基于AMESim 的燃油共軌系統(tǒng)高壓泵性能分析*

陳健 蔡佳敏 張兵

（江蘇大學(xué)）

與相同工況的汽油內(nèi)燃機(jī)相比，柴油機(jī)的二氧化碳的排放量更少、熱效率更高、燃油經(jīng)濟(jì)性更佳，是目前全社會(huì)節(jié)能減排目標(biāo)的重要實(shí)現(xiàn)方式之一[1-4]。針對(duì)燃油共軌系統(tǒng)高壓泵的研究主要集中在歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家。電裝公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ECD-UZ 系列[5]的高壓燃油共軌電噴系統(tǒng)，該系列的高壓泵采用的是直列式柱塞泵，其燃油噴射的壓力由上一代的135 MPa 提升到了180 MPa，且試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)噴油量、噴油速率的柔性控制，且能大幅度地減少氮氧化物的排放量；博世公司研發(fā)的第四代共軌噴射系統(tǒng)[6]與電裝公司相比，不同之處在于采用了徑向柱塞泵與電控調(diào)壓方式，最高噴射壓力可以達(dá)到180 MPa，且該系統(tǒng)的高壓泵能夠?qū)崿F(xiàn)燃油噴射量與實(shí)際工況相匹配，從而實(shí)現(xiàn)最佳的噴射效率；德爾福公司推出的DCR 系列[7]共軌燃油噴射系統(tǒng)的技術(shù)水平與電裝、博世相當(dāng)，由于采用了累積式的設(shè)計(jì)思路，使得該系列的匹配率更高；菲亞特公司研發(fā)的UNIJET 系列[8]高壓噴射系統(tǒng)可根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)工況主動(dòng)調(diào)節(jié)柴油的噴射量與噴射速率，在降低氮氧化物等污染物排放的同時(shí)亦可實(shí)現(xiàn)較低的運(yùn)行噪聲；戴姆勒集團(tuán)推出的MTU 系列[9]柴油機(jī)，通過對(duì)影響柴油燃燒的每一個(gè)過程參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立控制，從而在滿足日益嚴(yán)峻的排放法規(guī)的同時(shí)，保證了動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)針對(duì)該系統(tǒng)的研究雖然取得了一些技術(shù)成果，但從實(shí)際的技術(shù)轉(zhuǎn)化率來看，仍然集中于集成創(chuàng)新與臺(tái)架試驗(yàn)階段，實(shí)際的柴油排放還難以滿足嚴(yán)苛的歐美排放法規(guī)。文章對(duì)燃油共軌系統(tǒng)及其高壓泵的組成與工作原理進(jìn)行了介紹，并通過AMESim軟件對(duì)共軌系統(tǒng)高壓泵的性能進(jìn)行了研究，旨在推動(dòng)國(guó)內(nèi)共軌系統(tǒng)高壓泵研發(fā)工作的發(fā)展。

1 高壓泵建模

1.1 高壓燃油共軌系統(tǒng)組成與工作原理

柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)、電、液一體化的產(chǎn)品[10-12]，其組成如圖1 所示。從圖中可以看出，高壓共軌系統(tǒng)主要由低壓部分、高壓部分與電控部分組成。低壓部分主要包括油箱、低壓油泵、燃油濾清器及低壓管路等；高壓部分主要包含高壓泵、油軌、噴油器、高壓管路等；電控部分主要包括傳感器、執(zhí)行器、電控單元等。其中，高壓泵、高壓油軌、噴油器、電控單元為柴油共軌系統(tǒng)的4 大核心部件。

圖1 高壓燃油共軌系統(tǒng)組成[13]

高壓泵的主要作用是將低壓燃油泵泵出的低壓燃油經(jīng)過其內(nèi)部的柱塞壓縮為高壓狀態(tài)，并將壓縮后的高壓燃油送入高壓油軌中，從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工況下噴油量與噴油速率的要求；高壓油軌可以儲(chǔ)存柴油，同時(shí)作為壓力容器吸收壓力脈動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)柴油的穩(wěn)定噴射；噴油器可將共軌管路中的柴油霧化并噴出，其噴射量、噴射時(shí)刻與噴射持續(xù)時(shí)間均由電控單元根據(jù)實(shí)時(shí)工況計(jì)算得出；電控部分主要作用是收集各類傳感器采集到的實(shí)時(shí)工況參數(shù)，經(jīng)由內(nèi)部的算法與邏輯電路處理，輸出控制參數(shù)至各執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的運(yùn)行控制與故障診斷。

1.2 高壓泵的組成與工作原理

高壓泵的結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。從圖2 可以看出，該高壓泵為三柱塞徑向排列的柱塞泵，其入口閥與低壓齒輪泵的出口相連，低壓泵流出的低壓燃油經(jīng)過高壓泵內(nèi)部的柱塞增壓后由高壓泵的出口流出至高壓油軌。該形式的高壓泵結(jié)構(gòu)較為緊湊，凸輪轉(zhuǎn)速較高且轉(zhuǎn)速與供油量呈正比例關(guān)系。三柱塞在空間上呈120°的分布，通過偏心凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)柱塞的線性移動(dòng)，將角位移量轉(zhuǎn)化為直線位移，且當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后，各柱塞均實(shí)現(xiàn)一次完整的供油過程。

