基于AMESim 的共軌管內(nèi)壓力特性仿真研究★

王 方， 張德福

（天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院， 天津 300384）

引言

高壓共軌技術(shù)的應(yīng)用改善了燃油的噴射與油氣混合狀態(tài)，為柴油機(jī)高效清潔燃燒創(chuàng)造了條件。研究表明，供油的動(dòng)態(tài)變化直接影響共軌管及高壓油管內(nèi)的壓力波動(dòng)特性，進(jìn)而影響燃油的定時(shí)定量噴射[1]。本文借助液壓系統(tǒng)仿真軟件AMEsim，搭建柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型，研究了關(guān)鍵部件規(guī)格參數(shù)對(duì)油軌壓力波動(dòng)的影響。系統(tǒng)關(guān)鍵部件的仿真模型包括高壓油泵總成、共軌管總成、噴油器總成模型。

1 關(guān)鍵部件工作原理

高壓油泵作為柴油機(jī)供油系統(tǒng)的重要部件，主要作用是實(shí)現(xiàn)定量供油和定壓供油，本文選用三柱塞徑向泵作為噴油泵，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 三柱塞徑向高壓油泵結(jié)構(gòu)圖

徑向柱塞泵的三個(gè)柱塞在泵腔圓周方向互呈120°布置，并與驅(qū)動(dòng)軸軸線垂直。隨著驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在軸上的凸輪頂動(dòng)柱塞完成泵油過(guò)程。

共軌管是高壓共軌燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，主要包括：共軌管、流量限制閥、壓力限制閥和共軌壓力傳感器等部件，主要作用是儲(chǔ)存高壓燃油和削弱高壓油泵供油、噴油器噴油時(shí)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。在共軌式噴油系統(tǒng)中，共軌管將經(jīng)過(guò)加壓濾波的高壓燃油分配到安裝在各缸的噴油器中[2]。影響柴油機(jī)噴射規(guī)律的高壓油管主要是它的尺寸，油管的尺寸主要是長(zhǎng)度和直徑兩方面的指標(biāo)。

噴油器的功能主要是按照供油規(guī)律向柴油機(jī)的燃燒室提供霧化燃料。噴油器組成包括啟閥彈簧，針閥和閥座。針閥和閥座作為一對(duì)精密偶件，配合間隙直接影響霧化質(zhì)量[3]。

2 參數(shù)設(shè)置及模型搭建

在對(duì)高壓共軌燃油系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 高壓共軌系統(tǒng)主要參數(shù)

文章中未進(jìn)行特殊說(shuō)明，以上為默認(rèn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。需要說(shuō)明的是：本文研究重點(diǎn)是進(jìn)出流量對(duì)油軌壓力波動(dòng)的影響，為此搭建了油泵模型、噴油器模型以及進(jìn)出油管模型，考慮到噴油器模型僅對(duì)油軌出流的影響，不涉及噴油規(guī)律，故取消電控部分，進(jìn)行簡(jiǎn)化，在AMESim 中搭建的高壓共軌系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 高壓共軌系統(tǒng)仿真模型

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

相關(guān)研究采用壓力波動(dòng)程度及壓力響應(yīng)速度兩個(gè)參數(shù)，作為高壓供油管路壓力波動(dòng)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。壓力波動(dòng)程度指供油壓力波動(dòng)的劇烈程度，曲線的峰值、頻率大小等，主要與共軌管的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。壓力響應(yīng)速度指發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或工況發(fā)生變化需要改變軌壓及噴油壓力時(shí)，共軌管達(dá)到目標(biāo)壓力所需要的時(shí)間，主要受共軌管容積和高壓油泵供油特性影響。

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析

4.1 高壓油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)特性的影響

4.1.1 高壓油泵轉(zhuǎn)速

為研究高壓油泵轉(zhuǎn)速對(duì)共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)的影響，將油泵柱塞直徑設(shè)置為11 mm，并保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，將其轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為800 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min，代入模型中進(jìn)行分批運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 高壓油泵轉(zhuǎn)速對(duì)共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)的影響

從圖3 中可以看出，單位時(shí)間內(nèi)隨著高壓油泵轉(zhuǎn)速的增加，共軌管內(nèi)所達(dá)到的壓力值成比例的增大；壓力波動(dòng)變化也比較明顯，同時(shí)轉(zhuǎn)速越大，共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)幅度、波動(dòng)頻率顯著增大，軌內(nèi)達(dá)到目標(biāo)壓力所需要的時(shí)間越短，說(shuō)明系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，而共軌管內(nèi)壓力響應(yīng)速度越快越有利于供油。高壓油泵轉(zhuǎn)速的增加雖然有利于系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但是不可避免的引起共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)的增加，故應(yīng)該綜合考慮這兩方面的因素，選擇合適的高壓油泵轉(zhuǎn)速。

