基于AMESim柴油机电控单体泵喷射系统仿真研究

张志清

（1.钦州学院，钦州 535000；2.集美大学 厦门 361000）

0 引言

自狄赛尔发明“压缩式点燃式柴油机”的一百多年发展历史中，柴油机经济性、可靠性等各方面的综合性能都有了很大的提高。但随着各国排放法规的日益严格，燃油价格的不断攀升，对柴油机的排放性能和经济性能提出了更高的要求。尤其是Tier II实施以后，进一步限制了船舶柴油机氮氧化物的排放。然而，柴油机的电控化控制是满足该规则的有效途径。而电控单体泵是第二代时间控制式的电控燃油喷射系统，它不仅可以提高燃油喷射压力，而且可以有效地实现喷油量和喷油定时的控制，来优化柴油的喷射特性[1～3]。本文主要采用AMESim对电控单体泵燃油喷射系统进行建模，对燃油的喷射系统进行研究。

1 喷射系统的组成

电控单体泵主要由机械部分和电控部分组成。电控部分主要由传感器、电子控制单元（ECU）和各类执行器组成。传感器主要作用是检测当前柴油机运行状态各个方面的数据（如水温、油温、中冷器前后温度、转速、各种压力等参数）。喷射控制系统主要是由微机组成，根据采集到的柴油机传感器的各种信号及各种操作信号，正确识别出当前柴油机运行的工作状态，控制柴油机进入相对应的控制模块，并按已经标定好的柴油机特性，控制柴油机的运行[4,5]。机械部分主要由电控泵、喷油器、高低压油管、输油泵和油箱等五部分组成。电控单体泵一般都由泵体、电磁阀、进/出油口、拉杆、柱塞、调整垫片、回位弹簧和调整垫片组成[6]。

2 仿真模型的建立及验证

2.1 数学模型的建立

电控单体泵是一个复杂的系统，它包括了机械运动、流场、电场和磁场方面的知识。根据系统内在联系，建立系统数学模型，从而进行喷射性能参数分析。

2.1.1 泄漏模块

在喷油系统的运行中，考虑到针阀体内部间隙的泄漏，有环形间隙渗油流量公式：

式中：Δρ为两端压力差；L为密封长度；µ为运动粘度；δ为控制活塞与配合面间隙。

2.1.2 运动件模块

根据静力平衡关系，得到阀杆和针阀机械运动方程分别如下：

式中：m为运动件的质量；x为阀杆的位移；Fmag为电磁阀电磁力；Ff为液体阻力尼；k为复位弹簧刚度；x0为弹簧变形量；Sn为针阀截面积；Ss为针阀密封面的截面积；Pn为盛油糟中的燃油压力；Pi为压力室中燃油压力。

2.1.3 高压油管模块

依据流体力学中动量守恒方程、能量守恒方程和连续性方程，高压油管内的波动方程如下：

式中：ρ为燃油密度；v为燃油速度；λ为粘性阻力系数；p为燃油压力；a为油管内压力波传播速度。

2.1.4 电磁场耦合模块

电控单体泵柴油机喷射系统中, 高速强力电磁阀的动作决定了燃油的喷射定时和喷油量。它的动态响应特性直接影响燃油喷射压力和柱塞泵腔内燃油压力的卸载速度等特性，直接影响柴油机的燃油经济性能和排放性能。假定电磁阀磁路未饱和，忽略铁心中的感应涡流、漏磁及铁磁的磁阻。根据麦克斯韦定律可以求得：

式中：Fmag为电磁阀电磁作用力；µ0为真空磁导率，为一定值；i为电磁阀线圈电流；N为电磁阀线圈匝数（匝）；A为电磁铁作用面积；δ为衔铁与电磁铁之间的间隙。

在一定的电磁阀结构中线圈匝数，真空磁导率和电磁铁作用面积为常数，如果衔铁与电磁铁之间的间隙一定时，电磁阀的电磁作用力与线圈电流的平方成正比[7]。

式中：Ud为提供的驱动电压；i为电磁阀线圈电流；R为电路的总电阻。

在线圈电路中，因为电路总电阻比较小，可以忽略。从式（6）可以看出，电流的变化率是由线圈的电感和提高的驱动电压决定的。当线圈电感一定时，电流的变化率和驱动电压成正比。在电磁阀动作过程中，电流的变化率，应该以最快的速度达到最大值。

2.1.5 容积模块

考虑到油槽和针阀腔的容积效应，在AMESim环境中，引入容积模块。基于能量守恒和流体力学的相关的知识，容积模块的方程如下：

式中：V为压力室容积；p为压力室里面的燃油压力；B为容积腔里面燃油的弹性模量；∑Q为流入容积腔燃油流量的总和；∑q为流出容积腔燃油流量的总和。

2.2 AMESim仿真模型的建立与验证

在建立电控单体泵燃油喷射系统数学模型基础上，利用AMESim仿真软件，将单体泵模型、电磁阀模型和喷油器模型三部分元件组合起来，再通过油管连接在一起，这样就构成电控单体泵单缸燃油喷射系统AMESim仿真模型，如图1所示。在搭建系统的草图仿真模型后，再给每个元件模块结合式（1）匹配合适的数学模型。根据系统的结构、原理等相关参数，设置仿真模型中各子模型的参数，得出了子模型。

