張志清

（1.欽州學(xué)院，欽州 535000；2.集美大學(xué) 廈門 361000）

0 引言

自狄賽爾發(fā)明“壓縮式點(diǎn)燃式柴油機(jī)”的一百多年發(fā)展歷史中，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)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(guī)的日益嚴(yán)格，燃油價(jià)格的不斷攀升，對柴油機(jī)的排放性能和經(jīng)濟(jì)性能提出了更高的要求。尤其是Tier II實(shí)施以后，進(jìn)一步限制了船舶柴油機(jī)氮氧化物的排放。然而，柴油機(jī)的電控化控制是滿足該規(guī)則的有效途徑。而電控單體泵是第二代時(shí)間控制式的電控燃油噴射系統(tǒng)，它不僅可以提高燃油噴射壓力，而且可以有效地實(shí)現(xiàn)噴油量和噴油定時(shí)的控制，來優(yōu)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(tǒng)進(jìn)行建模，對燃油的噴射系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 噴射系統(tǒng)的組成

電控單體泵主要由機(jī)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(zhí)行器組成。傳感器主要作用是檢測當(dāng)前柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)各個(gè)方面的數(shù)據(jù)（如水溫、油溫、中冷器前后溫度、轉(zhuǎn)速、各種壓力等參數(shù)）。噴射控制系統(tǒng)主要是由微機(jī)組成，根據(jù)采集到的柴油機(jī)傳感器的各種信號及各種操作信號，正確識(shí)別出當(dāng)前柴油機(jī)運(yùn)行的工作狀態(tài)，控制柴油機(jī)進(jìn)入相對應(yīng)的控制模塊，并按已經(jīng)標(biāo)定好的柴油機(jī)特性，控制柴油機(jī)的運(yùn)行[4,5]。機(jī)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(jìn)/出油口、拉桿、柱塞、調(diào)整墊片、回位彈簧和調(diào)整墊片組成[6]。

2 仿真模型的建立及驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

電控單體泵是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括了機(jī)械運(yùn)動(dòng)、流場、電場和磁場方面的知識(shí)。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，從而進(jìn)行噴射性能參數(shù)分析。

2.1.1 泄漏模塊

在噴油系統(tǒng)的運(yùn)行中，考慮到針閥體內(nèi)部間隙的泄漏，有環(huán)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(yùn)動(dòng)粘度；δ為控制活塞與配合面間隙。

2.1.2 運(yùn)動(dòng)件模塊

根據(jù)靜力平衡關(guān)系，得到閥桿和針閥機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程分別如下：

式中：m為運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)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(fù)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(jù)流體力學(xué)中動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和連續(xù)性方程，高壓油管內(nèi)的波動(dòng)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(shù)；p為燃油壓力；a為油管內(nèi)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(jī)噴射系統(tǒng)中, 高速強(qiáng)力電磁閥的動(dòng)作決定了燃油的噴射定時(shí)和噴油量。它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接影響燃油噴射壓力和柱塞泵腔內(nèi)燃油壓力的卸載速度等特性，直接影響柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)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(yīng)渦流、漏磁及鐵磁的磁阻。根據(jù)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(dǎo)率，為一定值；i為電磁閥線圈電流；N為電磁閥線圈匝數(shù)（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(jié)構(gòu)中線圈匝數(shù)，真空磁導(dǎo)率和電磁鐵作用面積為常數(shù)，如果銜鐵與電磁鐵之間的間隙一定時(shí)，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(qū)動(dòng)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?yàn)殡娐房傠娮璞容^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(qū)動(dòng)電壓決定的。當(dāng)線圈電感一定時(shí)，電流的變化率和驅(qū)動(dòng)電壓成正比。在電磁閥動(dòng)作過程中，電流的變化率，應(yīng)該以最快的速度達(dá)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(yīng)，在AMESim環(huán)境中，引入容積模塊?；谀芰渴睾愫土黧w力學(xué)的相關(guān)的知識(shí)，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(yàn)證

在建立電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)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(gòu)成電控單體泵單缸燃油噴射系統(tǒng)AMESim仿真模型，如圖1所示。在搭建系統(tǒng)的草圖仿真模型后，再給每個(gè)元件模塊結(jié)合式（1）匹配合適的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理等相關(guān)參數(shù)，設(shè)置仿真模型中各子模型的參數(shù)，得出了子模型。

