摘要：通过AMESim 软件建模, 对高压共轨喷油器进行模块化分析和仿真研究。将模拟结果与实测结果进行对比, 两者变化趋势比较吻合, 从而验证了模型的准确性。然后通过改变关键结构参数, 探讨了该喷油器主要结构参数对喷射过程的影响, 确定了保证系统稳定性的结构参数的选取原则, 对高压共轨电控喷油器的设计具有一定的参考价值。
关键词：高压共轨喷油器AMESim
1 前言
高压共轨喷油系统, 具有有效喷射压力高、喷油定时灵活控制、喷油压力独立控制、喷油量可控且能快速断油等特点, 因而能有效地降低柴油机油耗、排放和提高动力性。但高压共轨系统相对复杂,为此本文对该系统的核心部件———喷油器的结构参数进行仿真研究, 来了解、分析结构参数及其对燃油喷射过程的影响, 为高压共轨喷油器的结构参数的设计和优化提供参考依据, 从而降低开发成本。
比较国内各大科研机构所用模拟仿真软件,Hydsim 是当前使用较多的仿真软件, 该软件有丰富的模块库, 可以搭建高压共轨模型, 但对电磁阀模块、液力模块做了很大的简化。因此, 高压共轨系统仿真研究还需要进一步完善系统模型, 提高仿真精度, 丰富仿真研究内容。在此基础上选择了Imagine 公司的AMESim 模拟仿真软件。与Hydsim软件相比, 其优势在于其涵括了机械、液力、电磁等多方面的模块, 从而可以更好地综合分析电、机、液对喷油器特性的影响。AMESim 建模的语言是工程技术语言, 仿真模型的建立扩充或改变都是通过图形界面(GUI) 来进行的, 使用者不用编制任何程序代码, 这样使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来而专注于物理系统本身的设计。
2 模型的建立
2.1 喷油器物理模型及其工作原理
喷油器( 球阀型) 的基本结构如图1 所示, 它是由电磁阀、衔铁、球阀、控制活塞、顶杆以及针阀体组成的。喷油器根据ECU 发出的信号, 将高压油轨中的高压燃油以最佳的喷射定时、喷射量、喷射率和喷射方式喷射到发动机燃烧室中。使用球阀和节流孔对喷射进行控制, 通过球阀的开启与关闭对压力室中的压力进行控制, 从而对喷射的开始和结束进行控制。通过节流孔可以控制油嘴打开的速度来控制喷射率。压力室的压力通过控制活塞传递到喷嘴针阀来控制油嘴的打开和关闭, 当喷嘴针阀打开时, 喷嘴将燃油雾化并进行喷射。
2.2 喷油器数学模型
2.2.1 喷油器液力过程子模型[1~3]
液力过程子模型主要由共轨、连接油管和喷油器3 部分组成。喷油器是通过一些容积腔、孔、阀相互连接起来的, 同时由于喷油器开启过程中, 油液流动会导致压力波动, 所以在建模过程中, 需要考虑共轨和外部连接管道中的压力波动。当然, 在驱动信号接通的瞬间, 我们可以将共轨中的压力设为恒定值[4]。因为轨中压力波动主要是由受液力过程的影响, 对于单次喷射, 周期性运动以及喷油器动作对压力波动所造成的影响与液力过程的影响相比, 是可以忽略的。但是, 对于4 缸或者多缸的连续喷射, 这些因素对压力波动的影响就不可以忽略了。
1) 容积腔模型
对于一些容积模型, 比如控制腔、盛油槽、死容积, 在建立模型中, 其基本的数学模型是基于如下流量守恒方程:
式中: V———容积腔体积;
B———燃油的弹性模量;
Qi———流进或者流出的燃油流量;
dV/dt———泵唧效率。
对于移动的部件则有
其中A 是有效面积, v 是速度。
基于贝努利方程, 计算流进、流出容积腔的流量:
其中Cd 为流量系数, 对于没有气穴现象的,Cd 与孔的几何形状、液体流速、液体密度以及液体粘度相关; A 是有效面积; ρ是燃油密度。
泄漏量的计算:
根据环形间隙渗油流量公式[5]:
其中Δp 两端压力差; δ为控制活塞与配合面间隙; l 为密封长度; μ为运动粘度。
2) 管道模型
在建立燃油管道模型的时候, 考虑管道中的压力波动。采用一维连续流动方程:
q为流量速率, θ为与水平的夹角, h( q) 是与管壁的相对刚度相关的粘度摩擦。
其中c 是声速, uA 是管道的截面积。
3) 控制活塞受力平衡方程:
其中mpis 为控制活塞质量; a 控制活塞加速度;
