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(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 200093）

0 引言

電動燃油泵基本功用是連續(xù)不斷地把燃油從汽油箱吸出，給燃油系統(tǒng)提供規(guī)定壓力和流量的燃油?；陔妱尤加捅玫墓δ芸芍妱尤加捅玫男阅艿暮脡膶⒅苯佑绊懓l(fā)動機(jī)的工作性能，所以對于電動燃油泵的仿真分析和性能優(yōu)化將對發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化起重要作用。借助AMESim軟件對電動燃油泵的工作過程進(jìn)行仿真分析，深入研究電動燃油泵流量和壓力的關(guān)鍵要素，以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，對電動燃油泵的性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效提升電動燃油泵性能，減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

1 系統(tǒng)建模

本課題研究的電動燃油泵的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，電動燃油泵由泵體、直流電機(jī)和殼體三部分組成。它的基本工作原理是直流電機(jī)通電后帶動泵殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子軸下端的切面與葉輪的內(nèi)孔切面相結(jié)合，使得當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候通過轉(zhuǎn)子軸帶動葉輪一起同向旋轉(zhuǎn)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)過程中在進(jìn)油口部分造成真空低壓，進(jìn)而將經(jīng)過過濾處理的燃油從泵蓋的進(jìn)油口吸入，吸入的燃油經(jīng)燃油泵葉輪加壓后進(jìn)入泵殼內(nèi)部再通過出油口壓出，為燃油系統(tǒng)提供具備一定壓力的燃油。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)包括固定在泵殼殼體內(nèi)壁上的永磁鐵、通電后能夠產(chǎn)生磁力矩的轉(zhuǎn)子和安裝在泵殼上端的石墨碳刷組件。碳刷與電樞轉(zhuǎn)子上的換向器處于彈性接觸狀態(tài)，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(gè)不可拆卸的總成。基于AMESim軟件的模型庫的規(guī)劃特點(diǎn)結(jié)合電動燃油泵的結(jié)構(gòu)和工作特性，將電動燃油泵的仿真模型系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：機(jī)械模塊、電磁模塊和液力運(yùn)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(tǒng)。

圖1 電動燃油泵的結(jié)構(gòu)簡圖

在建模之前，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖運(yùn)用AMESim軟件創(chuàng)建了如圖2所示的電動燃用泵系統(tǒng)模型，并根據(jù)該模型分別建立了電磁控制模塊、機(jī)械模塊和液力運(yùn)動模塊三個(gè)子模型。

1.1 系統(tǒng)初步模型創(chuàng)建

圖2 電動燃油泵模型示意圖

根據(jù)電動燃油泵模型示意圖，我們就機(jī)械模塊、液力模塊、電磁控制模塊這三個(gè)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(jī)元件，直流電源，動態(tài)信號，階躍控制信號。機(jī)械模塊我們選擇了質(zhì)量模型元件，彈簧模型元件，轉(zhuǎn)矩負(fù)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(jié)流口元件，油液屬性和油箱元件，流量計(jì)元件。

根據(jù)以上三個(gè)模塊的元件我們建立了電動燃油泵系統(tǒng)的幾個(gè)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(zhuǎn)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(chuàng)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(qiáng)烈的三維效應(yīng)，AMESim庫沒有提供相適應(yīng)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(jìn)行替代，因此，本文利用AMESim軟件包中的AMESet軟件專門創(chuàng)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(chuàng)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(jī)械傳動端口。與葉輪相連接的四個(gè)元件分別是一個(gè)轉(zhuǎn)矩負(fù)載模型、一個(gè)零轉(zhuǎn)矩源和兩個(gè)容積腔，其中兩容積腔與葉輪模型的兩個(gè)流體端口相連接，轉(zhuǎn)矩負(fù)載元件和零力源模型與葉輪模型的兩個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)動端口相連接。因此設(shè)置3端口的轉(zhuǎn)矩為向外輸出，接收外部的轉(zhuǎn)速信息，4端口跟3端口為同軸關(guān)系設(shè)置4端口的輸出為轉(zhuǎn)速、輸入為轉(zhuǎn)矩，設(shè)置1、2流體端口具備三個(gè)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(shù)定義完成之后，使用AMESet軟件生成C語言代碼，導(dǎo)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(gè)模型系統(tǒng)的各元件端口均封閉且正確連接，至此這個(gè)電動燃油泵的仿真模型創(chuàng)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(zhuǎn)子和葉輪等部件的參數(shù)設(shè)置之后。使用單一的階躍信號作為信號控制源，依據(jù)相應(yīng)參數(shù)的要求檢驗(yàn)仿真結(jié)果，驗(yàn)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(wěn)定在接近1.6L/min的位置，根據(jù)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(jié)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(wěn)定狀態(tài)，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(shí)開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)。對應(yīng)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(guī)定的卸壓壓力范圍內(nèi)，隨著燃油壓力的趨于穩(wěn)定安全閥的流量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)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(nèi)部油壓達(dá)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(yīng)較快。結(jié)果表明，本系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)了電動燃油泵的功能，證明了仿真結(jié)果的正確性。

