电控VE泵回油螺钉流量孔的优化

摘要： 　　在车用柴油动力装置中，VE型分配喷油泵应用越来越广泛，在发动机工作过程中，回油螺钉与系统温度、泵腔压力等很多因素都有关系，本文论述了优化回油螺钉流量孔对于控制VE泵回油温度及泵腔内压力的必要性，并利用流体力学原理和相关程序来优化回油螺钉的孔径，本文的结论对于提高安装有VE泵的发动机的性能具有帮助。 关键词： VE型分配喷油泵 回油螺钉的孔径 温度和泵腔压力 程序 Abstract: This article is focused on the research and improvement in overflow restriction . VE distribute fuel injection pump has be apply very extensive in the auto diesel engine. When the engine is working , The overflow restriction has close relationship with system temperature 、pump pressure etc. The article just analyze the effect of return fuel temperature in the VE pump and the necessity of controlling the temperature.The optimization of it using of hydromechanical theory and some program can improve the characteristic of the auto diesel engine. Key words: VE distribute fuel injection pump；return fuel bolt aperture；pump pressure；program 0 引言 　　小型、高速、多缸柴油机作为车用动力装置，近年来得到了迅速发展，使得VE型分配泵得到了优先的采用。在对安装有VE泵的柴油机进行性能试验时，必须要使油泵温度控制在一定的范围内。其原因体现在以下几个方面: (1) VE泵完全用柴油润滑。若柴油温度过低，则粘性增大，使各个运动零部件消耗的功率增加；温度过高，则会产生润滑不足，影响可靠性； (2) VE泵油腔压力较高，而柴油温度对密封元件及密封性有直接的影响； (3) 柴油温度影响到喷油过程、雾化性等方面，从而影响柴油机性能； (4) VE泵设计回油量随转速上升而增加(见图1)。 其原因是把柴油作为一种冷却介质，使各零件的工作温度不致太高，保证正常的配合间隙，根据试验 （n：转速、Q：回油油量），上式由图示曲线拟合得出。基于以上原因，在油泵试验时必须考虑回油温度。而回油温度很大程度上取决于回油量的大小。 一 回油螺钉的数学模型 　　柴油从回油孔流出时，根据流动的特性，在回油孔口外面发生收缩，形成一个收缩断面S-S，在断面处的流动可认为是缓变流动。 　　在实际的电控分配泵开发过程中，如右图2所示回油螺钉的回油孔直径小于0.1H，螺钉壁厚2mm 因此在优化计算时看作薄壁小孔。 　　建立如图3所示的数学模型 　　以通过孔口中心的水平面为基准面，对断面1-1和S-S列伯诺里方程 　　柴油的密度和运动粘度随环境温度变化较大，考虑数学模型的简化，因此假设孔口的各系数为定值如下： 　　根据试验和对发动机在实际工况下的测量我们可以得出在不同转速下的回油流量的理论值，当油泵转速n为250r/min时，回油流量Q为l0L/h，n为1000r/min时，Q为18. 2L/h ，n为2000r/min时，Q为23. 3L/h，n为2500r/min时，Q为24. 1L/h。由此可见，在不同的油泵转速下，VE泵需要不同的冷却流量。随着发动机转速的提高，各零件的运动摩擦加剧，油泵温度也越高，因而需要有更大的回油流量来带走油泵产生的热量。 从图4可以查出在一定温度和转速下柴油冷却必须带走的热量W=900kJ/h (考虑大气温度为30℃)。 　　下面我们来分析△p这个参数, △p主要与小孔内外的压力差（p-p_s）有关,而p在油泵工作过程中就等于泵腔内的压力，这个压力和调压阀的弹簧刚度有一定的线性关系，同时要从油泵柱塞的供油速度特性和整个油泵的密封性能两方面来考虑：压力过大,油泵的密封性差，各个零部件以及总成的可靠性下降；压力太小柱塞的供油特性会在高转速时出现下降趋势。 　　因此泵腔内 压力p的选择必须合适。p_s可以认同为小孔外的压力，由于燃油从回油螺钉的回油孔出来后直接流回油箱，因而可以认为它等于1atm。根据匹配过程中选用的调压阀弹簧的刚度k（这个刚度可根据具体的柴油机要求通过试验手段得到）可以得出泵腔内压力 0.2＜ ≤0.9Mpa （4） P=0.2+0.4*10^-3n (5) 　　（0.2由调压阀弹簧的预紧力决定，0.4*10^-3是调压阀弹簧的刚度，两者都是设计参数）仅仅考虑上述两个因素还不能确定，因为在实际工作过程中，温度和压力的变化对柴油密度有着很大的影响： 　　式中C1表示柴油在15℃、1atm下的柴油密度，C2、C3、C4、和C5是柴油在不同温度和压力下的系数，并且存在关系： 在实际工作中VE型分配泵的回油温度控制在55℃以下。 归纳以上的分析，我们可以写出下列一系列的相关方程： 再由回油量经验方程(1)和(5)我们又能得出： 综合以上各式并化简,可得出: 优化的对象为截面积A_x,选定的变量为x₁: 泵腔内 压力p，x₂: 回油量Q； 二 程序优化 　　在以上理论推导给出了边界条件后，由程序来完成对流量孔的优化： #include "math.h" void mopb(int n,int nc,int ne,float *x0,float *varlb0,float *varub0); void fnt(float *x,float *f,float *g); void dgrad(float *x,float **dg); void main(void) { int n,nc,ne; float x0[3],varlb0[3],varub0[3]; n=2; nc=2; ne= 0; x0[0]=0.5; x0[1]=0.015; varlb0[0]=0.2; varlb0[1]=0.01; varub0[0]=0.9; varub0[1]=0.022; mopb(n,nc,ne,x0,varlb0,varub0); } void fnt(float *x,float *f,float *g) { *f=104.4*x[1]/sqrt(x[0]-0.1); g[0]=10-(0.53-0.00045*log(x[0]+17.5))/x[1]; g[1]=0.001875*pow((x[0]-0.2),2)-88125*(x[0]-0.2)-6.75+x[1]; } /********************************************************/ /* Name : dgrad */ /* Function : User provide gradient */ /********************************************************/ void dgrad(x,dg) float *x, **dg; { dg[0][0] = -52.2*x[1]/sqrt(pow((x[0]-0.1),3)); dg[0][1] = 104.4/sqrt(x[0]-0.1); dg[1][0] = 0.00045/x[1]/(x[0]+17.5); dg[1][1] = (0.53-0.00045*log(x[0]+17.5))/x[1]/x[1]; dg[2][0] = 0.00375*(x[0]-0.2)-88125; dg[2][1] = 1; 　　对采用VE泵的柴油机进行性能试验时，控制VE泵回油温度是必要的。通过理论推导后，由程序得出小孔最小截面积为1.167mm2,即最小半径为0.6mm，这与我们在实际使用中的经验值基本吻合。回油螺钉流量孔的优化，对于控制系统各组成部分的良好匹配、提高回油温度控制精度、提高发动机性能具有帮助。 参考文献 [1] 赵士林.九十年代内燃机[M].上海:上海交通大学出版社,1992 [2] 列洪林.中国内燃机[M].北京:机械工业出版社,1992 [3]《内燃机台架试验办法》GB1105•2—87 [4] 菲尼莫（美）.流体力学及其工程应用[M].北京:清华大学出版社,2003