4.1.2 柱塞直徑

柱塞直徑的變化會(huì)使單個(gè)循環(huán)中的供油量和共軌管軌壓的建立時(shí)間發(fā)生變化，由于柱塞和套筒是一對(duì)偶件，柱塞直徑改變的同時(shí)套筒相應(yīng)改變。高壓油泵其他參數(shù)保持不變，高壓油泵轉(zhuǎn)速為3 000 r/min, 選取柱塞直徑為8 mm、9 mm、10 mm、11 mm，帶入AMESim 中進(jìn)行批運(yùn)行，仿真結(jié)果保持不變。

如圖4 所示，單位時(shí)間內(nèi)共軌管內(nèi)達(dá)到的壓力值隨柱塞直徑的增大而增大，共軌壓力響應(yīng)速度加快，從而有利于供油，柱塞直徑的增大導(dǎo)致高壓油泵供油率增加，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入共軌管的油量增加，從而提高了共軌壓力響應(yīng)速度；單位時(shí)間內(nèi)隨著柱塞直徑的增大，共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)幅度增大，但是波動(dòng)頻率有所降低。

圖4 柱塞直徑對(duì)共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)的影響

4.1.3 柱塞腔容積

在仿真模型中，用容積腔元部件模擬高壓油泵柱塞腔內(nèi)的容積，改變?nèi)莘e腔的大小就可以模擬其對(duì)共軌管內(nèi)壓力壓力波動(dòng)的影響。將高壓油泵轉(zhuǎn)速設(shè)置為4 000 r/min，保持高壓油泵柱塞直徑、行程保持恒定，柱塞腔容積設(shè)置為200 mm、500 mm、800 mm、1100 mm，代入搭建的仿真模型中，批運(yùn)行后運(yùn)算結(jié)果如下。

通過(guò)圖5 中可以看出來(lái)，單位時(shí)間內(nèi)，隨著高壓油泵柱塞腔容積的增大，共軌管內(nèi)壓力逐漸減小，建立穩(wěn)定壓力所需要的時(shí)間減小，共軌壓力響應(yīng)速度增加，曲線波動(dòng)幅度增大，反映了共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)幅度增大。實(shí)驗(yàn)只改變了柱塞腔內(nèi)容積的大小，柱塞直徑和行程保持恒定，即油泵的理論供油量不變的情況下進(jìn)行仿真，柱塞腔容積的變化，改變了柱塞運(yùn)行到上止點(diǎn)后的余隙容積，隨著余隙容積的減小，高壓油泵供油效率提高。

圖5 柱塞腔容積對(duì)共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)的影響

4.2 共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高壓管路壓力波動(dòng)特性的影響

共軌管主要作用是燃油的儲(chǔ)存以及高壓的保持，將高壓燃油通過(guò)高壓油管分配到各個(gè)噴油器中，共軌管不僅需要保持較好的壓力響應(yīng)特性，還需要保持快速建立啟動(dòng)工況壓力，對(duì)其尺寸結(jié)構(gòu)的研究需要綜合考慮多方面的因素后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配設(shè)計(jì)[5]。

4.2.1 共軌管長(zhǎng)度

將高壓油泵的轉(zhuǎn)速設(shè)置4 000 r/min，保持共軌管內(nèi)徑3 mm、其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，將共軌管長(zhǎng)度設(shè)置為360 mm、450 mm、945 mm、1 080 mm，代入模型中進(jìn)行仿真，運(yùn)行結(jié)果如圖6，圖7 所示。

圖6 共軌管長(zhǎng)度對(duì)其壓力波動(dòng)的影響

圖7 共軌管長(zhǎng)度對(duì)其壓力波動(dòng)的影響(放大圖)

從圖6 可以看出，隨著共軌管長(zhǎng)度的增加，壓力波動(dòng)變化不均勻、平均壓力波動(dòng)峰值變化趨勢(shì)不規(guī)律。從圖7 可以看出，共軌管長(zhǎng)度為360 mm、450 mm、945 mm、1 080 mm 的壓力波動(dòng)幅度，通過(guò)計(jì)算每條曲線的最大值與最小值之差，壓力幅度分別為24.122 bar、23.483 bar、20.452 bar、19.742 bar，軌內(nèi)壓力波動(dòng)幅度減小，但變化規(guī)律不明顯。同時(shí)，隨著共軌管長(zhǎng)度的增加，共軌管內(nèi)建立穩(wěn)定壓力值所需要時(shí)間增加，軌內(nèi)壓力響應(yīng)速度有所降低，但同樣變化不明顯。

