基于燃油計量閥的高壓油泵動態(tài)特性仿真分析

安士杰 ，周 磊 ，楊 昆 ，張 萍 ，耿 帥

(1.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.中國人民解放軍 94303部隊，山東 濰坊 261000)

基于燃油計量閥的高壓油泵動態(tài)特性仿真分析

安士杰1，周 磊1，楊 昆1，張 萍1，耿 帥2

(1.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.中國人民解放軍 94303部隊，山東 濰坊 261000)

以某型基于燃油計量閥的高壓油泵為研究對象，在介紹其工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim軟件建立高壓油泵及共軌管的仿真模型，并通過高壓油泵性能試驗驗證仿真模型的準(zhǔn)確性，最后利用模型分析燃油計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。結(jié)果表明：燃油計量閥控制信號的頻率對高壓油泵動態(tài)特性的影響較小，而燃油計量閥控制信號的占空比和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速對高壓油泵動態(tài)特性的影響較大。隨著燃油計量閥控制信號占空比的減小以及驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速的增大，高壓油泵輸出高壓燃油的響應(yīng)加快，泵油能力增強。

燃油計量閥；高壓油泵；動態(tài)特性；仿真

1 基于燃油計量閥的高壓油泵工作原理

高壓油泵是保障高壓共軌噴油系統(tǒng)高壓燃油的關(guān)鍵部件，其主要作用是將低壓燃油加壓成高壓燃油，儲存在共軌管內(nèi)，等待ECU的噴射指令[8]。本文選取的某型基于燃油計量閥的高壓油泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其由3個排列為120°的徑向柱塞組成，集成了齒輪輸油泵和燃油計量閥，進油閥采用平面閥，出油閥采用了球閥。高壓油泵由偏心凸輪驅(qū)動，偏心凸輪安裝在凸輪軸上，屬于三作用凸輪，凸輪轉(zhuǎn)一圈可依次驅(qū)動3個柱塞運動，其驅(qū)動速度為柴油機曲軸轉(zhuǎn)速的一半[9]。

圖1 高壓油泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of high pressure fuel pump

高壓油泵工作原理示意圖如圖2所示。偏心凸輪從頂點回落時，柱塞向下運動，當(dāng)燃油計量閥提供的燃油壓力大于柱塞腔燃油壓力與進油閥預(yù)緊力之和，燃油會通過進油閥持續(xù)進入柱塞腔。當(dāng)柱塞腔燃油壓力小于出油閥腔內(nèi)燃油壓力與出油閥預(yù)緊力之和，出油閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時高壓油泵處于吸油行程。偏心凸輪向頂點運動時，柱塞向上運動，當(dāng)燃油計量閥提供的燃油壓力小于柱塞腔燃油壓力與進油閥預(yù)緊力之和，進油閥關(guān)閉。當(dāng)柱塞腔燃油壓力大于出油閥腔內(nèi)燃油壓力與出油閥預(yù)緊力之和時，柱塞腔內(nèi)被壓縮的燃油流經(jīng)出油閥至高壓通道，此時高壓油泵處于壓油行程。三作用凸輪周期性地驅(qū)動各柱塞實現(xiàn)往復(fù)運動，高壓油泵得以間歇性地提供高壓燃油[10]。

圖2 高壓油泵工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of high pressure pump working principle

2 仿真模型建立及驗證

2.1 模型建立

柱塞受到凸輪驅(qū)動，在其運動過程中，柱塞腔內(nèi)的燃油流動滿足式（1）[11]：

式中：QH為瞬時壓入柱塞腔油量；QVH為柱塞腔壓力變化所引起的壓縮油量；QHR為通過出油閥流向共軌管的流量；QLH為柱塞腔流向低壓回路的流量；QHO為柱塞腔泄油流量。