2.2 動態(tài)輸入仿真結(jié)果

根據(jù)我國汽車測試的六個(gè)工況，設(shè)計(jì)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(gè)工況下的工作性能，以及能否較快的響應(yīng)系統(tǒng)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(dá)到汽車在六個(gè)工況下的使用需求，但是同時(shí)我們也可以看出它的一些缺點(diǎn)，電動燃油泵在啟動初期響應(yīng)時(shí)間較長和啟動后油壓又提升過高，造成了對供油系統(tǒng)和燃油泵本身較高的負(fù)荷。所以我們就需要對電動燃油泵進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決啟動初期響應(yīng)時(shí)間較長和啟動后油壓又提升過高的問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，同時(shí)結(jié)合之前對電動燃油泵結(jié)構(gòu)性能的分析，我們設(shè)計(jì)了流量和油壓問題的調(diào)節(jié)方案。

圖15 優(yōu)化的電動燃油泵模型系統(tǒng)

如圖15所示，在原有模型基礎(chǔ)上添加控制線路，通過使用安裝在單向閥出口的流量計(jì)檢測出油口的流量大小，將信息反饋經(jīng)過判斷函數(shù)的邏輯控制調(diào)節(jié)向電壓元件輸出的控制信號進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)如圖16和17所示，安全閥的調(diào)節(jié)作用更加顯著，對應(yīng)與單向閥的流量控制，可以看出，當(dāng)壓力超過安全閥的開啟壓力時(shí)安全閥迅速打開，由于油液壓力的下降導(dǎo)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(shí)安全閥閥門關(guān)閉，泵殼內(nèi)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(zhuǎn)為增大，直到燃油壓力再次達(dá)到安全閥的開啟壓力時(shí)新一輪的調(diào)節(jié)開始起作用。通過對輸入信號的反饋控制穩(wěn)定了燃油流量和壓力的穩(wěn)定輸出，使其波動在一個(gè)較小的范圍內(nèi)發(fā)生，從單向閥的流量方面可以看出控制調(diào)節(jié)后流量能夠迅速達(dá)到規(guī)定的流量值并在上升階段受安全閥的調(diào)整迅速回落到規(guī)定值附近，顯示出調(diào)節(jié)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(jù)圖18可以看出單向閥在動態(tài)輸入時(shí)的出油流量在優(yōu)化前后的對比分析曲線，可以看出優(yōu)化后在啟動初始階段能夠迅速達(dá)到1.5L/min，滿足發(fā)動機(jī)燃油需求，解決了初始階段的遲滯現(xiàn)象，當(dāng)處于減速階段的時(shí)候，優(yōu)化后的模型系統(tǒng)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(guī)定值附近。圖19顯示安全閥在優(yōu)化后相對響應(yīng)要快，同時(shí)在減速階段能夠較快的將流量降低到零，實(shí)現(xiàn)保壓保證時(shí)刻供油系統(tǒng)提供規(guī)定壓力的燃油。

4 結(jié)論

1）使用AMESim軟件結(jié)合AMESet軟件完整地創(chuàng)建了具有強(qiáng)烈三維效應(yīng)的電動燃油泵整體模型系統(tǒng)。

2）順利完成了對電動燃油泵整個(gè)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(yīng)時(shí)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(guān)子模型庫設(shè)計(jì)出針對其流量特性進(jìn)行調(diào)整的優(yōu)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(yōu)化提供了一種新的思路。

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