圖1 電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)仿真模型圖

表1 電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)主要參數(shù)

在建立好數(shù)學(xué)模型以后，為了保證它的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，必須通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗(yàn)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(zhuǎn)速在500 r/min、噴孔直徑0.26mm時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對比圖，其中圖2是油泵試驗(yàn)臺(tái)得出的噴油規(guī)律試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真曲線的曲線對比圖。圖3是柴油機(jī)在運(yùn)行試驗(yàn)得出的泵端壓力和仿真曲線的對比圖。由兩圖試驗(yàn)曲線和仿真曲線對比可知，柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的噴射規(guī)律和噴油提前角基本相一致，表明能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測燃油噴射系統(tǒng)的噴油規(guī)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(yàn)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(guān)的參數(shù)（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(jī)凸輪轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速來仿真分析燃油噴射系統(tǒng)的燃油噴油規(guī)律。在研究單個(gè)因素影響時(shí)，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(jī)噴油規(guī)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(jié)束的時(shí)刻也相應(yīng)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(dòng)的時(shí)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(dòng)的阻力變大。

圖4 油管長度對噴油規(guī)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(xù)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(shí)間最長，降壓最慢。這主要是因?yàn)楦邏河凸艿墓軓皆叫。麄€(gè)高壓油管的容積就越小，建壓就越快，泵端壓力本應(yīng)該比較高，但是由于管徑越小，燃油在管內(nèi)流動(dòng)受到的阻力比較大。反之，燃油流動(dòng)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(xù)角就比較大。

圖6 油管直徑對噴油規(guī)律的影響曲線圖

圖7 油管直徑對噴油規(guī)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(guī)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(dāng)脈寬一定時(shí)，凸輪型線速度越大，建壓就越快，同時(shí)噴油量也增加。

圖8 凸輪型線對噴油規(guī)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(guī)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(xù)時(shí)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(yīng)的升高。主要是因?yàn)橹睆皆酱螅裼蜋C(jī)燃油系統(tǒng)的供油速率增大，系統(tǒng)中建壓的時(shí)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(guī)律的影響圖

圖11 柱塞直徑對泵端壓力曲線圖

3.5 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速

如圖12所示，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，噴油速率和噴油持續(xù)時(shí)間都增大。同時(shí)，噴油提前角都有增大的趨勢。如圖13所示，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對泵端壓力影響比較明顯，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，油泵的泵端壓力升高，增大比較明顯。這主要是因?yàn)椴裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速越大，柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中建壓的時(shí)間變短，泄露量減少，噴射壓力升高，噴油提前角增大。

圖12 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對噴油規(guī)律的影響圖

圖13 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對泵端壓力曲線圖

4 結(jié)論

本文利用驗(yàn)證的AMESim仿真模型進(jìn)行仿真研究主要得到了一下結(jié)論：

1）高壓油管的長度對噴油規(guī)律影響比較小，泵端壓力有減小的趨勢，但是影響不是很明顯。

2）高壓油管管徑大小對噴油規(guī)律的影響主要有兩方面的影響。管徑越小，管內(nèi)容積越小，建壓隨越快，但是燃油流動(dòng)的阻力增大，泵端壓力下降。

3）凸輪型線速度、柱塞直徑影響比較明顯。隨著凸輪型線速度、柱塞直徑的增加，噴油速率和泵端壓力增加。

4）隨著柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速的升高，噴油速率、噴油持續(xù)時(shí)間和噴油壓力增加；噴油時(shí)間有增大的趨勢。

[1]范立云.新型電控柴油噴射系統(tǒng)的開發(fā)與性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),2008.

[2]喬英志.4190型柴油機(jī)工作過程仿真與性能優(yōu)化[D].廈門:集美大學(xué),2013.

[3]劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.

[4]李素文.柴油機(jī)單體泵控制系統(tǒng)研究開發(fā)[D].吉林:吉林大學(xué),2008.

[5]高維金.電控單體集成泵燃油噴射系統(tǒng)的仿真分析[D].河北:河北工程大學(xué),2011.

[6]歐陽明高,王熙,杜傳進(jìn).電控燃油噴射系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),1998,2(114):49-53.

[7]范立云,高明春,馬修真,等.電控單體泵高速電磁閥電磁力關(guān)鍵影響因素[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2012,30(4):359-364.