趙萬林，李國岫，王蘭，李治洪，王杰，何雙毅

(1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

日益激烈的發(fā)動機(jī)市場競爭對高壓供油系統(tǒng)的性能與設(shè)計都提出了非常高的要求，比如噴射壓力進(jìn)一步提高，噴油量進(jìn)一步增大。單體泵燃油噴射系統(tǒng)是能夠滿足高壓供油系統(tǒng)高要求的一種產(chǎn)品[1]，其不但具有噴油量和噴油正時靈活可控的工作特性，而且具有較高的噴射壓力和良好的工作可靠性，主要用于中大功率柴油機(jī)[2-3]。近年來，隨著計算機(jī)性能的持續(xù)提高，計算機(jī)建模和仿真技術(shù)得到迅速發(fā)展，對單體泵燃油系統(tǒng)的研究已經(jīng)從以前的面向單一部件、單一因素、單一過程的研究發(fā)展到目前面向燃油系統(tǒng)整體、多因素的全局仿真，即復(fù)雜系統(tǒng)的耦合仿真技術(shù)。

北京理工大學(xué)的仇濤等[4]建立了電控單體泵燃油系統(tǒng)數(shù)值模型，并用AMESim軟件進(jìn)行了仿真計算，優(yōu)化了凸輪型線，提高了單體泵燃油系統(tǒng)的供油性能。上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院的張廷羽、張國賢與上海交通大學(xué)張勝昌等[5-6]建立了高速電磁閥的電、磁、機(jī)、液數(shù)值模型，并利用Ansys/AMESim軟件將上述模型聯(lián)系起來求解，提出了高速開關(guān)電磁閥的優(yōu)化方案與新算法。經(jīng)過該優(yōu)化方法，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。伊朗的錫斯坦和Baluchestan大學(xué)的Behrouz Najjari[7]用數(shù)值模擬方法建立了基于PWM技術(shù)和FLC的電動-氣動位置控制閥模型,包含電子系統(tǒng)、磁系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)以及流體系統(tǒng)。

以上研究方法均是采用一維仿真軟件來實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)際問題中，對于不同結(jié)構(gòu)的電磁控制閥，其控制閥腔形、結(jié)構(gòu)尺寸等均存在著較大差異，對單體泵燃油系統(tǒng)的流通特性、響應(yīng)特性等有著很大的影響，因此，一維仿真不能較好地反映出單體泵燃油噴射系統(tǒng)控制閥內(nèi)燃油的真實(shí)流通特性，更無法得知零部件局部結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)流通特性的影響。CFD三維仿真軟件能夠清晰地給出燃油在控制閥內(nèi)部的壓力、速度分布，對于控制閥的優(yōu)化設(shè)計具有很重要的地位。在過去的15年中有人相繼提出了采用RANS[8]方法與DNS[9]方法來研究電磁閥內(nèi)部的流動現(xiàn)象，但是兩者是基于流動的理論方程建立的，這種方法不是很嚴(yán)謹(jǐn)。浙江大學(xué)流體動力傳遞和控制國家重點(diǎn)試驗(yàn)室的Bing Xu等[10]用數(shù)值方法建立了高響應(yīng)、大流量三級轉(zhuǎn)換閥的電磁機(jī)液模型，并分析了其動態(tài)特性，仿真結(jié)果表明控制壓力是影響主閥響應(yīng)的主要參數(shù)。西安理工大學(xué)的馬玉山等[11-12]利用Ansys CFD軟件研究調(diào)節(jié)閥閥芯在運(yùn)動狀態(tài)下的動態(tài)不平衡力，通過建立閥體內(nèi)部流場模型，對可變壓差下自動調(diào)節(jié)閥閥門內(nèi)部的流場進(jìn)行分析。土耳其Uludag大學(xué)建筑工學(xué)院機(jī)械工程系的Elif Erzan Topcu等[13]用Matlab/Simulink建立了電動氣動高速開關(guān)閥的電磁-機(jī)-液模型并研究了相關(guān)特性，并通過試驗(yàn)證明了模型的可靠性。印度瓦薩維工程學(xué)院的C. Srikanth等[14]使用動網(wǎng)格來研究典型閥門氣體的流體動力學(xué)特性，通過CFD中的動網(wǎng)格方法可以實(shí)時地觀察流體流動行為，同時能幫助優(yōu)化閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果表明，腔內(nèi)壓力變化受腔結(jié)構(gòu)的曲率變化影響很大。以上對電磁控制閥的聯(lián)合三維仿真大部分是使用CFD來計算控制閥的內(nèi)部流場分布情況，在以上研究中，模型壓力安全閥被大大簡化了。隨著計算機(jī)建模和仿真技術(shù)的迅速發(fā)展和對產(chǎn)品要求越來越高，求解單一領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)今產(chǎn)品的開發(fā)需要。

