高压油泵凸轮参数对共轨喷油特性影响的研究

高豪杰，汪功校，郑竹安

（224051 江苏省 盐城市 盐城工学院 汽车工程学院）

0 引言

高压共轨系统具有喷射压力高、压力波动幅值不随工况而变化、喷油定时灵活、可单独控制喷油压力等优点，可显著降低有害气体的排放，同时提高发动机的动力性和燃油经济性，目前已广泛应用于柴油发动机[1]。

高压共轨系统可以实现燃油喷射压力、喷射量和喷射速率的灵活精准控制，是目前为止最高效的柴油机燃油喷射系统。高压共轨系统的结构和工作过程较复杂，需由低压油泵、燃油计量阀、高压油泵、高压共轨管、电磁阀和喷油器协同配合完成，完成供-喷油过程。高压油泵为整个系统提供稳定的高压燃油，国内外科研人员开展了大量的高压油泵结构和性能的研究[2]。祝轲卿[3]等对部分负荷下影响高压油泵供油量因素进行分析，发现燃油计量阀刚度、电磁阀弹簧力、进油阀预紧力对部分负荷下高压油泵循环供油特性影响较大。代伟[4]等对轨压对供油特性的影响进行了研究，发现了高压油泵的转速对流量的最大值起到决定性作用。张朝阳[5]等利用AMESim 对高压油泵进行了物理建模，并对供油效率的影响因素进行分析，结果表明，当低压油路的压力较小时，泄压阀的控制压力对供油压力有着较大的影响，并且呈线性变化；苏海峰[6]等对共轨系统水击力波动的分析发现，加入T 型谐振型滤波器对单次喷射的水击压力波动有明显的减弱作用，其最大油量波动率降低了19%。赵万林[7]利用有限元分析研究了偏心距对压力波动的影响，结果表明，随着偏心距的增加，波动幅值呈线性增加，但不会影响波动的频率。李捷辉[8]等对起动工况下的轨压控制进行了研究，提出了一种新型不采用PID 的轨压控制算法，结果表明，轨压波动幅值在1 MPa 以内且怠速轨压建立时间小于1.5 s 能够有效减小轨压波动。贾晓岩[9]对超高压共轨燃油系统多次喷射性能进行研究，当工作轨压为1 800～ 2 500 bar 时，发现随着喷射压力的提高，提高结束时，针阀落座产生的水压力波会更加剧烈，喷油压力下降幅值均随喷射压力的提高而增大。Jesheum[10]等人通过AMESim 建立了电磁喷油器的一维模型，用数值方法研究燃料粘度和密度随燃料温度的变化对喷射压力和喷射速率的影响，结果表明，燃油粘度对喷油速率和喷油压力的影响大于燃油密度对其的影响。

本文主要通过AMESim 软件研究高压油泵凸轮偏心距对轨压和喷油特性进行仿真分析，并通过共轨实验台进行关键参数的验证。

1 高压油泵的数学模型

本文建立了高压油泵的数学模型，主要包括凸轮运动方程、质量守恒方程、液体流动连续性方程、物理受力方程和电磁方程、凸轮运动方程。

1.1 高压油泵液力过程模型

（1）液压腔室容积流量守恒模型

对于所研究的腔类容积模型，例如高压腔、回油腔燃油计量阀腔，在运行仿真模型时，它的质量和流量在简化后满足的守恒方程为

式中：V——容积体积；E——燃油的弹性模量；——泵油效率；Qi——流进或流出的燃油流量。

对于运动的部件，可得：

式中：A——有效流通面积；v——流体速度。

流进、流出容积腔的流量变化规律可根据贝努利方程得出

式中：Cd——流量系数，针对不存在气穴现象的液体管，其中Cd管道内控的截面形状、液体种类和液体流速有关；A——有效流通面积；ρ——采油密度。本文将高压共轨管简化为无气穴现象。