An 针阀的承压面积; α为阻尼系数。
2.2.2 喷油器机械部件子模型[3]
每个部件根据它自身的位置以及它的维数, 可以分成2 个或者更多的元件, 如图2 所示。将质量为M的活塞分为质量分别为M1、M2 的2 个质量元件, 2 个质量元件又分别由2 个相等的质量块组成( 图中的M1 分为两个M1/2、M2 分为2 个M2/2) , 在活塞的顶端和底端分别是M1/2、M2/2, 中间部分是M1/2+M2/2, 这3 部分之间是通过弹簧和阻尼元件与相邻部分连接起来的。每个元件受到的外部作用力包括液压力Fp、阻尼力和弹性力。
对于每一个质量- 弹簧- 阻尼部件来说, 基本方程:
其中m 是质量; c 是阻尼系数; k 是弹性常
数; F 是沿喷油器轴向的力。
2.2.3 喷油器电磁铁响应特性分析
电磁铁响应特性的基本方程[6~8]
1) 电磁铁线圈电路方程
式中, U 为电磁阀驱动电压; i 为通电线圈电流; r 为线圈内阻; Φ为磁通量。
2) 磁路方程
式中, i 为电流; Nc 为线圈匝数; Φ 为磁通量; Gδ为气隙磁导; Gm 为铁磁导。
3) 电磁铁吸力计算公式
式中, Fm 为电磁力; μ0 为空气磁导率; S 为导磁面积。
4) 电磁阀衔铁运动方程
m·a=Fm+Fh- Fs- Ff
式中, Fs 为衔铁弹簧力; Ff 为衔铁及电磁阀运动阻力; Fh 为衔铁所受液压力( 其中衔铁上升时表现为辅助力, 衔铁下降时表现为阻力) ; m 为衔铁质量;a 为衔铁的运动加速度, 开启时a>0, 关闭时a<0。
2.3 喷油器的仿真模型
2.3.1 电磁阀分析
电磁阀部分, 利用AMESim 软件的电磁模块搭建电磁阀模型, 考虑2 部分: ( 1) 电磁阀驱动电路部分; ( 2) 电磁阀的内部物理结构部分。
根据电磁阀驱动电路及其方程, 搭建电磁阀的模型, 如图3 所示。最终输出的电磁力见图4, 符合喷油器的工作要求[7]。
当然, 在搭建这个模型的时候, 还是做了相应简化, 没有考虑磁滞、涡电流、磁性元件磁泄漏等因素对电磁阀性能的影响。随着试验手段和测试技术的进步, 我们会逐渐完善这个模型。
2.3.2 喷油器模型分析和验证
所建立的喷油器模型如图5 所示, 调整参数,进行验证计算, 使得模型更加准确。
为了验证模型的准确性, 将仿真计算的单次喷油量与试验所得的单次喷油量进行了对比, 参见图6。可见, 模拟结果的趋势和试验结果的趋势完全一致。在高轨压( 120 MPa) 大脉宽时的模拟结果与试验数据很吻合。小油量的不吻合主要是考虑到试验误差和测量误差, 以及在喷油器模型中弹性模块的接触刚度和接触阻尼2 个参数的设置是依托经验值。但这并不影响轨压波动的分析, 这是因为轨压波动是由于油泵向轨内瞬时泵油, 以及喷油器的瞬时喷油引起的, 只要油泵向轨内泵油的油量和喷油器的喷油量一致就可以了。因为轨压120 MPa时的模拟数据和试验数据很一致, 下文中的计算分析都是在120 MPa 时进行的。 
图6 不同轨压下喷油量的实测值和计算值
3 变参数分析[9~10]
3.1 出油节流孔A 参数的影响
在参数模式下, 将进油孔Z 直径固定在某一合适的值, 同时在压力120 MPa, 脉宽1.5 ms 的条件下, 改变出油孔A 的直径, 分析其对喷油器性能( 针阀抬起速度、喷油率) 的影响。设定出油孔基准直径为0.27 mm, 步长为0.02。图7 为A 孔对针阀抬起速度和喷油速率影响的仿真结果, 分别对应出油孔直径为0.25 mm、0.27 mm、0.29 mm和0.31 mm。
图7 出油节流孔A 直径的影响
当出油节流孔直径过小时, 电磁阀通电后, 控制腔的压力不能迅速降低, 喷油器的针阀抬起就会很慢甚至不能抬起, 喷油速率就达不到预期值; 当出油节流孔直径变大, 电磁阀通电后, 控制腔压力迅速降低, 针阀速度抬起时刻变早, 上升变快, 且最大速度变大, 快速到达喷油状态。出油节流孔直径越大, 喷油率上升速度越快, 保持最大喷油率的时间越长, 喷油量大。当直径增大到一定值时, 会带来控制腔内压力下降过于迅速, 导致针阀抬起时刻过于提前, 从而不利于形成先缓后急的喷油率曲线。出油孔孔径的改变没有对喷油结束时刻以及喷油末期速率产生影响, 不同孔径下喷油结束时间的一致性很好, 同时喷油率下降速率的一致性也比较好。
