基于AMESim的高压共轨喷油器的建模及分析

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。
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
ｄｄΦｔ ＝Ｕ－ ｉｒ
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
ｉＮｃ＝
பைடு நூலகம்
Φ Ｇδ
＋
Φ Ｇｍ
式 中 ， ｉ 为 电 流 ； Ｎｃ 为 线 圈 匝 数 ； Φ 为 磁 通
ｄＶ ｄｔ
＝
ｄ（ Ａｙ） ｄｔ
＝Ａ·ｄｄｙｔ
＝Ａ·ｖ
（ ２）
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：
" Ｑ ＝Ｃｄ
Δｐ Δｐ
Ａ
２ Δｐ ρ
（ ３）
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。
ｓｉｍ 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
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 Ｈｙｄ－
在参数模式下， 将进油孔 Ｚ 直径固定在某一合
图 ５ 喷油器模型
适的值， 同时在压力 １２０ ＭＰａ， 脉 宽 １．５ ｍｓ 的 条 件下， 改变出油孔 Ａ 的直径， 分析其对喷油器性 能 （ 针阀抬起速度、喷油率） 的影响。设定出油孔 基 准 直 径 为 ０．２７ ｍｍ， 步 长 为 ０．０２。 图 ７ 为 Ａ 孔 对针阀抬起速度和喷油速率影响的仿真结果， 分别 对应出油孔直径为 ０．２５ ｍｍ、０．２７ ｍｍ、０．２９ ｍｍ 和 ０．３１ ｍｍ。
（ ２３１） － ７ －
（ａ） 对针阀抬起速度的影响
图 ６ 不同轨压下喷油量的实测值和计算值 － ８ － （ ２３２）
（ｂ） 对喷油率的影响
图 ７ 出油节流孔 Ａ 直径的影响
为了验证模型的准确性， 将仿真计算的单次喷 油量与试验所得的单次喷油量进行了对比， 参见图 ６。可见， 模拟结果的趋势和试验结果的趋势完全 一致。在高轨压 （ １２０ ＭＰａ） 大脉宽时的模拟结果 与试验数据很吻合。小油量的不吻合主要是考虑到 试验误差和测量误差， 以及在喷油器模型中弹性模 块的接触刚度和接触阻尼 ２ 个参数的设置是依托经 验值。但这并不影响轨压波动的分析， 这是因为轨 压波动是由于油泵向轨内瞬时泵油， 以及喷油器的 瞬时喷油引起的， 只要油泵向轨内泵油的油量和喷 油 器 的 喷 油 量 一 致 就 可 以 了 。 因 为 轨 压 １２０ ＭＰａ 时的模拟数据和试验数据很一致， 下文中的计算分 析都是在 １２０ ＭＰａ 时进行的。 ３ 变参数分析［９￣１０］ ３．１ 出油节流孔 Ａ 参数的影响
Ａｐ－
ｐｃ
Ａｎ－
αｄｈｐ ｄｔ
（ ７）
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
量； Ｇδ为气隙磁导； Ｇｍ 为铁磁导。
３） 电磁铁吸力计算公式
Ｆｍ＝
Φ２ ２μ０Ｓ
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；
图 １ 喷油器简图
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：
! Ｖ ｄｐ ＋ ｄＶ ＝
Ｂ ｄｔ ｄｔ
ｉ
Ｑｉ
（ １）
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 — ——泵唧效率。 ｄｔ 对于移动的部件则有
－ ６ － （ ２３０）
图 ４ 电磁阀输出力曲线
当然， 在搭建这个模型的时候， 还是做了相应 简化， 没有考虑磁滞、涡电流、磁性元件磁泄漏等 因素对电磁阀性能的影响。随着试验手段和测试技 术的进步， 我们会逐渐完善这个模型。 ２．３．２ 喷油器模型分析和验证
所建立的喷油器模型如图 ５ 所示， 调整参数， 进行验证计算， 使得模型更加准确。
当出油节流孔直径过小时， 电磁阀通电后， 控 制腔的压力不能迅速降低， 喷油器的针阀抬起就会 很慢甚至不能抬起， 喷油速率就达不到预期值； 当 出油节流孔直径变大， 电磁阀通电后， 控制腔压力 迅速降低， 针阀速度抬起时刻变早， 上升变快， 且 最大速度变大， 快速到达喷油状态。出油节流孔直 径越大， 喷油率上升速度越快， 保持最大喷油率的
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。
柴油机设计与制造 Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ
２００８ 年第 １ 期 第 １５ 卷（ 总第 １２２ 期）
基于 ＡＭＥＳｉｍ 的高压共轨喷油器的建模及分析
蔡珍辉 １ 杨海青 １ 杭勇 ２ 卫忠星 ２ 潘德强 １ （１ 南京航空航天大学车辆工程系， 江苏南京 ２１００１６； ２ 无锡油泵油嘴研究所， 江苏无锡 ２１４０６３）
关键词： 高压共轨 喷油器 ＡＭＥＳ ｉｍ Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｃｏｍｍｏｎ ｒａ ｉｌ， ｉｎｊｅ ｃｔｏｒ， ＡＭＥＳ ｉｍ
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。
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
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
泄漏量的计算：
根据环形间隙渗油流量公式［５］：
Ｑ ＝ πｄδ３ ·Δｐ
（ ４）
１２ μ ｌ
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：
ｄｑ ｄｔ
－
Ａ ｄｐ ρｄｘ
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： ｍｘ＋ｃ．ｘ．＋ｋｘ． ＝Ｆ
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模型， 如图 ３ 所示。最终输出的电磁力见图 ４， 符 合喷油器的工作要求［７］。
图 ３ 电磁阀模型
图 ２ 部件分解图
其中 ｍ 是质量； ｃ 是阻尼系数； ｋ 是弹性常
来稿日期： ２００７－ １０－ １２ 作者简介： 蔡珍辉（ １９８３－ ） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为发动机控制技术。
－ ４ － （ ２２８）
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］