电动燃油泵系统仿真及性能优化研究

2011-04-10黄益政张振东侯肖婷

制造业自动化 2011年14期

黄益政，张振东，文勇，侯肖婷

HUANG Yi-zheng,ZHANG Zhen-dong,WEN Yong,HOU Xiao-ting

（上海理工大学机械学院，上海 200093）

0 引言

电动燃油泵基本功用是连续不断地把燃油从汽油箱吸出，给燃油系统提供规定压力和流量的燃油。基于电动燃油泵的功能可知电动燃油泵的性能的好坏将直接影响发动机的工作性能，所以对于电动燃油泵的仿真分析和性能优化将对发动机性能优化起重要作用。借助AMESim软件对电动燃油泵的工作过程进行仿真分析，深入研究电动燃油泵流量和压力的关键要素，以仿真结果为基础，对电动燃油泵的性能参数进行优化设计，能够有效提升电动燃油泵性能，减少产品的设计周期。

1 系统建模

本课题研究的电动燃油泵的基本结构如图1所示，电动燃油泵由泵体、直流电机和壳体三部分组成。它的基本工作原理是直流电机通电后带动泵壳体内的转子进行高速旋转，转子轴下端的切面与叶轮的内孔切面相结合，使得当转子旋转的时候通过转子轴带动叶轮一起同向旋转，叶轮高速旋转过程中在进油口部分造成真空低压，进而将经过过滤处理的燃油从泵盖的进油口吸入，吸入的燃油经燃油泵叶轮加压后进入泵壳内部再通过出油口压出，为燃油系统提供具备一定压力的燃油。直流电机的结构包括固定在泵壳壳体内壁上的永磁铁、通电后能够产生磁力矩的转子和安装在泵壳上端的石墨碳刷组件。碳刷与电枢转子上的换向器处于弹性接触状态，其引线连接在外壳的插电接线电极，电动燃油泵泵壳外部的两端采用卷边铆紧，成为一个不可拆卸的总成。基于AMESim软件的模型库的规划特点结合电动燃油泵的结构和工作特性，将电动燃油泵的仿真模型系统分为三个模块：机械模块、电磁模块和液力运动模块。通过各模块元件的连接最终组成电动燃油泵的仿真系统。

图1 电动燃油泵的结构简图

在建模之前，根据结构图运用AMESim软件创建了如图2所示的电动燃用泵系统模型，并根据该模型分别建立了电磁控制模块、机械模块和液力运动模块三个子模型。

1.1 系统初步模型创建

图2 电动燃油泵模型示意图

根据电动燃油泵模型示意图，我们就机械模块、液力模块、电磁控制模块这三个子模块，在AMESim模型库[1,2]中选取了不同的元件。电磁控制模块我们选择了直流电动机元件，直流电源，动态信号，阶跃控制信号。机械模块我们选择了质量模型元件，弹簧模型元件，转矩负载模型元件，零力源元件。液力模块我们选择了球阀元件，容积腔和节流口元件，油液属性和油箱元件，流量计元件。

根据以上三个模块的元件我们建立了电动燃油泵系统的几个重要组件的模型如图3和图4所示[3]，并且建立了电动燃油泵的初步仿真模型如图5所示。

图3 阀门模型组件

图4 转子模型组件

图5 电动燃油泵初步仿真模型

1.2 叶轮模型创建

本课题以涡流式电动燃油泵为对象开展研究，由于其叶轮部分具有强烈的三维效应，AMESim库没有提供相适应的解决此问题的子模型，在建模过程中，也不能使用其他的子模型元件或者子模型元件的组合进行替代，因此，本文利用AMESim软件包中的AMESet软件专门创建了叶轮部件子模型，以利用AMESim软件的仿真功能[4,5]。

本文所创建的叶轮模型如图6所示，其中1、2端口为流体端口；3、4端口为机械传动端口。与叶轮相连接的四个元件分别是一个转矩负载模型、一个零转矩源和两个容积腔，其中两容积腔与叶轮模型的两个流体端口相连接，转矩负载元件和零力源模型与叶轮模型的两个机械转动端口相连接。因此设置3端口的转矩为向外输出，接收外部的转速信息，4端口跟3端口为同轴关系设置4端口的输出为转速、输入为转矩，设置1、2流体端口具备三个液力变量：向外输出流速和流量，接收来自外部元件的液体的压力。