綜上所述，單體泵燃油系統(tǒng)是一個涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間還存在相互聯(lián)系、相互作用、相互耦合的關(guān)系。電磁控制閥是燃油系統(tǒng)的核心部件，其對燃油系統(tǒng)的控制是通過電磁原件連接閥體在控制閥腔來回運(yùn)動進(jìn)而控制閥腔內(nèi)部流體流動來實(shí)現(xiàn)的，所以應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究控制閥腔內(nèi)燃油的流動狀況以及燃油流動與閥腔結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)之間的動力學(xué)關(guān)系，建立燃油系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，通過仿真分析，考慮多系統(tǒng)之間的作用關(guān)系。

本研究通過Ansys Maxwell軟件建立電磁控制閥仿真模型，用Fluent軟件建立單體泵部分流場模型，通過Workbench聯(lián)合仿真平臺和UDF程序?qū)㈦姶砰y仿真模型與流場仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，并用UDF程序?qū)⒏邏哼吔鐗毫η€以及柱塞速度曲線動態(tài)鏈接至瞬態(tài)三維流場，將動網(wǎng)格技術(shù)與運(yùn)動部件的位移變化相結(jié)合，開展電磁-機(jī)-液三維聯(lián)合仿真計算，研究壓縮供油過程單體泵流通特性及動態(tài)響應(yīng)特性，綜合考慮復(fù)雜的電磁轉(zhuǎn)換與機(jī)械運(yùn)動以及燃油流動之間的作用關(guān)系。該研究可為單體泵燃油系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化以及柴油機(jī)的動力、排放性能的進(jìn)一步提高提供理論參考依據(jù)。

1 單體泵燃油系統(tǒng)供油過程的仿真方法

1.1 單體泵燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

電控單體泵供油系統(tǒng)主要由凸輪、供油泵、高響應(yīng)電磁控制閥、高壓油管和噴油器總成組成(見圖1)。供油過程工作原理：當(dāng)凸輪位于基圓位置時，柱塞位于下止點(diǎn)，此時高壓管道與低壓管道的燃油壓力是相等的；凸輪軸旋轉(zhuǎn)，凸輪通過挺柱驅(qū)動柱塞向上運(yùn)動，此時高壓區(qū)的壓力沒有快速上升。當(dāng)電磁閥通電，電磁力驅(qū)動銜鐵帶著閥芯運(yùn)動關(guān)閉控制閥，柱塞繼續(xù)向上運(yùn)動壓縮燃油，高壓油道壓力增高。

圖1 單體泵燃油系統(tǒng)示意

1.2 模型的建立

1.2.1電磁控制閥模型建立及網(wǎng)格劃分

圖2示出基于Ansys Workbench仿真平臺搭建的電磁-機(jī)-液聯(lián)合仿真模型，其中使用Maxwell軟件建立電磁閥模型，使用Fluent軟件建立單位流場模型。

圖2 Workbench中三維聯(lián)合仿真模塊的連接

電磁閥的有限元模型見圖3。模型由Maxwell軟件建立，主要由鐵芯、線圈、銜鐵等組成。線圈繞在鐵芯上，當(dāng)線圈通電時，電磁閥直接產(chǎn)生電磁力。銜鐵克服彈簧力的作用，帶動閥芯一起運(yùn)動。

圖3 磁路系統(tǒng)電磁閥及其網(wǎng)格模型

利用UG軟件根據(jù)單體式噴油泵燃油系統(tǒng)建立控制閥腔和柱塞腔的燃油流道幾何模型，模型幾何模型及尺寸見圖4和表1。

圖4 三維流場幾何模型

高壓管道直徑d1/mm3低壓管道直徑d2/mm4柱塞腔直徑d3/mm15高壓管道長度d4/mm28柱塞腔高度d5/mm11.6行程止擋直徑d6/mm6.36閥桿直徑d7/mm4.36閥芯頭部直徑d8/mm5.4高壓油管長度d9/mm33.7流道圓角半徑α/mm1

