張朝陽, 孫山峰, 韓景峰

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

仿真計(jì)算是研究和優(yōu)化柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的重要方法，已廣泛應(yīng)用于燃油系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。高壓共軌系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響燃油系統(tǒng)的噴射性能，結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真分析可以為高壓共軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)匹配提供依據(jù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)復(fù)雜龐大，高壓油泵、共軌管、噴油器和電磁閥需協(xié)同作用。高壓油泵為系統(tǒng)提供高壓燃油，是穩(wěn)壓和升壓的關(guān)鍵，高壓油泵的研究是目前共軌系統(tǒng)研究的重要分支[1]。

范立云等[2]利用仿真模型研究了全工況平面內(nèi)溢流閥、容量控制閥 (volume control valve, VCV)、進(jìn)油閥、出油閥和阻尼孔等部件參數(shù)對高壓油泵供油特性的影響規(guī)律。范立云等[3]研究了典型工況下油泵參數(shù)對容積效率的影響規(guī)律，利用相關(guān)性分析研究了高壓油泵參數(shù)在有、無交互作用下與高壓油泵容積效率的相關(guān)性變化規(guī)律。肖同鎮(zhèn)[4]分析了油泵柱塞副中油膜壓力場分布與燃油流速變化規(guī)律以及柱塞副中的燃油生熱機(jī)理，完成了柱塞副的泄漏特性研究。連歷[5]利用高壓油泵仿真模型對油泵容積效率和供油量一致性進(jìn)行研究。羅秋萍等[6]采用仿真模擬與臺架試驗(yàn)方法分析了高壓油泵驅(qū)動凸輪相位優(yōu)化對正時(shí)鏈系的影響，結(jié)果表明高壓油泵驅(qū)動凸輪相位優(yōu)化可以減小正時(shí)鏈條張緊力與張緊器柱塞行程。王占永[7]將高壓油泵仿真模型和共軌管仿真模型聯(lián)合，研究它們的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對供油壓力波動特性的影響。許濤[8]通過AMESim和Simulink的聯(lián)合仿真得到發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下燃油供給系統(tǒng)的軌壓，針對柴油機(jī)起動、怠速、常規(guī)和急加減速工況高壓油泵控制要求、難點(diǎn)以及控制策略分別做了詳細(xì)的研究。安士杰等[9]利用模型分析燃油計(jì)量閥控制信號的頻率和占空比以及驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速對高壓油泵動態(tài)特性的影響。朱凌俊等[10]運(yùn)用Hydsim軟件建立系統(tǒng)仿真模型，通過改變進(jìn)出油節(jié)流孔和控制活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其對噴油特性的影響。王慧敏等[11]分析柱塞偏移、傾斜的微運(yùn)動特性，建立升程段柱塞副燃油瞬態(tài)泄漏數(shù)學(xué)模型，獲得了微運(yùn)動下柱塞副工作過程的瞬態(tài)泄漏特性，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。李玉光等[12]采用有限元與邊界元聯(lián)合求解的方法對高壓油泵殼體表面輻射噪聲特性進(jìn)行研究，為后續(xù)高壓油泵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。何歡[13]運(yùn)用Fe-safe軟件，對高壓油泵進(jìn)行疲勞壽命分析，計(jì)算出高壓油泵及其零部件的疲勞壽命。魏鎮(zhèn)等[14]在Pro/E中建立高壓油泵殼體的三維模型，利用Abaqus軟件對其模態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到前十階模態(tài)的振型和固有頻率，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。從物理結(jié)構(gòu)上看，高壓油泵是由容積腔、孔、閥相互連接起來形成的油管。高壓油泵供油過程中，不連續(xù)供油導(dǎo)致出油口壓力波動，因此建模時(shí)需考慮油泵出油口和外部連接管道中的壓力脈動。為簡化計(jì)算，在驅(qū)動信號接通的瞬間，將出油閥的壓力設(shè)為恒定。出油閥壓力波動主要受供油液脈動壓力的影響，對于高壓油泵，單次供油、柱塞周期性運(yùn)動以及噴油器針閥動作對共軌壓力波動所造成的影響比高壓油泵出油液壓力的影響要小[15-18]。

1 油泵建模

根據(jù)AMESim軟件的使用環(huán)境和高壓油泵的結(jié)構(gòu)型式，對高壓油泵的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、分析并搭建仿真模型，高壓油泵的模型包括低壓油路、燃油比例控制(inlet metering valve, IMV)閥、凸輪、柱塞偶件、出油閥、進(jìn)油閥、簡化的管道以及容積腔等，如圖1所示。

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證搭建的AMESim油泵仿真模型的正確性，在高壓油泵試驗(yàn)臺進(jìn)行油泵效率試驗(yàn)，同時(shí)選擇相同的工況在搭建的仿真模型上進(jìn)行仿真計(jì)算，對比油泵供油效率的差異。

供油效率試驗(yàn)和仿真結(jié)果如表1、2。

表1 供油效率試驗(yàn)結(jié)果 %

表2 供油效率仿真結(jié)果 %

鑒于油溫對試驗(yàn)結(jié)果影響較大，保持模型中的燃油溫度和實(shí)際高壓油泵試驗(yàn)臺上的燃油溫度一致，都控制在38 ℃。由表1、2可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為500、700、800、1000、1200、1300、1400 r/min時(shí)，試驗(yàn)與仿真的供油效率誤差均在5%以內(nèi)，說明搭建的油泵仿真模型是正確的。