图6 叶轮模型

在前几步变量和参数定义完成之后，使用AMESet软件生成C语言代码，导出叶轮模型元件并添加到图5叶轮文字描述白框处，使整个模型系统的各元件端口均封闭且正确连接，至此这个电动燃油泵的仿真模型创建完成。图7显示的就是完整的电动燃油泵仿真模型。

图7 电动燃油泵仿真模型

2 仿真分析

2.1 单一输入的仿真分析

在完成对油液，单向阀和安全阀，以及转子和叶轮等部件的参数设置之后。使用单一的阶跃信号作为信号控制源，依据相应参数的要求检验仿真结果，验证仿真的正确性。

图8 单向阀流量曲线

图9 单向阀出油口压力曲线

从图8可以看出电动燃油泵的流量最终稳定在接近1.6L/min的位置，根据电动燃油泵图纸对单向阀出口流量不低于90L/h的要求，仿真结果符合要求。从图9可以看出电动燃油泵的压力在接近10秒钟后趋于稳定状态，最终电动燃油泵在4.6bar的压力下保持向外输出燃油。

图10 安全阀流量曲线

图11 安全阀开启速度曲线

从图10可以看出，安全阀在大约8秒钟左右开启，并不断升高泄油流量，在20秒钟时开始趋于稳定状态。对应图9的燃油压力曲线可以看出电动燃油泵安全阀的开启压力约在4.6bar左右，此压力值在图纸规定的卸压压力范围内，随着燃油压力的趋于稳定安全阀的流量趋于稳定状态，同时可以从图11看出，在电动燃油泵启动之初8秒左右在电动燃油泵内部油压达到安全阀的开启压力后安全阀迅速开启，安全阀的开启响应较快。结果表明，本系统模型实现了电动燃油泵的功能，证明了仿真结果的正确性。

2.2 动态输入仿真结果

根据我国汽车测试的六个工况，设计了如图12所示的信号控制曲线，六工况分别为匀速阶段，匀加速阶段，较高速匀速阶段，加速阶段，高速匀速阶段和匀减速阶段。通过对不同阶段电动燃油泵工作的仿真将显示出电动燃油泵在各个工况下的工作性能，以及能否较快的响应系统的需求等。

图12 信号控制曲线

图13 单向阀性能仿真曲线

图14 安全阀仿真性能曲线

由图13和14可以看出电动燃油泵基本能够达到汽车在六个工况下的使用需求，但是同时我们也可以看出它的一些缺点，电动燃油泵在启动初期响应时间较长和启动后油压又提升过高，造成了对供油系统和燃油泵本身较高的负荷。所以我们就需要对电动燃油泵进行优化。

3 优化设计

为了解决启动初期响应时间较长和启动后油压又提升过高的问题，实现实时调节，同时结合之前对电动燃油泵结构性能的分析，我们设计了流量和油压问题的调节方案。

图15 优化的电动燃油泵模型系统

如图15所示，在原有模型基础上添加控制线路，通过使用安装在单向阀出口的流量计检测出油口的流量大小，将信息反馈经过判断函数的逻辑控制调节向电压元件输出的控制信号进而调整转子的转速以此来控制电动燃油泵对外输出的燃油流量和压力。

图16 安全阀出油口流量对比

图17 单向阀出油流量对比

对于单一输入的信号控制调节如图16和17所示，安全阀的调节作用更加显著，对应与单向阀的流量控制，可以看出，当压力超过安全阀的开启压力时安全阀迅速打开，由于油液压力的下降导致单向阀的流量开始下降，在压力降到安全阀开启压力以下时安全阀阀门关闭，泵壳内燃油开始累积燃油压力开始增大，继而单向阀流量从上一阶段的降低转为增大，直到燃油压力再次达到安全阀的开启压力时新一轮的调节开始起作用。通过对输入信号的反馈控制稳定了燃油流量和压力的稳定输出，使其波动在一个较小的范围内发生，从单向阀的流量方面可以看出控制调节后流量能够迅速达到规定的流量值并在上升阶段受安全阀的调整迅速回落到规定值附近，显示出调节的有效性。

图18 单向阀出油口流量对比

图19 安全阀出油口流量对比

根据图18可以看出单向阀在动态输入时的出油流量在优化前后的对比分析曲线，可以看出优化后在启动初始阶段能够迅速达到1.5L/min，满足发动机燃油需求，解决了初始阶段的迟滞现象，当处于减速阶段的时候，优化后的模型系统在不影响供油需求的情况下能够快速地降低输出燃油量到规定值附近。图19显示安全阀在优化后相对响应要快，同时在减速阶段能够较快的将流量降低到零，实现保压保证时刻供油系统提供规定压力的燃油。