进油阀参数对大流量高压共轨供油泵容积效率的影响

2020-08-17魏子朝乔信起王先勇高广新

汽车工程学报 2020年4期

魏子朝，乔信起，王先勇，顾坚，高广新

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2.中国一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏，无锡 214063）

高功率密度柴油机需要大供油流量，这要求高压共轨供油泵在最高转速不变的前提下，尽量提高容积效率。供油泵容积效率损失主要由柱塞与柱塞偶件间隙泄露和柱塞腔的死容积引起。一般情况下，通过增加柱塞偶件密封长度[1]等方法减小柱塞偶件间隙泄露量，通过优化柱塞腔内结构[2]等方法减小死容积。实际上，除上述两类容积效率损失外，泵进油阀在工作中也会造成一定的容积效率损失。进油阀结构参数影响阀芯升程（和时面值、节流损失）进而影响泵的容积效率。阿道尔夫基于泵阀的受力分析和魏氏效应导出了应用至今的描述泵阀运动的二阶非线性常微分方程。唐辉等[3]利用仿真和试验研究了影响泵容积效率损失的因素，但未定量研究进油阀参数对泵容积效率损失的影响。吴楚等[4]仿真研究了进油阀开启压力对泵容积效率损失的影响，但仿真样本点较少，涉及的参数少。范丽云等[5]仿真研究了进油阀结构参数对泵容积效率损失的影响，并分析了导致容积效率损失总体变化趋势的原因，国外IANNETTI等[6]也做了类似研究，且考虑了严重空化等极端条件下泵容积效率损失的变化规律。但目前国内外相关研究均未分析泵进油阀引起容积效率损失的构成，也未能进一步分析其中规律。

本研究当中两组患者接受治疗后，有效率，肢体运动水平，生活质量水平均交治疗前明显改善，且治疗组优于对照组，提示温针在脑卒中后偏瘫的治疗中一定程度优于普通针灸，能够有效恢复患者的肢体功能，提高患者的生活质量。机理可能在于，温针综合艾火之热效应加针刺的效能，行气活血、温通经络，改善脑组织的供血供氧，促进血液循环，增加局部组织的新陈代谢，改善微循环，从而减轻神经元细胞的损伤。

本文将进油阀工作引起的容积效率损失由产生原理的不同分为节流容积效率损失和回流容积效率损失，并通过仿真研究WJ大流量高压共轨供油泵（简称WJ泵）的进油阀参数对进油阀开启压力和阀芯最大升程的影响，进而分别研究对两类容积效率损失的影响。WJ泵的进油阀相较于普通供油泵，阀芯升程更大，运动状态更复杂，对容积效率损失的影响更明显。

1 供油泵结构与流体动力学建模

在WJ泵内，进油阀与出油阀及凸轮柱塞配合工作，如图1所示。供油原理为：凸轮旋转带动柱塞往复运动。当柱塞下行，柱塞腔内部形成负压，进油阀开启，低压油路燃油进入柱塞腔，此过程出油阀保持关闭；当柱塞上行，柱塞腔内燃油被压缩为高压燃油，出油阀开启，高压燃油从柱塞腔流出进入高压共轨，此过程进油阀保持关闭。

图1 供油泵内部结构

供油泵进油阀由阀芯、进油阀弹簧和阀座组成。WJ泵的进油阀结构如图2所示，其球形阀芯的力平衡方程[7]可由式（1）描述，阀芯有效受力面积A[8]可由式（2）求得：

(1)滤饼的固体回收率高达99.81%。滤液浓度1.1 g/L，说明滤液是比较清的，所携带的固体量仅是入料量的0.18%。表征了尾煤压滤机起到了固液彻底分离的作用。需要指出的是，压滤机入料中小于0.03 mm粒级细泥含量接近70%，采用的是80网目(孔径约为0.18 mm)的单丝滤布，虽然煤浆注入滤室的瞬间，滤液浓度较高，但当细泥在滤布上形成滤饼后，此滤饼就成为了过滤介质，对细泥起到了阻留作用，滤液从而更清静。