圖2 高壓泵結(jié)構(gòu)示意圖

利用AMESim 軟件對(duì)該高壓泵進(jìn)行建模，仿真模型，如圖3 所示。從圖3 可以看出，該系統(tǒng)主要包含3 個(gè)部件：低壓齒輪泵、燃油計(jì)量閥和高壓柱塞泵。低壓齒輪泵輸出的低壓燃油經(jīng)過燃油計(jì)量閥連接至三柱塞的入口處，經(jīng)過三柱塞的出口匯集至共軌管路，提供給噴油器。

圖3 高壓泵仿真模型界面示意圖

2 仿真與分析

在對(duì)建立的AMESim 模型進(jìn)行仿真之前，給出系統(tǒng)各主要仿真參數(shù)的具體數(shù)值：凸輪機(jī)構(gòu)的偏心輪半徑為3.3 mm，柱塞直徑為8.5 mm，柱塞質(zhì)量為0.03 kg，入口閥彈簧剛度為1.2 N/mm，彈簧預(yù)緊力為1.5 N，柱塞質(zhì)量為0.03 kg，出口閥閥芯質(zhì)量為0.000 3 kg，系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)為0.3 s，采樣周期設(shè)為0.001 s，其余參數(shù)采用默認(rèn)參數(shù)即可。

凸輪—柱塞運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真結(jié)果，如圖4 所示。從圖4 可以看出，三凸輪在空間角度上相差120°，柱塞的運(yùn)動(dòng)行程約為6.9 mm，與設(shè)計(jì)參數(shù)相符。

圖4 凸輪-柱塞運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真曲線

高壓泵流量仿真結(jié)果、閥芯位移仿真結(jié)果，如圖5和圖6 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在高壓泵柱塞縮回時(shí)，柱塞腔的容積不斷增大，入口閥開啟，燃油由低壓齒輪泵出口處流至柱塞腔；在高壓泵柱塞伸出時(shí)，柱塞腔的容積不斷減小，出口閥開啟，燃油由柱塞腔流至高壓油軌。入口閥芯與出口閥芯的位移存在一個(gè)滯后的關(guān)系且高壓泵流量的仿真結(jié)果與實(shí)際工況相吻合，驗(yàn)證了仿真模型建立的準(zhǔn)確性。柱塞腔與系統(tǒng)出口壓力的仿真曲線，如圖7 所示。柱塞腔與系統(tǒng)出口壓力始終處于一個(gè)脈動(dòng)的狀態(tài)。系統(tǒng)出口流量仿真曲線，如圖8 所示。系統(tǒng)出口總流量呈現(xiàn)一個(gè)周期性的脈動(dòng)，且名義流量約為2.2 L/min。

圖5 高壓泵流量仿真曲線

圖6 入口閥、出口閥閥芯位移仿真曲線

圖7 柱塞腔與系統(tǒng)出口壓力仿真曲線

圖8 凸輪—柱塞系統(tǒng)出口流量仿真曲線

如上所述，燃油計(jì)量閥的主要作用是接收電控單元根據(jù)實(shí)時(shí)路況輸出的電控量，并調(diào)整閥芯開口量的大小，從而輸出相應(yīng)大小的燃油量以滿足實(shí)際需要，其開度的調(diào)節(jié)主要是通過脈寬調(diào)制（PWM）電流實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制，即通過調(diào)整信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)實(shí)際有效輸出的改變。占空比D 可由式（1）表示：

式中：t——信號(hào)有效時(shí)長(zhǎng)，s；

T——信號(hào)周期，s。

D 分別取 0.175、0.235、0.275，對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真分析。

圖9 和圖10 分別反映了流量計(jì)量閥電磁鐵通電電流、閥芯位移與占空比D 的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著占空比D 的增大，實(shí)際信號(hào)的有效值隨之增加，即通電電流的有效值隨之增加，閥芯有效位移量亦隨之加大，但由于脈寬調(diào)制信號(hào)是一個(gè)周期性的量，故流量計(jì)量閥電磁鐵通電電流與閥芯位移也是一個(gè)脈動(dòng)的信號(hào)。

圖9 不同占空比下流量計(jì)量閥電磁鐵通電電流仿真曲線

圖10 不同占空比下流量計(jì)量閥閥芯位移仿真曲線

低壓泵出口壓力隨占空比D 變化的仿真曲線，如圖11 所示。隨著占空比D 的增加，低壓泵出口壓力亦隨之變大，且當(dāng)占空比D 的數(shù)值取為0.275 時(shí)，低壓泵的出口壓力終值較為穩(wěn)定，且數(shù)值約為500 kPa。

圖11 不同占空比下低壓泵出口壓力仿真曲線

3 結(jié)論

高壓泵是燃油共軌系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，但是針對(duì)該部件仍然缺乏系統(tǒng)化的研究。文章利用AMESim軟件建立了高壓泵的模型，重點(diǎn)分析了燃油計(jì)量閥脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比D 對(duì)流量計(jì)量閥電磁鐵通電電流、閥芯位移、低壓泵出口壓力的影響，結(jié)果表明：當(dāng)占空比D 的數(shù)值取為0.275 時(shí)，低壓泵的出口壓力終值較為穩(wěn)定，且數(shù)值約為500 kPa。本次研究能夠?yàn)楣曹壪到y(tǒng)高壓泵的國(guó)產(chǎn)化提供借鑒思路，但仍然需要指出的是，文章的仿真分析與實(shí)際仍然存在差異，今后可通過實(shí)物測(cè)試對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。