3.2 进油节流孔Z 参数的影响
在参数模式下, 将出油节流孔A 的直径固定在某一合适的值, 同时在压力120 MPa, 脉宽1.5ms 的条件下, 改变进油孔Z 直径, 分析其对喷油器性能的影响。设定进油孔Z 的基准直径为0.24mm, 步长为0.02。图8 给出了Z 孔对针阀抬起速度和喷油速率影响的仿真结果, 分别对应直径为0.22 mm 、0.24 mm、0.26 mm 、0.28 mm。
图8 进油节流孔Z 直径的影
可以看到, 进油孔直径的大小对于针阀抬起速度的影响是比较大的。进油节流孔直径过小时, 当电磁阀一旦打开, 通过回油孔迅速回油, 从而控制腔压力下降较快, 针阀迅速开启; 当电磁阀断电,关闭回油通道后, 进油孔径较小则进油速度较慢,控制腔的压力升高比较缓慢, 则针阀落座比较缓慢。当进油孔孔径过小时, 由于针阀腔的压力波动, 可能还会造成2 次喷射。进油节流孔直径越大, 针阀抬起时刻越晚, 上升越慢, 且最大速度越小; 喷油结束后, 控制腔压力迅速建立, 针阀落座迅速, 不会产生2 次喷射。但是当进油孔孔径增大到一定程度时, 电磁阀通电, 衔铁抬起后, 控制腔压力降低的速度会比较慢, 针阀开启过程变慢直至完全不能开启。
同样的道理, 进油口直径对针阀升程的影响等同于对喷油率的影响。直径越大, 针阀抬起初始时刻越后延, 同时回位时刻也会提前, 即在针阀最高位移保持时间越短。随着进油口直径的增加, 喷油率迅速增加的时刻会相应后移, 而且保持在最大喷油率的持续时间会缩短。这是由于直径增大, 会造成一开始进入盛油槽的油量相对减小, 导致喷油率迅速增加的起始时刻后移, 同时进油口直径的增加, 在泄油口直径保持不变的情况下, 进油口直径的增加, 会使得控制活塞顶端的油量增加, 从而使得控制活塞下移, 也就使得喷油持续时间变得更短, 所以在大直径下, 针阀会表现得“晚开早闭”。
3.3 其它参数的影响
1) 顶杆弹簧预紧力对喷油率的影响
虽然顶杆弹簧的预紧力相比于作用在其上的液压力是很小的, 但它的大小对喷油速率也有一定的影响: 预紧力的增加, 会导致喷油起始时刻的延迟, 同时喷油结束时刻提前, 参见图9。
图9 弹簧预紧力对喷油率的影响
2) 控制活塞质量对喷油速率的影响
由图10 可见, 控制活塞质量越小, 针阀上升的越快, 同时针阀落座的速率也越大。
图10 控制活塞质量对喷油速率的影响
3) 控制腔容积对喷油速率的影响
控制腔容积的大小, 对控制腔控制压力的建立有很大影响。在容许的范围内, 容积较小的情况下, 电磁阀开启后控制腔的压力迅速降低, 针阀可以快速响应, 喷油率可以较快的达到最大, 同时, 在电磁阀结束通电后, 腔内可以迅速建立高压, 从而可以保证针阀的迅速关闭。反之, 当控制腔容积增大后, 就会使得系统反应速度减缓。综合以上, 在选取控制腔容积大小的过程中, 要既能满足系统反应的迅速, 又不能因为选取的容积过小导致针阀开启过早, 喷油率在最大值持续时间太长;同时还不能因为选取容积过大, 导致系统响应缓慢, 喷油率达不到最大值, 影响柴油机性能。
图11 控制腔容积对喷油速率的影响
4 结论
利用AMESim 软件建立了共轨喷油器模型,对喷油器主要结构参数对喷油特性的影响进行了分析研究, 可以得到如下结论。
1) 进、回油孔直径的大小对系统性能有重要的影响, 而且进油孔直径只能在一定范围内变动,且只能在较小范围内变化, 回油孔孔径可以在较大范围内变动。所以在选取进、回油孔直径的时候,要综合考虑系统要求, 根据喷油量、喷油速率的要求来选取合适的进、回油孔直径。
2) 顶杆弹簧预紧力的选取是和系统响应时间以及喷油结束时间相匹配的。
3) 控制活塞的质量在允许的范围内取小值,提高喷油器的响应速度。
4) 控制腔容积在保证针阀正常开启的前提下,尽可能减小。
参考文献
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