（1）航道工程。本工程采用单向航道，航道规模按80000DWT散货船乘潮进出港设计。设计航道宽度为166m，边坡1：8，底宽为262m。航道设计底高程为-17.5m。见方案图1。

图2 WJ泵的进油阀结构

进油阀流量系数Cv[9]可由式（3）计算得到：

所以，对于这个问题没有百分之百的回答。我通常在拍摄时关闭合焦提示音，但如果有人喜欢在拍摄过程中打开提示音，又不会干扰其他人，那么我认为也是完全可以接受的。

WJ泵尺寸较大，因此柱塞腔内部死容积也比普通高压供油泵大。通过仿真发现，供油泵死容积大小能够影响进油阀球阀的运动状态。图12为WJ泵在不改变死容积大小（保持原死容积）、采用小死容积与无死容积3种情况下吸油一次进油阀阀芯运动状态的对比。由图12可知，WJ泵在吸油过程中进油阀阀芯振动比较剧烈，且柱塞腔死容积越大，进油阀阀芯的振幅越大。原因在于凸轮带动油泵柱塞往复运动，当柱塞位于上止点时速度为0，当柱塞下行时速度开始增加，而柱塞腔死容积越大，进油阀开启延迟越高，当进油阀开启时柱塞下行速度已经较大，大量燃油迅速流经进油阀球阀进入柱塞腔，使球阀在最大升程附近产生较大振动。

由于阀芯的惯性以及进油阀入口压力波动，在供油泵吸油时进油阀阀芯常常发生振动，并会产生流量脉动[10]。

燃油密度ρ与燃油压力p之间关系的经验公式[11]为：

式中：m为阀芯质量；x为阀芯升程；ρ为燃油密度；A为阀芯有效受力面积；vf为阀芯与阀座间平均过流速度；vi为进油阀入口流速；x0为弹簧预压缩量；R为阀芯半径；r为球阀关闭时阀芯与阀座密封壁面接触线半径。

仿真考虑了燃油可压缩性以及柱塞在柱塞腔内高压下的形变，并假设如下：

泵的进油阀弹簧参数会影响进油阀开启压力和阀芯最大升程，进而影响泵的容积效率。进油阀开启压力与泵转速无关，开启压力过小会导致进油阀密封不可靠，开启压力过大会导致进油阀开启延迟或无法开启。阀芯最大升程与供油泵容积效率密切相关。在高转速下，阀芯最大升程过小会导致进油阀节流，使泵吸油不足，容积效率降低，还会导致气蚀现象的产生，降低进油阀寿命。此外，屈铎等[12]通过研究还发现进油阀节流会使燃油流经进油阀后的截面速度不均匀度ξ增加；阀芯最大升程过大会导致进油阀响应滞后于柱塞，阀芯回落延迟，造成进油阀回流，使泵容积效率降低。

供油泵柱塞下行吸油过程中，如果进油阀阀芯最大升程过小，阀芯与阀座密封壁面间可能会出现节流，从而导致节流容积效率损失。一般情况下，随着供油泵转速升高，进油阀流量增大，节流容积效率损失Δηt也会随之增大。

式中：Δηt为节流容积效率损失；ΔVt为因节流少吸入的燃油体积；Δηr为回流容积效率损失；ΔVr为进油阀回流的燃油体积；V为柱塞腔容积。

2 建立供油泵仿真模型

采用AMESim软件搭建WJ泵液力仿真模型，如图3所示。仿真模型包含输油泵、低压油路调压阀、进油计量阀、WJ泵进出油阀和凸轮柱塞结构等。输油泵采用摆线内啮合齿轮泵，输油泵模型[13]的搭建能够很好地模拟供油泵前端低压油路的压力波动。