模型采用混合網(wǎng)格(即結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方式)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。高壓管道和柱塞腔采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，控制閥腔為復(fù)雜的不規(guī)則幾何體，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，流場網(wǎng)格模型見圖5。為了保證仿真結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，對壓力、速度梯度變化較大的閥口處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。網(wǎng)格質(zhì)量主要用兩個參數(shù)來衡量：等角度扭曲率和縱橫比率[15]，一般情況下四面體網(wǎng)格的等角度扭曲率小于0.85。在本研究的模型中，模型的等角度扭曲率為0.756。采用網(wǎng)格獨(dú)立性分析找到了在保證計算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上減小CPU總時間所需的網(wǎng)格精度。此模型總網(wǎng)格數(shù)為103.89萬，單個服務(wù)器計算時間大約30 h。

圖5 單體泵蓄壓過程三維流場網(wǎng)格模型

1.2.2單體泵燃油系統(tǒng)電磁-機(jī)-液耦合關(guān)系設(shè)置

閥芯運(yùn)動方式通過UDF來描述，UDF將三維電磁軟件Ansys Maxwell計算的電磁閥“時間-位移-電磁力”曲線關(guān)系編譯進(jìn)Fluent流場，閥芯的關(guān)閉過程受電磁力、彈簧力、液壓力及摩擦力的綜合作用，仿真計算中考慮到了電磁、機(jī)、液等方面的復(fù)雜因素。

柱塞的運(yùn)動邊界條件從一維液力仿真模型引入[16]，圖6示出一維模型中供油過程柱塞速度曲線。提取3.54～4.44 ms過程的柱塞速度曲線，對控制閥關(guān)閉過程流場進(jìn)行瞬態(tài)仿真，燃油從低壓油道流入高壓油道，故低壓控制閥的低壓油道設(shè)置為壓力入口邊界條件，加載曲線見圖6。為了實(shí)現(xiàn)蓄壓過程，將高壓油道的出口設(shè)置為Wall。使用UDF用戶自定義程序?qū)⒅\(yùn)動速度曲線和低壓油道壓力曲線鏈接到Fluent流場仿真中，作為數(shù)值仿真計算時的運(yùn)動邊界條件和壓力邊界條件設(shè)定值。

對于壓力和速度的耦合，本模型采用選擇SIMPLE壓力分離式求解算法，采用realizableκ-ε湍流模型仿真計算單體泵燃油系統(tǒng)泄壓過程。由于一階迎風(fēng)差分格式的數(shù)值穩(wěn)定性較好，用其作為空間離散化方法。近壁區(qū)流動采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法求解，流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面。解的收斂性用殘差曲線判斷，最大殘差應(yīng)小于1.0E-3，平均殘差小于1.0E-4。

圖6 低壓油道壓力曲線及柱塞速度曲線

1.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

1.3.1電磁閥模型的驗(yàn)證

圖7示出電磁力仿真值與試驗(yàn)值的比較。隨著電流的增加，電磁力仿真值和試驗(yàn)值的差先增加后減小，驅(qū)動電流為9 A時兩者的差值最大，當(dāng)電流超過13 A時差值為負(fù)數(shù)。當(dāng)電流在4～13 A范圍內(nèi)，仿真值大于試驗(yàn)值，這是因?yàn)閷?shí)際電磁控制閥工作中，線圈溫度隨著電流的增大而升高，電磁控制閥磁性變差，電磁力低于試驗(yàn)值。當(dāng)電流大于13 A，電磁閥出現(xiàn)局部磁飽和，仿真值低于試驗(yàn)值?？傮w上看，仿真電磁力和試驗(yàn)電磁力有較高的一致性。圖8示出兩者的最大誤差小于5%，因此可認(rèn)為本研究建立的電磁閥模型是科學(xué)合理的。

圖7 電磁力仿真值與試驗(yàn)值對比

圖8 電磁力的誤差值

1.3.2控制閥內(nèi)部流場模型的驗(yàn)證

根據(jù)單體泵燃油系統(tǒng)模型可知三維流場模型的高壓油道出口壓力即為泵端壓力，用泵端壓力試驗(yàn)值與高壓油道出口壓力仿真值進(jìn)行對比(見圖9)，可以發(fā)現(xiàn)兩者的變化趨勢一致，均先保持平穩(wěn)后逐步上升。從總體看，兩者壓力值的誤差保持在10%以內(nèi)，故三維模型能較準(zhǔn)確地反映燃油系統(tǒng)流場流動特性以及系統(tǒng)工作特性的變化趨勢，可以用于進(jìn)一步的研究。