式中：HP為柱塞升程；AH為柱塞截面積。

式中：VH為柱塞腔容積；PH為柱塞腔內(nèi)燃油壓力。

高壓油泵出油閥的結(jié)構(gòu)決定了高壓燃油的運動方式：

式中：PR為共軌管內(nèi)的壓力；μAHR為柱塞腔至共軌部件的有效流通面積。

式中：PL為低壓回路中的燃油壓力；μALH為低壓回路到柱塞腔的有效流通面積。

式中：dH為柱塞直徑；δH為柱塞偶件的間隙；η為燃油的動力粘度；LH為柱塞的密封長度；P0為低壓油路的壓力。

高壓油泵的燃油計量閥是軌壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件，通過調(diào)整進入高壓油泵的燃油量從而輸出泵油壓力值。

當(dāng)電磁閥斷電時，油路被柱塞截斷；當(dāng)電磁閥通電后，柱塞在電磁力的作用下產(chǎn)生一定位移（或者開度），燃油得以流向高壓油泵，其流量隨著柱塞位移變化。燃油計量閥從類型上屬于比例閥，其開度和通電時電流大小成比例關(guān)系，電流大小則采用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式實現(xiàn)，通過控制占空比調(diào)節(jié)燃油計量閥閥兩端的平均電壓從而改變平均電流值。

從工作原理來看，燃油計量閥可用式（7）～式（10）表述。

式中：Uc為勵磁電壓；R為線圈電阻；i為線圈電流；N為線圈匝數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；Sa為磁通經(jīng)過的有效截面積；δ為線圈與銜鐵初始?xì)庀?；x為電磁閥閥芯位移；A為閥芯截面積；Pcon為控制腔壓力；Fpre為彈簧預(yù)緊力；Fh為燃油對電磁閥芯的液壓力；m為銜鐵、閥芯組件的總質(zhì)量；k為彈簧剛度；λx為阻尼系數(shù)。

對于共軌管，單位時間上共軌管內(nèi)燃油的流量關(guān)系滿足式（11）：

式中：VR為共軌管容積；QOUT為共軌管流向噴油器的流量。

根據(jù)圖1及高壓油泵和共軌管的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輸出齒輪泵和壓力控制閥的工作原理，使用AMESim軟件建立的高壓油泵和共軌管仿真模型如圖3所示。

根據(jù)上述介紹，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速為750 r/min時，以占空比為變量，計算高壓油泵的流量特性，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，影響高壓油泵的流量變化的占空比范圍是0.2～0.3，且隨著占空比的增加，高壓油泵的流量減小，原因在于高壓油泵采取了常開式的燃油計量閥。

2.2 模型驗證

為驗證所建立仿真模型的準(zhǔn)確性，使其能準(zhǔn)確預(yù)測高壓油泵的動態(tài)特性，利用高壓油泵試驗裝置進行了高壓油泵性能試驗，得到了容積效率（高壓油泵每循環(huán)實際供油量與理論供油量的比值）、油泵進出油量等參數(shù)。圖5即為標(biāo)定工況下高壓油泵容積效率的試驗測量值與仿真計算值的對比圖。由圖可知，高壓油泵容積效率的仿真值和試驗值基本吻合，模型符合計算精度要求。在高凸輪軸轉(zhuǎn)速區(qū)仿真值略高于試驗值的原因可能是由于試驗時柱塞的循環(huán)供油使得燃油溫度升高、黏度降低，進而增加了柱塞偶件配合間隙的燃油泄漏量造成的。

3 高壓油泵動態(tài)特性分析

根據(jù)高壓油泵的工作原理可知，燃油計量閥采用了PWM方式控制進入高壓油泵低壓腔的油量，因此，燃油計量閥控制信號的占空比和頻率會影響到高壓油泵的輸入燃油壓力，進而影響到輸出燃油壓力。此外，由于高壓油泵柱塞的行程確定，因此驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速也會影響泵的高壓油泵輸出。為分析影響高壓油泵動態(tài)特性的因素，分別以燃油計量閥控制信號的占空比和頻率以及驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速作為變量進行仿真計算。