图3 供油泵液力仿真模型

式中：ρ0为一个标准大气压下的燃油密度。

（1）燃油温度恒定为40℃。

《小镇上的将军》发表并获奖之前，我的一次次投稿四处碰壁，头破血流。而那之后，直到今天，情况并无太大改观。退稿好像是我这种平庸的不稳定的写作的一个标配，不离不弃。

（2）共轨端压力恒定为180 MPa。

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为验证该仿真模型，在一固定系列的结构参数下，进行试验验证。图4为试验现场，表1为试验主要设备，图5为试验台架布置示意图。

图4 试验现场

表1 试验主要设备

图5 试验台架布置示意图

图6比较了不同轨压-转速工况下供油泵容积效率仿真与试验结果。可见，由于供油泵实际工作过程的轨压波动，以及不同转速下燃油温度的差异对运动粘度的影响，仿真结果与试验结果存在一定误差，但供油泵容积效率随转速变化趋势的仿真结果与试验结果总体上一致，且误差均在5%以内，验证了供油泵仿真模型搭建的正确性。

图6 供油泵容积效率仿真与试验结果对比

3 仿真结果与分析

通过仿真研究WJ泵进油阀弹簧参数对进油阀开启压力和阀芯最大升程的影响，进而研究阀芯最大升程与进油阀节流容积效率损失Δηt及回流容积效率损失Δηr的关系。

3.1 进油阀弹簧参数与开启压力及阀芯最大升程的关系

仿真计算了WJ泵在其最大工作转速nmax下进油阀弹簧参数与进油阀开启压力及阀芯最大升程的对应关系，如图7和图8所示。仿真中进油阀的进油压力在1 000 kPa附近波动。由图7可知，WJ泵转速一定，进油阀开启压力随弹簧预压缩力的增大而线性增大，且与弹簧刚度无关。由图8可知，WJ泵转速一定，进油阀阀芯最大升程随弹簧预压缩力的增大而减小，也随弹簧刚度的增大而减小。上述关于WJ泵的结论均符合一般规律。

（3）低压油路中进油计量阀保持全开，并以等效节流孔替代。

图7 开启压力与进油阀弹簧参数的关系

图8 阀芯最大升程与进油阀弹簧参数的关系

3.2 进油阀阀芯最大升程与节流容积效率损失Δηt的关系

综上，进油阀弹簧参数的选择应将阀芯最大升程控制在合理范围内，以减小容积效率损失。本文将上述因进油阀节流和回流引起的容积效率损失分别称作“节流容积效率损失”和“回流容积效率损失”，定义式为：

图9为WJ泵在最大工作转速nmax下，进油阀阀芯最大升程与Δηt的关系，具体计算了3种不同刚度的进油阀弹簧。由图9可知，转速一定，Δηt随进油阀阀芯最大升程的增大而减小，当阀芯最大升程大于0.9 mm后，进油阀不再产生节流容积效率损失。原因在于泵吸油时进油阀阀芯最大升程过小会导致节流，进油阀内外压差无法吸入足够体积燃油，并及时填充柱塞腔因柱塞下行增大的那部分容积，而少吸入的燃油体积会随进油阀节流作用的减弱（或阀芯最大升程的增加）而减少，进而消失。因此，0.9 mm为供油泵在转速nmax下进油阀不产生节流容积效率损失的阀芯最大升程最小临界值，进油阀阀芯最大升程大于最小临界值即可消除节流容积效率损失。

图9 转速nmax下的阀芯最大升程与Δηt的关系

图10为WJ泵进油阀阀芯最大升程的最小临界值与转速的关系，具体计算了3种不同刚度的进油阀弹簧。由图10可知，阀芯最大升程的最小临界值随转速的增大而增大，且与进油阀弹簧刚度无关。原因在于进油阀开启持续期随泵转速的增加而缩短，在吸油量不变的前提下，吸油速率会随之增加，若保证始终不产生节流，进油阀阀芯最大升程的最小临界值会增大。