圖9 高壓油道出口壓力校準(zhǔn)曲線

2 單體泵燃油系統(tǒng)供油特性分析

仿真了單體泵凸輪轉(zhuǎn)速為1 250 r/min的工況下，壓縮供油過程閥芯從靜止到控制閥閉合的蓄壓過程中柱塞腔、控制閥腔以及高壓油道的流場。

2.1 燃油質(zhì)量流率和出口壓力

圖10示出閥芯升程、燃油密度以及燃油質(zhì)量流率曲線。電磁控制閥的開啟和關(guān)閉是決定閥性能和工作狀態(tài)的關(guān)鍵因素，閥的關(guān)閉過程由吸合觸動時間T1和吸合運(yùn)動時間T2組成。T1表示線圈通電后，電流增加到吸合電流為止的階段，在此階段銜鐵和閥芯尚未開始運(yùn)動，這是由于電磁鐵的材料和結(jié)構(gòu)、彈簧預(yù)緊力等的影響。進(jìn)入吸合運(yùn)動階段T2后，由于電磁力大于彈簧力、液壓力，銜鐵帶動閥芯開始運(yùn)動。

圖10 閥芯升程、燃油密度以及燃油泄漏率曲線對比

可以看到，閥芯在0.23 ms之前維持在原來位置。這個階段電磁控制閥中電磁力逐漸增加，柱塞向上運(yùn)動壓縮燃油，所以流場中壓力也呈上升趨勢，故閥芯所受的液力也逐漸增加。但電磁力和液壓力的合力小于彈簧預(yù)緊力，故閥芯維持原位置不動。此時閥口開度是最大的，在柱塞壓油的過程中，燃油密度也逐步上升，故低壓油道處流出的燃油質(zhì)量迅速上升，0.23 ms時刻燃油質(zhì)量流率達(dá)到最大值0.7 kg/s。

當(dāng)電磁力和液壓力繼續(xù)增加至0.23 ms時刻，其合力大于彈簧預(yù)緊力，故此階段閥芯在彈簧力、電磁力、液壓力以及摩擦力的作用下開始運(yùn)動，關(guān)閉控制閥。此階段由于閥口開度越來越小，故質(zhì)量流率的總體趨勢逐漸減小。高壓油道壓力值和流場的密度有相似的變化趨勢，閥芯開始運(yùn)動時，兩者先逐漸減小后持續(xù)升高。壓力和密度值減小的原因是部分燃油從低壓油道流出，導(dǎo)致流場中燃油密度降低。但是隨著閥口越來越小，低壓油道流出的燃油越來越少，柱塞持續(xù)保持向上運(yùn)動進(jìn)行壓油，故流場中燃油壓力也越來越高，燃油密度也隨之增加。

0.57 ms時刻，閥芯停止運(yùn)動，此時閥芯達(dá)到最大位移，約為0.22 mm。在實(shí)際情況中，此時閥口是完全關(guān)閉的，但由于仿真技術(shù)的局限閥口無法達(dá)到完全關(guān)閉，密封錐面留有極小的縫隙，低壓油道仍有部分燃油泄漏，但是對流場壓力影響極小，可以忽略不計。此階段高低壓油路被阻斷，高壓油路中燃油在柱塞的作用下壓力和密度均急劇上升，此過程即為單體泵燃油系統(tǒng)的蓄壓過程。當(dāng)高壓油路中壓力上升到針閥的開啟壓力即開始噴油。

2.2 流場壓力分布

在瞬態(tài)仿真過程中進(jìn)行設(shè)置，可以實(shí)時地觀察到內(nèi)部流場任何時間和任何開口度下的流動情況(見圖11)。由前文可知，在0.23 ms之前，閥芯處于靜止?fàn)顟B(tài)，閥口的開度為最大，此階段只有柱塞受凸輪軸驅(qū)動向上壓縮燃油，雖然低壓油道的質(zhì)量流率迅速增加，但是高壓油路中壓力也迅速升高，圖中顯示0.12 ms時刻柱塞腔中壓力已經(jīng)達(dá)到35 MPa。0.23 ms時刻閥芯開始運(yùn)動，閥口開度開始減小，此時燃油不僅處在高低壓腔極大的壓差之下，而且在閥芯以及柱塞雙重運(yùn)動條件下，高壓流道中燃油流速急劇上升。根據(jù)伯努利方程的推論，隨流速的增大，壓力要減小?？梢钥吹綀D中0.26 ms時刻高壓管道以及柱塞腔壓力均有所降低。