圖3 高壓油泵及共軌管的仿真模型Fig.3 Simulation model of high pressure fuel pump and common rail

圖4 高壓油泵的流量特性曲線Fig.4 Flow chrarcteristic curve of high pressure fuel pump

圖5 容積效率試驗值與仿真值對比圖Fig.5 Volumetric efficiency comparison between simulation results and experimental results

3.1 控制信號頻率和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速不變，控制信號占空比變化

設(shè)置高壓油泵的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，模擬400 r/min的柴油機啟動工況。由PWM原理可知，當(dāng)燃油計量閥的驅(qū)動電壓固定時，控制信號占空比會影響電壓平均值進而影響驅(qū)動電流，從而改變電磁力。根據(jù)高壓油泵工作條件，其最大電流為1.8 A，電磁閥線圈電阻3 Ω左右，結(jié)合12 V的驅(qū)動電壓，通過計算可知，控制信號占空比應(yīng)小于0.4（默認(rèn)為常開狀態(tài)，即占空比為0）。

首先，根據(jù)高壓油泵的要求，設(shè)置燃油計量閥的控制信號頻率為200 Hz，當(dāng)控制信號占空比分別為0.21，0.22，0.23，0.24以及0.25時，計算燃油計量閥的電流、高壓油泵的輸入燃油壓力和輸出燃油壓力的變化，結(jié)果分別見圖6～圖8。

從圖6可見，隨著控制信號占空比的增加，燃油計量閥線圈中電流逐漸提高，電流形狀的變化，體現(xiàn)了PWM控制的特點。

從圖7可見，隨著控制信號占空比的增大，通過燃油計量閥輸送給高壓油泵的燃油的響應(yīng)時間變長，輸入燃油壓力逐漸降低，且當(dāng)控制信號占空比為0.25時，輸入燃油壓力基本維持在初始值附近（即進入燃油計量閥的水平）。當(dāng)控制信號占空比小于等于0.23時，燃油計量閥處于最大進油量位置，當(dāng)控制信號占空比大于0.23時，進入燃油計量閥的燃油明顯減小。經(jīng)燃油計量閥進入高壓油泵的燃油壓力隨控制信號占空比增壓而降低的原因在于燃油計量閥工作在常開狀態(tài)。

圖6 控制信號占空比對電流的影響Fig.6 Influence of control signal duty ratio on current

圖7 控制信號占空比對輸入燃油壓力的影響Fig.7 Effect of control signal duty ratio on input fuel pressure

圖8 控制信號占空比對輸出燃油壓力的影響Fig.8 Effect of control signal duty ratio on output fuel pressure

從圖8可見，隨著控制信號占空比的增加，高壓油泵輸出燃油壓力逐漸降低，泵油能力逐漸降低。當(dāng)控制信號占空比小于0.23時，其變化幾乎不對高壓油泵輸出燃油壓力產(chǎn)生影響，這也驗證了圖7中的結(jié)論。當(dāng)控制信號占空比增大到0.24時，輸出燃油壓力的速度降低，繼續(xù)增大到0.25時，輸出燃油壓力明顯降低。

3.2 控制信號占空比和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速不變，控制信號頻率變化

設(shè)置高壓油泵的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為375 r/min，模擬750 r/min的柴油機啟動工況，控制信號占空比設(shè)置為0.2，當(dāng)控制信號的頻率分別為 100 Hz，160 Hz，180 Hz和300 Hz時，計算燃油計量閥的電流、高壓油泵的輸入燃油壓力和輸出燃油壓力的變化，結(jié)果見圖9～圖11。

從圖9可見，隨著控制信號頻率的增加，燃油計量閥中電流產(chǎn)生了與頻率對應(yīng)的波動，且電流波動幅值減小。控制信號頻率的增加有助于減小電流波動從而保持電磁力的穩(wěn)定性?？刂菩盘栴l率為100 Hz時，輸入燃油壓力較其他頻率變化延遲，即低頻率的控制信號會導(dǎo)致燃油計量閥響應(yīng)延遲。

