。喷油器针阀升程的波动对循环喷油量波动影响最小,在整个转速范围内都为1. 77 mm3 左右,也随转速的变化规律不明显。喷油器开启压力对循环喷油量波动影响在2. 27 mm3 到6. 06 mm3 范围内, 700 r /min 到1 300 r/min凸轮转速范围内循环喷油量波动都为2. 27mm3 左右,在500 r/min 和600 r /min 凸轮转速范围内,循环喷油量波动有所增加,整个转速范围呈现出随着转速的升高,循环喷油量波动微量减小的趋势,原因分析为由于不同开启压力决定了不同的喷油延迟,进而影响了有效喷油时间,喷油延迟时间长短是由高压油管内压力建立速度快慢决定的;高速时,单位绝对时间的柱塞供油量大,高压油管内压力建立快,喷油器针阀开启的延迟时间短,进而在高速时喷油器开启压力的变化对循环喷油量波动影响小;由于相同转速下,延迟时间长短随着开启压力的不同变化小,又不会影响柱塞有效建压时间,所以随着转速的变化循环喷油量波动仅表现出微小的差别。
3. 5 循环喷油量波动量化分析
通过燃油系统各种特性参数分析得出各种转速下循环喷油量波动的绝对值大小,图7得出了不同特性参数对应的循环喷油量波动百分比,得出各种特性参数对循环喷油量波动影响的量化指标。影响循环喷油量波动的各特性参数所占的百分比:喷油器流量系数所占百分比为28%～33% ,与转速变化规律不明显;凸轮型线速度和喷油器开启压力所占百分比分别为19%～31%、3%～11% ,随着转速的升高而降低;峰值控制电流、衔铁残余气隙、低压供油压力和阀芯升程所占百分比分别为9%～13%、5%～13%、4%～12%、5%～8% ,随着转速的升高而降低;喷油器针阀升程、阀芯配合间隙和柱塞配合间隙所占百分比总和只有4% ,与转速变化规律不明显。
图7 不同特性参数对应的循环喷油量波动百分比
根据特性参数所属的零部件种类,把特性参数分为4种类别,图8给出了各种类别所占循环喷油量波动百分比,随着凸轮转速从500 r /min增加到1 300 r /min,喷油器特性参数影响从44%减小到34% ,阀芯特性参数影响从20%增大到35% ,柱塞特性参数影响从32%减小到19% ,低压供油特性参数影响从4%增大到12% ,可见喷油器特性参数所占百分比最大,控制喷油器流量系数的稳定性是非常重要的。柱塞特性参数中凸轮型线速度参数影响最显著可以通过加强凸轮轴支承刚度和提高连轴器精度的方式来减小。阀芯特性参数主要影响控制系统的有效供油脉宽,通过控制系统的反馈控制功能可以避免阀芯特性参数影响的显著性。低压供油特性参数影响可以通过改进输油泵供油压力稳定性、滤清器清洁度和溢流阀性能稳定性等来减小。
图8 不同零件特性参数对应的循环喷油量波动百分比
3. 6 循环喷油量相关性分析
图9是不考虑交互作用下的各特性参数与循环喷油量的相关性关系。喷油器流量系数与循环喷油量的相关系数最大,随着转速的升高变化规律不明显;凸轮型线速度和喷油器开启压力与循环喷油量的相关系数绝对值(负相关系数表示影响参数增加,循环喷油量减少)随着转速的升高而减小;峰值控制电流、衔铁残余气隙(负相关系数) 、低压供油压力和阀芯升程(负相关系数)与循环喷油量的相关系数绝对值随着转速的升高而增大;喷油器针阀升程、阀芯配合间隙和柱塞配合间隙与循环喷油量的相关系数小。随着转速的变化,各种特性参数和循环喷油量之间的相关系数的变化规律与特性参数影响的循环喷油量波动百分比的变化规律相同。由相关系数分析得出特性参数和循环喷油量的关系正负相关都存在,图9没有考虑交互因数的作用效果,因此去掉喷油器针阀升程、阀芯配合间隙和柱塞配合间隙相关系数小的因数下进行交互作用下的各种因数与循环喷油量的相关性分析。
图9 不同特性参数与循环喷油量的相关性
图10是考虑交互作用下的35种因数与循环喷油量的相关性分析结果,可知不但各种参数与自身的交互作用因数对循环喷油量有相关性,而且不同参数间的交互作用因数与循环喷油量也有相关性,并且随着转速的变化表现出不同的规律,交互作用的因数在高转速起作用明显。图10中, 衔铁残余气隙与衔铁残余气隙的交互因数10在1 300 r/min具有- 0. 116的相关系数,在800 r /min和500 r /min分别为0. 014、0. 015的正相关系数,可见交互因数的相关性随着转速的变化正负相关性也在变化,因数8、12、16、24、29和32随着转速的变化相关性的正负也有变化;因数28在1 300 r /min的相关系数为- 0. 14,其它转速非常小;因数17、20、22和35在3种转速下相关系数都为0。因此循环喷油量波动问题是各种特性参数复杂的交互作用结果的综合表现。
1—峰值控制电流; 2—阀芯升程; 3—衔铁残余气隙; 4—喷油器开启压力; 5—喷油器流量系数; 6—凸轮型线速度; 7—低压供油压力; 8—峰值控制电流3 峰值控制电流; 9—阀芯升程3 阀芯升程; 10—衔铁残余气隙3 衔铁残余气隙; 11—喷油器开启压力3 喷油器开启压力; 12—喷油器流量系数3喷油器流量系数; 13—凸轮型线速度3 凸轮型线速度; 14—低压供油压力3 低压供油压力; 15—峰值控制电流3 阀芯升程; 16—峰值控制电流3 衔铁残余气隙; 17—峰值控制电流3 喷油器开启压力; 18—峰值控制电流3 喷油器流量系数; 19—峰值控制电流3 凸轮型线速度; 20—峰值控制电流3 低压供油压力; 21—阀芯升程3 衔铁残余气隙; 22—阀芯升程3 喷油器开启压力; 23—阀芯升程3 喷油器流量系数; 24—阀芯升程3 凸轮型线速度; 25—阀芯升程3 低压供油压力; 26—衔铁残余气隙3 喷油器开启压力; 27—衔铁残余气隙3 喷油器流量系数; 28—衔铁残余气隙3 凸轮型线速度; 29—衔铁残余气隙3 低压供油压力; 30—喷油器开启压力3 喷油器流量系数; 31—喷油器开启压力3 凸轮型线速度; 32—喷油器开启压力3 低压供油压力; 33—喷油器流量系数3 凸轮型线速度; 34—喷油器流量系数3 低压供油压力; 35—凸轮型线速度3 低压供油压力 ( 3 表示两个因素共同影响)
图10交互作用下的各种因数与循环喷油量的相关性
4 结论
(1) 建立的AMESim模型能够准确预测系统各工况的喷射特性参数。
(2) 利用AMESim模型分析得出各种参数对循环喷油量波动影响的百分比量化指标:随着凸轮转速从500 r /min增加到1 300 r /min,喷油器特性参数影响从44%减小到34% ,阀芯特性参数影响从20%增大到35% ,柱塞特性参数影响从32%减小到19% ,低压供油特性参数影响从4%增大到12%。
( 3) 根据试验设计的方法,得出了各种特性参数以及交互作用因数与循环喷油量之间的相关系数,通过相关系数分析得出循环喷油量波动问题是各种特性参数复杂的交互作用结果的综合表现,喷油器流量系数和凸轮型线速度影响最大。
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