圖11 單體泵燃油系統(tǒng)流場壓力云圖

0.7 ms以后閥口閉合，高低壓油路截斷，燃油被柱塞繼續(xù)壓縮，0.3 ms之內(nèi)高壓油腔壓力迅速升高至78 MPa。當(dāng)閥芯閉合之后，密封錐面由于極高的流速和極大的壓差形成部分負(fù)壓區(qū)域，而低壓油腔的壓力值始終維持在0.5 Pa。

2.3 閥芯表面湍流強(qiáng)度和湍動能

湍流強(qiáng)度為速度波動的均方根與平均速度的比值，小于10%的為低湍流強(qiáng)度，高于10%的為高湍流強(qiáng)度。計算公式為

(1)

圖12示出單體泵蓄壓階段閥芯表面的湍流強(qiáng)度曲線?？梢钥闯鲈陂y芯表面湍流強(qiáng)度總體小于10%，燃油流動狀態(tài)為低湍流強(qiáng)度。0～0.2 ms為閥芯吸合觸動時間(T1)，三維流場中只有柱塞在凸輪作用下向上運(yùn)動，控制閥芯在彈簧預(yù)緊力的作用下處于初始靜止?fàn)顟B(tài)，密封錐面的開口度最大，此階段口徑d維持不變。隨著流場中燃油被壓縮，壓力有所增加，式中密度ρ與流速V均隨之增加，故閥芯表面的湍流強(qiáng)度I急速上升；在閥芯吸合運(yùn)動階段(T2)，閥芯受電磁力逐漸閉合，閥口開度減小，即流通口徑d減小。此階段燃油密度仍然呈上升趨勢。由于閥口附近的壓差繼續(xù)增加，故此處流速也有所上升。綜合幾方面的因素考慮，閥芯的吸合運(yùn)動階段湍流強(qiáng)度呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢。

圖12 閥芯表面湍流強(qiáng)度

湍動能κ是湍流模型中最常見的物理量，可以利用湍流強(qiáng)度估算湍動能。兩者之間的關(guān)系為

(2)

式中：u為平均速度；I為湍流強(qiáng)度。湍動能不僅與湍流強(qiáng)度有關(guān)，也和流速有關(guān)。

圖13示出閥芯關(guān)閉過程閥口附近湍動能分布云圖。隨著閥芯的運(yùn)動，閥芯頭部的湍動能越來越大。這是因?yàn)樵陂y芯的關(guān)閉過程中，由于閥口附近壓差越來越大，流速也隨著增加，湍流強(qiáng)度雖然在閥芯的吸合運(yùn)動階段有所降低，但是在蓄壓階段，有明顯回升，故閥口附近的湍動能隨著閥芯的運(yùn)動越來越大。

圖13 閥芯表面湍動能分布云圖

3 結(jié)論

a) 通過聯(lián)合仿真方法，對單體泵供油過程進(jìn)行仿真研究，在吸合觸動階段閥芯維持原位置不動，但電磁力逐漸增加，高壓油路中壓力迅速升高，閥芯所受的液力逐漸增加，燃油密度逐步上升，低壓油道處流出的燃油質(zhì)量迅速上升；閥芯頭部所受的靜壓積分和動壓積分也逐漸上升，但靜壓積分范圍比動壓積分大一個數(shù)量級；

b) 在電磁閥的吸合運(yùn)動時間，閥芯在彈簧力、電磁力、液壓力以及摩擦力的作用下開始運(yùn)動關(guān)閉控制閥，閥口開度越來越小，故質(zhì)量流率的總體趨勢逐漸減小，在閥芯以及柱塞雙重運(yùn)動條件下，高壓流道中燃油流速急劇上升，但燃油密度先逐漸減小后持續(xù)升高；

c) 閉合狀態(tài)階段閥芯停止運(yùn)動，高壓油路中燃油壓力和密度均急劇上升，但密封錐面附近由于極高的流速和極大的壓差形成部分負(fù)壓區(qū)域，而低壓油腔的壓力值始終維持在0 Pa；發(fā)生壓力突變的區(qū)域?yàn)榕c柱塞腔相連的的高壓油道與控制閥閥口處，這兩個位置均為幾何結(jié)構(gòu)因素對壓力分布影響較大的區(qū)域；閥口節(jié)流作用明顯，流速隨之降低，閥芯頭部的湍動能越來越大。