燃油泄漏量的计算根据柱塞耦合件环形间隙渗油流量公式：

式中：Δp——柱塞上下压力差；δ——控制活塞与泵体配合面间隙；l——泄漏面的长度；η——燃油动力粘度。

（2）管道液体流动连续性模型

在建立燃油管道模型时，考虑管道中的压力脉动，采用连续流动方程：

式中：q——管道燃油流动速率；p——管道中的油压；θ——燃油管道放置的倾斜角；h（q）——与管壁相关的燃油粘度摩擦。

式中：c——声速；A——管道的截面面积。

（3）泵油柱塞受力平衡方程

式中：mpis——柱塞质量；a——柱塞加速度；An——出油阀的承压面积；α——阻尼系数。

虽然活塞在做往复运动时伴有径向运动，但由于存在3 个运动活塞，所以在每个工作循环内，所受到的径向力相互抵消。

1.2 高压油泵机械部件模型

每一个柱塞泵结构都可以简化表示为质量-弹簧-阻尼部件，基本方程为

式中：m——作用质量；c——弹簧部件阻尼系数；k——弹性系数；F——沿高压油泵柱塞腔轴向的作用力。

1.3 高压油泵电磁阀响应特性分析

电磁阀作用在燃油计量阀上，它控制着低压油进入高压油泵的油量，其特点是快速响应供油特性，并能精准控制进入高压油泵的油量。电磁阀根据PWM 信号触发，通过ECU 控制单元控制电磁力的大小。

（1）电磁电路方程

式中：U——电磁阀驱动电路；i——通电线圈电流；r——线圈内阻；Φ——磁通量。

（2）磁路方程

式中：i——通电电流；Nc——线圈匝数；Φ——磁通量；Gδ——真空隙磁导率；Gm——铁磁导率。

（3）电磁铁吸力计算

式中：Fm——电磁力；μ0——空气磁导率；S——导磁面积。

（4）电磁阀衔铁运动方程

式中：m——衔铁质量；a——衔铁的运动加速度，开启时a＞0，关闭时a＜0；Fs——衔铁弹簧作用力；Ff——电磁阀衔铁的运动阻力；Fh——衔铁所受液压力。

（5）凸轮运动方程

凸轮线性和凸轮偏心距等参数对高压油泵供油特性、轨压和喷油特性等都有较大的影响。在供油阶段，偏心距的结构参数决定了柱塞的往复运动规律，进而对共轨管的压力波动幅值产生较大影响，但对压力波动的频率影响较小。当偏心距变化时，最高的供油速率也随之改变，在设计允许范围内，适当增大偏心距，供油速率和轨压也会随之增加，从而使得喷油器的喷油特性发生变化。

（a）粘度系数计算公式

式中：z——阻尼比；K——刚度；M——凸轮质量。

钢件阻尼比通常在0.01～0.05 之间，完全阻尼的穿透度为正数。

（b）凸轮线速度公式

式中：AT——偏心距；R——粘度系数；βs——主架横坐标与从动件轴的夹角；ς——凸轮从动件的初始角位移；ωRPM2——旋转角速度。

c）凸轮位移公式

式中：xref——线速度；offset——初始位移值。

表1 为系统中高压油泵仿真模型主要结构参数。

表1 高压油泵模型的主要参数Tab.1 Simulation calculation parameters of high-pressure oil pump

2 高压油泵仿真模型

2.1 电磁阀响应分析

燃油计量电磁阀作为低压油泵和高压油泵的连接部件，主要作用是为高压油泵提供稳定持续的低压油。采用AMESim 软件，构建了包含驱动电路和阀门机械结构的电磁阀整体结构模型，如图1 所示。图2 为其每单次提供的电磁力，该电磁力可以满足计量阀的工作要求。

图1 电磁阀仿真模型Fig.1 Solenoid valve simulation model

图2 电磁阀单次动作电磁力输出力Fig.2 Output force of electromagnetic force in single electromagnetic action

2.2 高压油泵模型

为了进行高压共轨的参数分析，根据高压油泵的工作原理，对其结构进行了简化，利用AMESim软件建立高压油泵的整体模型，模型中包括ECU控制单元、低压油路、燃油计量阀、高压油泵等关键部位，分别如图3 和图4 所示。

图3 高压共轨控制系统仿真模型Fig.3 Simulation model of high-pressure common-rail control system

