Amesim柴油共轨系统高压油泵仿真与建模

本文介绍Amesim针对柴油共轨系统的高压油泵（仅HP泵）进行动态分析。上图展示了由凸轮驱动的单柱塞高压油泵（HP泵）示意图。 入口流量控制阀（FCV）采用电磁驱动和板阀技术，而出单向阀（OCV）采用球阀技术。

对于此类油泵，现象描述可存在多个详细程度级别。 图2展示了由凸轮驱动的高压油泵详细模型。该模型包含来自不同库的子模型，主要包括 液压元件设计库、 凸轮-从动件库和 机电库。

流量控制阀（FCV）在电磁铁断电时保持常开状态。FCV的进气与压缩循环，柱塞从上止点（TDC）位置移动至下止点（BDC）位置。

从上止点到下止点 - 活塞下行 - 进气阶段

• FCV因前一循环的残余状态保持关闭（流通面积为零）。柱塞下行产生泵腔负压，导致泵腔内压力下降。 此时流体无法从入口流向泵腔。

• 泵腔作用力不足以维持FCV关闭状态，在保持阀常开的弹簧作用下FCV开启。流体从入口流向泵腔。

从下止点到上止点 - 活塞上行 - 压缩阶段

• 阀门在弹簧力作用下保持开启。泵腔容积减小，但泵腔内流体回流至FCV。

• 电磁铁通电使FCV关闭。泵腔内压力上升，当OCV开启时，流体流向泵出口。

   

  
  

通过控制触发FCV关闭的电磁铁激磁时刻，可调节高压油泵的供油量。 阀门关闭越早，输送到共轨的燃油量越多。单向阀动态建模考虑了其非理想启闭特性，包括响应时间、振荡和反弹现象。

出口单向阀的非理想启闭会产生回流现象，这是导致泵容积效率损失的原因之一。

泵出口流量曲线显示模型计算了平均流量（考虑泄漏和出口单向阀回流造成的容积损失）及流量脉动。这种流量脉动表现为泵流量围绕其平均值的波动。泵输出的平均流量通过SIGMOVAVG0子模型计算，其周期设置为轴旋转一周的时间，可快速简便地计算泵的平均供油量。

流量脉动频谱分析具有重要意义，理论上泵运动学的基频为：

f = n . N

其中n = 2为凸轮凸角数，N = 2000 rpm为旋转速度。

因此，运动学流量脉动的基频为f = 2 × 2000/60 = 66.6 Hz。 而实际流量脉动的FFT显示第一频率为66 Hz。这种微小差异源于压缩腔的可压缩性效应和阀门动态特性。下图显示泵腔压力和泵出口压力。出口压力受到泵流量脉动的强烈干扰，围绕1500 bar的输送压力波动。

最后，模型的重要变量是高压油泵达到2000 rpm转速所需的扭矩。平均扭矩约为6 Nm。但下图显示轴上存在强烈扭矩脉动（高达35 Nm）。这些脉动可能引起泵轴严重的扭转振动，值得通过更详细的轴系扭转/惯量分布模型进行分析。