從圖10可見，頻率為100 Hz時的控制信號會導(dǎo)致輸入燃油壓力產(chǎn)生較大的波動。頻率超過160 Hz的控制信號對輸入燃油壓力的變化影響較小。

圖9 控制信號頻率對電流的影響Fig.9 Influence of control signal frequency on current

圖10 控制信號頻率對輸入燃油壓力的影響Fig.10 Effect of control signal frequency on input fuel pressure

圖11 控制信號頻率對輸出燃油壓力的影響Fig.11 Effect of control signal frequency on output fuel pressure

從圖11可見，不同頻率的控制信號對輸出燃油壓力的影響較小，控制信號頻率為100 Hz時，輸出燃油壓力較其他頻率變化延遲，即低頻率的控制信號會導(dǎo)致高壓油泵的響應(yīng)延遲。

3.3 控制信號不變，驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速變化

當(dāng)控制信號不變時，燃油計量閥不受驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速變化影響，故只用考慮驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速對輸入燃油壓力和輸出燃油壓力變化的影響。計算結(jié)果見圖12～圖13所示。

圖12 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速對輸入燃油壓力的影響Fig.12 Effect of drive shaft speed on input fuel pressure

圖13 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速對輸出燃油壓力的影響Fig.13 Effect of drive shaft speed on output fuel pressure

從圖12可見，隨著驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速的提高，在相同控制信號下，高壓油泵響應(yīng)速度增加但輸入燃油壓力降低，其原因在于當(dāng)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速提高后，柱塞運動速度也對應(yīng)提高，吸油和壓油的速度均隨之加快，但燃油計量閥提供的燃油卻保持不變。

從圖13可見，當(dāng)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速提高時，輸出燃油壓力變化的速度加快，即驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速的提高有助于加速輸出高壓燃油的響應(yīng)。

4 結(jié) 語

1）在介紹基于燃油計量閥的高壓油泵工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim軟件建立了高壓油泵及共軌管的仿真模型，與在高壓油泵性能試驗中得到的容積效率對比，表明該模型可準(zhǔn)確預(yù)測高壓油泵的動態(tài)特性。

2）燃油計量閥控制信號的頻率對高壓油泵動態(tài)特性的影響較小，而燃油計量閥控制信號的占空比和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速對高壓油泵動態(tài)特性的影響較大。隨著燃油計量閥控制信號占空比的減小以及驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速的增大，高壓油泵輸出高壓燃油的響應(yīng)加快，泵油能力增強。

3）該研究為基于燃油計量閥的高壓油泵初步設(shè)計和選型提供了理論依據(jù)，同時為高壓共軌噴油系統(tǒng)的快速啟動以及共軌管內(nèi)壓力的穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。

[ 1 ]PARK S H,KIM H J,LEE C S.Comparison of experimental and predicted atomization characteristics of high-pressure diesel spray under various fuel and ambient temperature[J].Machinery,Science and Technology,2010,24(7):1491–1499.

[ 2 ]陳永賢,于文斌,郭樹滿,等.若干燃燒控制參數(shù)對柴油機低負(fù)荷排放特性和效率影響的試驗[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2011,29(3):193–199.

[ 3 ]JOONSIK H,DONGHUI Q,YONGJIN J,et al.Effect of injection parameters on the combustion and emission characteristics in a common-rail direct injection diesel engine fueled with waste cooking fuel biodiesel[J].Renewable Energy,2014,63:9–17.

[ 4 ]歐陽光耀,安士杰,劉振明,等.柴油機高壓共軌噴射技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[ 5 ]TENG H,MCCANDLESS J.performance analysis of railpressure supply pumps of common-rail fuel systems for diesel engines[C]// SAE paper,petroit,michigan,USA,2005–01-0909,2005.

