摘要：通过AMESim 软件建模, 对高压共轨喷油器进行模块化分析和仿真研究。将模拟结果与实测结果进行对比, 两者变化趋势比较吻合, 从而验证了模型的准确性。然后通过改变关键结构参数, 探讨了该喷油器主要结构参数对喷射过程的影响, 确定了保证系统稳定性的结构参数的选取原则, 对高压共轨电控喷油器的设计具有一定的参考价值。
关键词：高压共轨喷油器AMESim

1 前言

高压共轨喷油系统, 具有有效喷射压力高、喷油定时灵活控制、喷油压力独立控制、喷油量可控且能快速断油等特点, 因而能有效地降低柴油机油耗、排放和提高动力性。但高压共轨系统相对复杂,为此本文对该系统的核心部件———喷油器的结构参数进行仿真研究, 来了解、分析结构参数及其对燃油喷射过程的影响, 为高压共轨喷油器的结构参数的设计和优化提供参考依据, 从而降低开发成本。

比较国内各大科研机构所用模拟仿真软件,Hydsim 是当前使用较多的仿真软件, 该软件有丰富的模块库, 可以搭建高压共轨模型, 但对电磁阀模块、液力模块做了很大的简化。因此, 高压共轨系统仿真研究还需要进一步完善系统模型, 提高仿真精度, 丰富仿真研究内容。在此基础上选择了Imagine 公司的AMESim 模拟仿真软件。与Hydsim软件相比, 其优势在于其涵括了机械、液力、电磁等多方面的模块, 从而可以更好地综合分析电、机、液对喷油器特性的影响。AMESim 建模的语言是工程技术语言, 仿真模型的建立扩充或改变都是通过图形界面(GUI) 来进行的, 使用者不用编制任何程序代码, 这样使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来而专注于物理系统本身的设计。

2 模型的建立

2.1 喷油器物理模型及其工作原理

喷油器( 球阀型) 的基本结构如图1 所示, 它是由电磁阀、衔铁、球阀、控制活塞、顶杆以及针阀体组成的。喷油器根据ECU 发出的信号, 将高压油轨中的高压燃油以最佳的喷射定时、喷射量、喷射率和喷射方式喷射到发动机燃烧室中。使用球阀和节流孔对喷射进行控制, 通过球阀的开启与关闭对压力室中的压力进行控制, 从而对喷射的开始和结束进行控制。通过节流孔可以控制油嘴打开的速度来控制喷射率。压力室的压力通过控制活塞传递到喷嘴针阀来控制油嘴的打开和关闭, 当喷嘴针阀打开时, 喷嘴将燃油雾化并进行喷射。

2.2 喷油器数学模型

2.2.1 喷油器液力过程子模型[1~3]

液力过程子模型主要由共轨、连接油管和喷油器3 部分组成。喷油器是通过一些容积腔、孔、阀相互连接起来的, 同时由于喷油器开启过程中, 油液流动会导致压力波动, 所以在建模过程中, 需要考虑共轨和外部连接管道中的压力波动。当然, 在驱动信号接通的瞬间, 我们可以将共轨中的压力设为恒定值[4]。因为轨中压力波动主要是由受液力过程的影响, 对于单次喷射, 周期性运动以及喷油器动作对压力波动所造成的影响与液力过程的影响相比, 是可以忽略的。但是, 对于4 缸或者多缸的连续喷射, 这些因素对压力波动的影响就不可以忽略了。

1) 容积腔模型

对于一些容积模型, 比如控制腔、盛油槽、死容积, 在建立模型中, 其基本的数学模型是基于如下流量守恒方程:

式中: V———容积腔体积;
B———燃油的弹性模量;
Qi———流进或者流出的燃油流量;
dV/dt———泵唧效率。

对于移动的部件则有

其中A 是有效面积, v 是速度。

基于贝努利方程, 计算流进、流出容积腔的流量:

其中Cd 为流量系数, 对于没有气穴现象的,Cd 与孔的几何形状、液体流速、液体密度以及液体粘度相关; A 是有效面积; ρ是燃油密度。

泄漏量的计算:

根据环形间隙渗油流量公式[5]:

其中Δp 两端压力差; δ为控制活塞与配合面间隙; l 为密封长度; μ为运动粘度。

2) 管道模型

在建立燃油管道模型的时候, 考虑管道中的压力波动。采用一维连续流动方程:

q为流量速率, θ为与水平的夹角, h( q) 是与管壁的相对刚度相关的粘度摩擦。

其中c 是声速, uA 是管道的截面积。

3) 控制活塞受力平衡方程:

其中mpis 为控制活塞质量; a 控制活塞加速度;
An 针阀的承压面积; α为阻尼系数。

2.2.2 喷油器机械部件子模型[3]

每个部件根据它自身的位置以及它的维数, 可以分成2 个或者更多的元件, 如图2 所示。将质量为M的活塞分为质量分别为M1、M2 的2 个质量元件, 2 个质量元件又分别由2 个相等的质量块组成( 图中的M1 分为两个M1/2、M2 分为2 个M2/2) , 在活塞的顶端和底端分别是M1/2、M2/2, 中间部分是M1/2+M2/2, 这3 部分之间是通过弹簧和阻尼元件与相邻部分连接起来的。每个元件受到的外部作用力包括液压力Fp、阻尼力和弹性力。

对于每一个质量- 弹簧- 阻尼部件来说, 基本方程:

其中m 是质量; c 是阻尼系数; k 是弹性常
数; F 是沿喷油器轴向的力。

2.2.3 喷油器电磁铁响应特性分析

电磁铁响应特性的基本方程[6~8]

1) 电磁铁线圈电路方程

式中, U 为电磁阀驱动电压; i 为通电线圈电流; r 为线圈内阻; Φ为磁通量。

2) 磁路方程

式中, i 为电流; Nc 为线圈匝数; Φ 为磁通量; Gδ为气隙磁导; Gm 为铁磁导。

3) 电磁铁吸力计算公式

式中, Fm 为电磁力; μ0 为空气磁导率; S 为导磁面积。

4) 电磁阀衔铁运动方程

m·a=Fm+Fh- Fs- Ff

式中, Fs 为衔铁弹簧力; Ff 为衔铁及电磁阀运动阻力; Fh 为衔铁所受液压力( 其中衔铁上升时表现为辅助力, 衔铁下降时表现为阻力) ; m 为衔铁质量;a 为衔铁的运动加速度, 开启时a>0, 关闭时a<0。

2.3 喷油器的仿真模型

2.3.1 电磁阀分析

电磁阀部分, 利用AMESim 软件的电磁模块搭建电磁阀模型, 考虑2 部分: ( 1) 电磁阀驱动电路部分; ( 2) 电磁阀的内部物理结构部分。