图1 电控单体泵燃油喷射系统仿真模型图

表1 电控单体泵燃油喷射系统主要参数

在建立好数学模型以后，为了保证它的稳定性和准确性，必须通过试验数据来进行验证。图2和图3都是在脉宽在14mm、高压油管长度900mm，直径2mm、柱塞13mm、凸轮转速在500 r/min、喷孔直径0.26mm时试验数据和仿真数据的对比图，其中图2是油泵试验台得出的喷油规律试验数据和仿真曲线的曲线对比图。图3是柴油机在运行试验得出的泵端压力和仿真曲线的对比图。由两图试验曲线和仿真曲线对比可知，柴油机燃油系统的喷射规律和喷油提前角基本相一致，表明能够较为准确的预测燃油喷射系统的喷油规律。

图2 喷油速率曲线对比图

图3 泵端压力曲线对比图

3 模型的仿真分析

利用验证的建立的AMESim仿真模型，在定脉宽14mm的情况下，通过改变相关的参数（高压油管长度、高压油管直径、凸轮型线速度、柱塞直径、柴油机凸轮转速）转速来仿真分析燃油喷射系统的燃油喷油规律。在研究单个因素影响时，其他的因素保持与表1一致。

3.1 高压油管长度

如图4所示，高压油管长度对柴油机喷油规律的影响不是很明显，但随着高压油管的变长，喷油提前角有变小的趋势，从图4可以看到850mm和950mm的相差约0.2°CA，喷油结束的时刻也相应的有所滞后，喷油速率也略有下降。主要是由于在高压、快速的过程中，管路是弹性原件，燃油是可压缩的，因此管路越长，流动的时间就越长。如图5所示，高压油管长度的变化对泵端压力的影响也不明显，同样随着高压油管的变长，泵端压力稍微有所下降。这主要是由于高压油管变长，燃油在高压油管流动的阻力变大。

图4 油管长度对喷油规律的影响曲线图

图5 油管长度对泵端压力的影响曲线图

3.2 高压油管直径

如图6所示，2mm管径的高压油管喷油速率最大，1.5mm和2.5mm管径的最大喷油速率相差很小。管径越小喷油持续角就越大。如图7所示，2mm管径的高压油管泵端压力最大，为74.6MPa；比2.5mm管径的大2.1MPa，比1.5mm管径的大3.1 MPa。1.5mm管径的高压油管建压时间最长，降压最慢。这主要是因为高压油管的管径越小，整个高压油管的容积就越小，建压就越快，泵端压力本应该比较高，但是由于管径越小，燃油在管内流动受到的阻力比较大。反之，燃油流动受到的阻力比较小。在喷油后期，主要是由于管径小的建压比较快，压力下降的比较慢，因此喷油持续角就比较大。

图6 油管直径对喷油规律的影响曲线图

图7 油管直径对喷油规律的影响曲线图

3.3 凸轮型线速度

如图8所示，凸轮型线对喷油规律影响比较明显，随着凸轮型线速度的增加，喷油速率增加。相邻的两种凸轮型线之间相差约2mm3/°CA。如图9所示，随着凸轮型线速度的增加，泵端压力增加的很明显。0.46mm/CaA和0.4mm/CaA之间最大泵端压力相差约18.6MPa。当脉宽一定时，凸轮型线速度越大，建压就越快，同时喷油量也增加。

图8 凸轮型线对喷油规律的影响曲线图

图9 凸轮型线对泵端压力的影响曲线图

3.4 柱塞直径

如图10所示，柱塞直径对喷油规律影响比较明显，随着柱塞直径的增大，喷油速率和喷油持续时间都有不同程度的增大，喷油提前角增大的趋势并不是很明显。如图11所示，柱塞直径对泵端压力影响比较明显，随着柱塞直径的增大，油泵的泵端压力相应的升高。主要是因为柱塞直径越大，柴油机燃油系统的供油速率增大，系统中建压的时间变短，喷射压力升高，喷油提前角增大。

图10 柱塞直径对喷油规律的影响图

图11 柱塞直径对泵端压力曲线图

3.5 柴油机转速

如图12所示，随着柴油机转速的升高，喷油速率和喷油持续时间都增大。同时，喷油提前角都有增大的趋势。如图13所示，柴油机转速对泵端压力影响比较明显，随着柴油机转速的升高，油泵的泵端压力升高，增大比较明显。这主要是因为柴油机转速越大，柴油机燃油系统中建压的时间变短，泄露量减少，喷射压力升高，喷油提前角增大。

图12 柴油机转速对喷油规律的影响图

图13 柴油机转速对泵端压力曲线图

4 结论

本文利用验证的AMESim仿真模型进行仿真研究主要得到了一下结论：

1）高压油管的长度对喷油规律影响比较小，泵端压力有减小的趋势，但是影响不是很明显。

2）高压油管管径大小对喷油规律的影响主要有两方面的影响。管径越小，管内容积越小，建压随越快，但是燃油流动的阻力增大，泵端压力下降。

3）凸轮型线速度、柱塞直径影响比较明显。随着凸轮型线速度、柱塞直径的增加，喷油速率和泵端压力增加。

4）随着柴油机的转速的升高，喷油速率、喷油持续时间和喷油压力增加；喷油时间有增大的趋势。

[1]范立云.新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究[D].大连:大连理工大学,2008.

[2]乔英志.4190型柴油机工作过程仿真与性能优化[D].厦门:集美大学,2013.

[3]刘永长.内燃机原理[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.

[4]李素文.柴油机单体泵控制系统研究开发[D].吉林:吉林大学,2008.

[5]高维金.电控单体集成泵燃油喷射系统的仿真分析[D].河北:河北工程大学,2011.

[6]欧阳明高,王熙,杜传进.电控燃油喷射系统的计算机辅助分析与设计[J].车用发动机,1998,2(114):49-53.

[7]范立云,高明春,马修真,等.电控单体泵高速电磁阀电磁力关键影响因素[J].内燃机学报,2012,30(4):359-364.