[ 6 ]范立云,連歷,馬修真,等.高壓共軌系統(tǒng)高壓油泵供油特性影響因素分析[J].內(nèi)燃機工程,2016,37(4):219–226.

[ 7 ]YAN J W.Common rail injection system iterative learning control based parameter calibration for accurate fuel injection quantity control[J].International Journal of Automotive Technology,2011,12(2):149–157.

[ 8 ]倪成群,崔國旭,張雁橋,等.柴油機高壓共軌系統(tǒng)高壓油泵驅(qū)動扭矩仿真研究[J].車用發(fā)動機,2010(3):188–191.

[ 9 ]KENDLBACHER C,LENGENFELDER T,BLATTERER D,et al.The 2200 bar modular common rail injection system for large diesel and HFO engines[C]// 27th CIMAC Congress,Shanghai,2013.

[10]李鴻懷.柴油機高壓共軌系統(tǒng)多工況軌壓控制策略研究[D].無錫:江南大學(xué),2011.

[11]NDIAYE E,BAZILE J P,NASRI D,et al.High pressure thermophysical characterization of fuel used for testing and calibrating diesel injection systems[J].Fuel,2012,98:288–294.

Simulation analysis on dynamic characteristics of high pressure fuel pump based on fuel metering valve

AN Shi-jie1,ZHOU Lei1,YANG Kun1,ZHANG Ping1,GENG Shuai2
(1.College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.No.94303 Unit of PLA,Weifang 261000,China)

Taking a high pressure fuel pump based on the fuel metering valve as the research object,on the basis of introducing its work principle,the simulation model of high pressure fuel pump and common rail was established by using the AMESim software,and the accuracy of simulation model was verified by the performance experiment of high pressure fuel pump,finally,the influence of fuel metering valve control signal’s frequency and duty ratio as well as drive shaft speed on the dynamic characteristics of high pressure fuel pump were analyzed based on this model.Results show that the frequency of fuel metering valve control signal has little influence on the dynamic characteristics of high pressure fuel pump,while the duty ratio of fuel metering valve control signal and drive shaft speed have great influence on the dynamic characteristics of high pressure fuel pump.With the reduction of fuel metering valve control signal duty ratio and the increase of drive shaft speed,the output response of high pressure fuel by high pressure fuel pump accelerate,and the pump fuel capacity enhance.

fuel metering valve；high pressure fuel pump；dynamic characteristics；simulation

U228.1+4

A

1672 – 7649(2017)10 – 0097 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.019

0 引 言

高壓共軌噴油系統(tǒng)具備高的噴射壓力和靈活可控的噴油規(guī)律，可優(yōu)化燃燒過程，對于獲得高平均有效壓力、改善顆粒排放及降低噪聲發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1 – 3]。高壓油泵是高壓共軌噴油系統(tǒng)的動力元件，它能將原動機的機械能量轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，為高壓共軌噴油系統(tǒng)提供具有高壓、高能量的燃油[4 – 5]。同時，作為系統(tǒng)中低壓油路與高壓油路的接口，高壓油泵也是軌壓建立和維持穩(wěn)定的關(guān)鍵[6 – 7]。因此，高壓油泵的動態(tài)特性直接影響著高壓共軌噴油系統(tǒng)的快速啟動以及共軌管內(nèi)壓力的穩(wěn)定控制。

本文以某型基于燃油計量閥的高壓油泵為研究對象，在介紹其工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim軟件建立了高壓油泵及共軌管的仿真模型，并通過高壓油泵性能試驗驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性，最后利用模型分析了燃油計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。

2017 – 01 – 12；

2017 – 07 – 10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51379212)；“十三五”國防預(yù)研資助項目(3020401030301)；湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2016CFB623)；海軍工程大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金資助項目(XYBJ1611)

安士杰(1967 – )，男，副教授，研究方向為柴油機燃燒與排放控制。