3 供油效率影響因素分析

相同條件下模型運(yùn)行的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對比初步驗(yàn)證了模型的正確性，基于模型的正確性分析搭建油泵其它參數(shù)如低壓油路參數(shù)、柱塞頂隙容積等仿真模型，分析其對油泵供油效率的影響。

3.1 低壓油路

低壓油路是油泵的初始供油部件，對油泵的供油效率起著至關(guān)重要的作用，特別是高轉(zhuǎn)速的工況，如果供油壓力不足，即使增強(qiáng)柱塞吸油能力，也不能保證充足的燃油，依然不能提高供油效率。低壓油路模型如圖2所示。

仿真發(fā)現(xiàn)低壓油路控制壓力(圖2中紅色圓圈中泄壓閥壓力)對供油效率有一定影響，選取3種轉(zhuǎn)速(500、1000、1400 r/min)和3種軌壓(50、100、140 MPa)進(jìn)行敏感性分析計(jì)算。

圖3為不同轉(zhuǎn)速下3種軌壓的油泵效率隨低壓油路中泄壓閥控制壓力的變化曲線。

由圖3可知，當(dāng)軌壓為50、100、140 MPa時(shí)，3種轉(zhuǎn)速(500、1000、1400 r/min)的油泵效率變化趨勢是一致的。低壓油路的控制壓力較小時(shí)，隨著泄壓閥控制壓力的增大，效率增加明顯；當(dāng)壓力達(dá)到一定值之后，效率增加緩慢，可以認(rèn)為不變。但相同條件下，轉(zhuǎn)速越高效率越高，這是由于轉(zhuǎn)速越高，相同的目標(biāo)軌壓下進(jìn)入油軌的燃油更多，使得油泵效率增加。

圖4為不同軌壓下3種轉(zhuǎn)速的油泵效率隨低壓油路中控制閥壓力的變化曲線。由圖4可知，轉(zhuǎn)速固定時(shí)3種軌壓下油泵效率的趨勢一致。轉(zhuǎn)速相同的情況下，軌壓越大效率越低，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速相同時(shí)，進(jìn)入柱塞腔的燃油一致，當(dāng)目標(biāo)軌壓升高時(shí)，柱塞的容積效率減小，導(dǎo)致油泵效率減小。

低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于柱塞吸油能力有限，所以較低的供油壓力就能滿足供油需求；而轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于柱塞的吸油能力增強(qiáng)，則供油壓力越高，能提供的燃油越多，供油效率越高，故可通過增加低壓油路控制壓力來提高高轉(zhuǎn)速下油泵的供油效率,但是隨著供油壓力的提高，供油效率的增加越來越小，最終不再增加。

3.2 進(jìn)、出油閥余隙容積

進(jìn)、出油閥余隙存在于進(jìn)油閥與出油閥交接處，吸油過程中，此處為低壓，進(jìn)油管路中燃油頂開進(jìn)油閥進(jìn)入余隙，之后進(jìn)入柱塞腔；供油過程中，此處為高壓，向上頂開出油閥，燃油由此處進(jìn)入高壓油路。余隙主要容積組成如圖5所示，圖5中錐形圓臺即為柱塞泵中余隙主要容積組成。余隙在仿真模型中的位置如圖6所示，圖中黑色圓圈部分則為仿真模型中余隙位置。

經(jīng)計(jì)算，柱塞泵的余隙容積為0.45 cm3，通過計(jì)算固定工況下不同余隙容積下的供油效率，分析余隙容積對油泵供油效率的影響。不同轉(zhuǎn)速下3種軌壓的油泵效率隨余隙容積的變化曲線如圖7所示，不同軌壓下3種轉(zhuǎn)速的油泵效率隨余隙容積的變化曲線如圖8所示。

由圖7、8可知，隨著余隙容積增加，油泵供油效率逐漸降低。余隙容積越大，貯存的燃油越多，對進(jìn)油閥向下的力越大，進(jìn)油閥越不容易打開，進(jìn)油量越少；此外，無論轉(zhuǎn)速高低，吸油行程時(shí)，都會有部分燃油存在余隙處，余隙越大，存的燃油越多，導(dǎo)致進(jìn)入柱塞腔的燃油越少。出油時(shí)，由于余隙處的燃油為低壓，余隙越大，燃油越多，從柱塞腔出來的高壓燃油壓力降低越大，導(dǎo)致出油量越少。因此余隙體積越大，油泵供油效率越低。

4 結(jié)論

仿真分析了低壓油路參數(shù)、柱塞頂隙容積對油泵供油效率的影響，并通過高壓油泵試驗(yàn)臺試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。研究結(jié)果表明,低壓油路壓力、油泵轉(zhuǎn)速、進(jìn)出油閥余隙容積等均對供油效率產(chǎn)生不同程度的影響。

1)當(dāng)?shù)蛪河吐返目刂茐毫^小時(shí)，油泵效率隨著泄壓閥控制壓力的增大明顯增加。

2)當(dāng)?shù)蛪河吐返目刂茐毫_(dá)到一定值之后，效率增加緩慢，可以認(rèn)為不變。

3)相同條件下，轉(zhuǎn)速越高油泵效率越高。

4)油泵供油效率隨著進(jìn)、出油閥余隙容積增加而逐漸降低。