图4 油泵仿真模型Fig.4 Simulation model of oil pump

2.3 模型验证

在单次工况相同条件下，改变仿真模型中的相关参数进行仿真计算。并通过图5 所示的高压油泵试验台对高压泵的输出效率进行了试验验证。

图5 高压共轨试验台Fig.5 High-pressure common-rail test rig

通过仿真与实验结果的对比分析，得出了两者供油效率之间的差异。输出效率试验与效果如表2、表3 所示。从表2、表3 可知，相同轨压条件下，输出效率随着转速的增大而下降。相同转速条件下，共轨轨压越高，输出效率越低。

表2 仿真输出效率结果/%Tab.2 Simulation results of output efficiency

表3 实验测试输出效率结果/%Tab.3 Output efficiency experimental results

对于输出效率，仿真结果和实验结果之间存在一定偏差，但多数偏差都维持在5%以内，这样的差异度可以接受，所以本研究的仿真模型和参数设置与系统的匹配度较高，也验证了模型的准确性。

3 仿真分析结果

高压油泵是高压共轨系统中的重要元件，其可为喷油器持续提供稳定的高压燃油。研究高压油泵的结构参数，找出主要影响因素，可针对性地改善高压共轨系统的供油和喷油性能。

3.1 凸轮离心距对轨压的影响

凸轮是高压油泵中较为关键的部分。柱塞泵的供油过程中，凸轮为柱塞提供动力，即随着凸轮的旋转，柱塞向上运动使燃油变为高压油输出，因此凸轮离心距对轨压有较大影响。通过AMESim 的仿真分析，研究离心距对高压共轨系统的影响，探寻能输出最佳压力和流量的离心距。

图6 为凸轮半径轴转速为1 200 r/min 时，不同凸轮离心距下的共轨轨压特性曲线。由图6 可知，当凸轮离心距为1 mm 时共轨管压力最小，凸轮离心距为3.5 mm 时共轨腔压力最大，且轨压相对稳定。

图6 凸轮半径对轨压的影响Fig.6 Influence of cam radius on rail pressure

3.2 凸轮离心距对喷油特性的影响

由前述可知，凸轮离心距对轨压的影响是显著的，一般情况下，凸轮离心距的改变也会对喷油器的喷油特性有一定的影响，本节主要探究凸轮离心距对喷油特性有何影响。

3.2.1 凸轮离心距对喷油流量的影响

由于离心距的调整，共轨轨压发生变化，进而影响了喷油器中蓄压腔的压力，从而使喷油器的瞬时喷油流量和油束形状发生改变。图7 为在不同离心距情况下喷油流量随时间变化的曲线。

图7 凸轮离心距对喷油流量的影响Fig.7 Influence of cam centrifugal distance on fuel injection flow

由图7 可知，偏心距为1.0～3.5 mm 时，喷油流量随凸轮偏心距的增加而变大，离心距为3.5 mm时喷油流量达最高值；偏心距大于3.5 mm 时，轨压波动较大，影响瞬时喷油流量，使得喷油流量变小。

3.2.2 凸轮离心距对喷油质量的影响

凸轮离心距取1～4 mm 时，随着离心距的增加，瞬时喷油流量增加，从而也使得喷油质量相应增加。

由图8 可以看出，离心距为3.5 mm 时的喷油质量最大，当瞬时喷油质量增加时，喷油效率会得到相应的提高。

图8 凸轮离心距对喷油质量的影响Fig.8 Influence of cam centrifugal distance on fuel injection quality

4 结论

通过AMESim 搭建高压共轨模型，仿真分析了改变高压油泵中的凸轮偏心距对喷油特性的影响。分析发现，凸轮偏心距的改变对喷油流量、喷油质量和轨压都有较大的影响。

（1）通过仿真和实验验证可知，在相同轨压条件下，输出效率随着转速的增大而下降；在相同转速条件下，输出效率随着轨压的增大而降低。

（2）当偏心距过大时，会对轨压的波动幅值有较大影响，从而对喷油特性产生消极影响，此时应当控制偏心距；当偏心距过小时，轨压较低且相对不稳定；当偏心距约为3.5 mm 时，轨压达到最大，同时轨压波动较小。从而得出结论，当偏心距达到3.5 mm 时效果最好。

（3）当偏心距较小时，喷油流量和喷油速率均受到不同程度的影响；偏心距达到3.5 mm 时，主喷射阶段的喷油流量在主喷射流量达到最大；偏心距大于3.5 mm 时，喷油流量主喷射流量也会不同程度减少。