图10 阀芯最大升程最小临界值与转速的关系

在确定了进油阀阀芯最大升程的最小临界值后，可根据图8得到对应的进油阀弹簧刚度和预压缩力的值。

3.1 化疗疗程影响患者的心理状态本研究采用的mFOLFOX6化疗方案，是依据卫生部颁布的结直肠癌诊疗规范(2010版)的要求而制定，有效率达到了33.3% ～48.6%，其初治有效率更是达到了48.3% ～57.9%［3］。根据方案设定，每2周重复用药，连续6次为1个疗程，且根据患者的病情变化，可能需要多个疗程。在长达3个月的1个疗程里，患者反复入院接受化疗，难免产生心理波动和负性情绪，甚至影响治疗的正常开展。护理人员对患者开展整体护理的过程中应该注意到这些身心反应，才有利于使患者心理与躯体共同康复。

3.3 进油阀阀芯最大升程与回流容积效率损失Δηr的关系

供油泵柱塞上行的压油过程中，如果进油阀阀芯最大升程过大，可能会由于阀芯回落延迟较大从而导致回流容积效率损失。一般情况下，随着供油泵转速升高，进油阀阀芯回落时间占整个柱塞上行时间的百分比提高，回流容积效率损失Δηr也会随之增大。

图11为WJ泵在最大工作转速nmax下，进油阀阀芯最大升程与Δηr的关系，具体计算了3种不同刚度的进油阀弹簧。由图11可知，转速一定，Δηr并不始终随阀芯最大升程的增大而增大，也可能会出现局部减小的情况。图12～14的结论解释了在转速一定的条件下Δηr不严格随阀芯最大升程的增大而增大的原因。

图11 转速nmax下的阀芯最大升程对Δηr的影响

式中：Q为进油阀过流流量；Fp为进油阀几何结构因子；G为所用燃油相对于水（4℃）的比重；Pi为进油阀入口燃油压力；P为柱塞腔内燃油压力。

Meyer 和 Allen又提出了组织承诺的三维测度模型：情感承诺、持续承诺和规范承诺，并在此基础上编制了一份新的组织承诺量表由24个题项构成，每个维度用8个题项来测量。Meyer，Allen & Smith及Meyer & Allen在之后的研究中又将此量表改为18个题项，每个题项有6个选择。因为此份量表可以较为全面的反映组织承诺的多维性，因而已经成为目前使用最为广泛的组织承诺量表。

图12 死容积大小对进油阀阀芯升程的影响

通过仿真还发现WJ泵吸油时进油阀阀芯的剧烈振动会对Δηr的大小产生影响。图13和图14分别为WJ泵在转速1 590 r/min和1 430 r/min下的进油阀阀芯升程、单位时间进油量随时间变化曲线。由图13可知，转速为1 590 r/min时，柱塞在阀芯升程3个波动周期后开始上行，此时阀芯升程处于波谷，因此，进油阀关闭迅速，回流流量很小。由图14可知，转速为1 430 r/min时，柱塞在阀芯升程3个半波动周期后开始上行，此时阀芯升程处于波峰，因此，进油阀关闭延迟较大，回流流量也较大。由图13和图14对比可知，在高转速下，尽管阀芯最大升程较大，但进油阀的回流量也可能较小（即柱塞恰好在阀芯升程处于波谷时开始上行），从而使Δηr较小，这也解释了在转速一定的条件下Δηr不严格随阀芯最大升程的增大而增大的原因。

图13 转速1 590 r/min下阀芯升程与吸油速率曲线

图14 转速1 430 r/min下阀芯升程与吸油速率曲线

为了排除阀芯振动对Δηr的干扰，研究Δηr在整个高转速区间内的最大值Δηrmax（即柱塞恰好在阀芯升程波峰位置开始上行对应的Δηr）与阀芯最大升程的关系更为合适。图15为进油阀阀芯最大升程对WJ泵Δηrmax影响规律的仿真曲线，具体计算了3种不同刚度的进油阀弹簧。为了便于比较，阀芯最大升程均为WJ泵最大工作转速nmax下的对应值。由图15可知，Δηrmax随阀芯最大升程（转速nmax下）的增大而增大，这与经验相符，且由于阀芯回落延迟无法避免，因此回流容积效率损失无法完全消除。

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