4.2.2 共軌管內(nèi)徑

在保持其他參數(shù)不變的條件下，將高壓油泵的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min，共軌管的內(nèi)徑分別設(shè)為6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，代入仿真模型中進(jìn)行批運(yùn)行，結(jié)果如圖8，圖9 所示。

圖8 共軌管內(nèi)徑對(duì)其壓力波動(dòng)的影響

圖9 共軌管內(nèi)徑對(duì)其壓力波動(dòng)的影響（放大圖）

從圖8、9 中可以看出，隨著共軌管內(nèi)徑的增大，建立的穩(wěn)定軌壓所需要時(shí)間增大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低。共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)峰值以及平均壓力波動(dòng)量隨著共軌管內(nèi)徑的增大而逐漸減少，并且共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)程度減小的趨勢(shì)逐漸變得緩慢。共軌管內(nèi)徑小于10 mm 時(shí)，共軌管內(nèi)所達(dá)到壓力峰值逐漸接近，而當(dāng)內(nèi)徑大于10 mm 時(shí)，其所達(dá)到的峰值壓力出現(xiàn)的較大的波動(dòng)。

4.2.3 共軌管容積

在保持共軌管長(zhǎng)徑比、其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，將高壓油泵轉(zhuǎn)速設(shè)置為4000 r/min,共軌管的容積設(shè)置為28.63 mL、39.27 mL、52.27 mL，代入模型中進(jìn)行批運(yùn)行，仿真結(jié)果如下頁(yè)圖10，下頁(yè)圖11 所示。

圖10 共軌管容積對(duì)其壓力波動(dòng)的影響

圖11 共軌管容積對(duì)其壓力波動(dòng)的影響（放大圖）

從下頁(yè)圖10 中可以看出，隨著共軌管容積的增大，需要建立軌壓穩(wěn)定壓力值所需要的時(shí)間增加，壓力響應(yīng)速度隨著共軌管容積的增大而降低，不利于提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。從圖11 中可以看出，隨著共軌管容積的增大，所達(dá)到的壓力峰值越小，共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)程度減弱，壓力波動(dòng)程度減小，隨著共軌容積增大到一定程度之后，對(duì)壓力波動(dòng)的程度的減弱效果將不明顯。因此從仿真結(jié)果來(lái)看，共軌容積對(duì)于壓力波在共軌內(nèi)的傳遞影響是量的影響而不是質(zhì)的影響。

4.2.4 共軌管長(zhǎng)徑比

在保持其他參數(shù)不變的條件下，高壓油泵轉(zhuǎn)速設(shè)置為4 000 r/min，共軌管容積設(shè)置為50 mL，共軌管長(zhǎng)徑比分別設(shè)置為212、97.3、35，在仿真軟件中運(yùn)行結(jié)果如圖12，圖13 所示。

圖12 共軌管長(zhǎng)徑比對(duì)其壓力波動(dòng)的影響

圖13 共軌管長(zhǎng)徑比對(duì)其壓力波動(dòng)的影響（放大圖）

從圖12、13 中可以看出，共軌管長(zhǎng)徑比對(duì)同一時(shí)刻軌內(nèi)壓力分布的均勻性有很大的影響，隨著共軌管長(zhǎng)徑比的增大，共軌管內(nèi)壓力響應(yīng)速度明顯提高，共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)幅度增大，最終達(dá)到穩(wěn)定的壓力值差別不大。在共軌管容積保持不變的情況下，大的長(zhǎng)徑比使共軌管的直徑減小，共軌管進(jìn)出口出的容積減小，在供油與噴油時(shí)，燃油流入與流出都受到限制，瞬時(shí)軌壓波動(dòng)變大，同時(shí)隨著管內(nèi)直徑的減小，供油量減少，瞬時(shí)軌內(nèi)壓力波動(dòng)變大，壓力響應(yīng)速度提高。

5 結(jié)論

本文利用AMESim 軟件研究了高壓共軌系統(tǒng)部件參數(shù)對(duì)油軌壓力波動(dòng)特性的影響，通過(guò)仿真分析得到如下結(jié)論：

1）高壓油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)軌內(nèi)壓力波動(dòng)變化較大，柱塞直徑和柱塞腔容積的增大，均會(huì)使共軌管內(nèi)波動(dòng)程度增大、壓力響應(yīng)速度提高，其中柱塞腔容積的增大會(huì)降低油泵的供油效率。

2）共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油軌壓力波動(dòng)變化不規(guī)律，結(jié)果表明，單一結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)軌壓波動(dòng)變化并不明顯，但長(zhǎng)徑比的改變對(duì)軌內(nèi)壓力的影響較明顯。共軌管長(zhǎng)徑比的增大，致使軌壓的穩(wěn)定壓力值、壓力響應(yīng)速度、壓力波動(dòng)幅度明顯提高。