基于AMESim的液压与热液压计算模型对比分析

基于AMESim的液压与热液压计算模型对比分析王勇1，王胜利1，夏兴兰1，刘敏11.一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏，无锡214000摘要：针对高压共轨系统，本文建立了某共轨喷油器一维液压、热液压计算模型，对比分析了在共轨系统一维性能计算中，采用液压和热液压模型的计算差异，从而为共轨系统的温度分析提供指导意见。关键词：AMESim；液压模型；热液压模型；共轨系统TheComparisonAnalysisBetweentheHydraulicModelandtheThermalHydraulicModelBasedonAMESimWangYong1，WangShengli1，XiaXinglan1，LiuMin11.FAWWuxiFuelInjectionEquipmentResearchInstitute，JiangSu，WuXi，214000Abstract：The1Dhydraulicsimulationmodelandthe1Dthermalhydraulicsimulationmodelforthecommonrailinjectorofhighpressurecommonrailsystemwerebuiltinthispaper.Andthedifferentresultsbetweenthehydraulicsimulationmodelandthethermalhydraulicsimulationmodelwerecomparisonandanalysisforthecommonrailsystem1Dperformancesimulation.Andthentheproposalsweregiventothetemperatureanalysisofthecommonrailsystem.Keywords：AMESim;hydraulicmodel;thermalhydraulicmodel;CommonRailSystem一、引言在进行高压共轨系统性能计算分析以及共轨系统产品正向设计时，通常采用AMESim软件中的液压元件建立液压模型进行计算分析。液压模型采用绝热假设，而共轨系统单次喷射过程时间很短，喷油持续期通常为毫秒级，此时共轨系统中燃油的工作过程接近于绝热过程。因此，采用绝热假设的液压模型保证了计算结果能够反映实际共轨系统关键性能参数的变化情况。然而，随着共轨系统的喷射压力向高压和超高压方向发展，高压共轨系统中燃油工作压力的增加将导致燃油工作温度的升高。同时，在工作过程中由于高压燃油压力释放产生热量的增加，也将导致燃油工作温度的升高。燃油工作温度的升高，将会导致共轨系统各部件温度升高，进而对共轨系统性能以及各部件可靠性产生影响[1、2]。为准确分析共轨系统各关键部位的温度分布及变化情况，以及温度对高压、超高压共轨系统关键性能参数的影响，需要建立能够分析共轨系统温度变化的计算模型。因此，在共轨系统一维液压计算模型的基础上建立一维热液压计算模型。热液压计算模型基于能量守恒方程，能够计算系统中各元件之间的能量传递，实现对共轨系统各关键部位的温度分布及变化情况的计算分析。本文在建立某共轨喷油器一维液压计算模型和一维热液压计算模型的基础上，对比分析了两种计算模型的差异，进而为分析温度对共轨系统性能影响提供指导意见。二、液压模型和热液压模型介绍针对某型号共轨喷油器，分别建立了液压计算模型和热液压计算模型，如图1、2所示。图1液压计算模型图2热液压计算模型采用AMESim液压元件设计库(HydraulicComponentDesign)中的相应元件建立某型号共轨喷油器一维液压计算模型，如图1所示。同时，采用AMESim热液压元件设计库(ThermalHydraulicComponentDesign)中的元件建立相应一维热液压计算模型，如图2所示。在液压计算模型中，各元件计算满足质量守恒方程、动量守恒方程，同时，在温度计算方面满足绝热可逆过程。因此，该模型在计算过程中，即不能计算分析外界环境与燃油之间的热交换，也不能计算各元件之间的能量传递（热量传递），同时，也无法计算各节流孔处燃油由于压力释放、燃油内部摩擦而产生的热量。但是，各容腔元件中燃油温度，将会按绝热可逆过程进行计算，此时，燃油压力的升高将导致燃油温度升高。在热液压计算模型中，各元件的计算满足能量守恒方程，各容腔元件中燃油的温度由能量守恒方程计算获得。因此，外界热交换、各元件之间的能量传递（热量传递）以及燃油压力的变化都将引起燃油温度的改变。同时，在各节流元件中燃油由于压力释放、燃油内部摩擦而产生的热量也将对燃油温度产生影响。三、温度计算差异分析对液压计算模型中的阻性元件（节流孔）和容性元件（容腔）以及热液压计算模型中的阻性元件（节流孔）和容性元件（容腔）进行对比分析，从而分析液压计算模型和热液压计算模型在温度计算方面的差异。（一）液压计算模型1、阻性元件（节流孔）在液压模型中，阻性元件（节流孔）将根据质量守恒定律、动量守恒定律以及伯努利方程等，计算相应燃油流体的流量、流速、压力等参数，对燃油流体的温度不进行计算。2、容性元件（容腔）在液压模型中，容性元件（容腔）将根据质量守恒定律、动量守恒定律以及伯努利方程等，计算相应燃油流体流量的变化情况，从而确定燃油流体压力的变化情况，在此基础上根据绝热可逆过程计算燃油流体温度的变化情况。如式1所示，为绝热可逆压缩条件下，燃油温度计算方程[3]。=+∗(1.41∗−1.98∗∗)（1）其中：Tp为当前压力下的燃油流体温度，℃；TPatm为大气压力条件下的燃油温度，℃；P为当前压力，bar。计算表明，当燃油经过绝热可逆压缩过程压力升高2000bar时，燃油温度将增加20.28℃。（二）热液压计算模型1、阻性元件（节流孔）在热液压计算模型中，阻性元件将根据能量守恒方程，计算相应燃油流体的流量、流速、压力等参数，同时，将计算分析由于燃油压力变化而产生的能量传递（热量传递），在AMESim中采用焓的变化来代表能量的流动。如式2、3所示，为热液压计算模型中，阻性元件中能量传递的计算方程[3]。∗ℎ(,)=∗ℎ(,)（2）其中，dm、dh、P、T分别为阻性元件（节流孔），入口和出口处的质量流量、焓值、压力以及温度。ℎ=∗+∗∗（3）其中，dhl为燃油流体的焓值，W；cpl为燃油流体的定压比热容，J/(kg*k)；dT为燃油流体的温度，K；αl为燃油流体的体积膨胀系数；ρl为燃油流体密度，kg/m3；dp为燃油流体的压力，pa。对比分析液压计算模型中的阻性元件和热液压计算模型中的阻性元件可以看出：与液压模型中的阻性元件相比，热液压模型中的阻性元件，不仅能够实现燃油流体质量和动量的传递，而且能够通过能量守恒方程实现燃油流体热量的传递，从而能计算分析燃油流体由于压力降而产生的热量。2、容性元件（容腔）在热液压计算模型中，容性元件（容腔）满足能量守恒方程，此时，容性元件（容腔）与外界的热交换，相邻元件之间传递的能量（热量传递），以及容性元件（容腔）中燃油流体压力的变化等都将对燃油流体的温度产生影响。如式4所示，为热液压计算模型中，容性元件中温度计算方程[3]。=̇∑∑(∑)+∗（4）其中，为燃油温度，K；为时间，s；为燃油与外界的热交换，W；∑ℎ为流入燃油所拥有的热量，W；ℎ∑为流出燃油所拥有的热量，W；为燃油密度，kg/m3；为燃油定压比热容，J/(kg*k)；0为容腔初始容积，m3；∑为容腔容积变化量，m3；α为燃油的体积膨胀系数；p为燃油流体的压力，pa。对比分析液压计算模型中的容性元件和热液压计算模型中的容性元件可以看出：与液压模型中的容性元件相比，热液压模型中的容性元件，依据能量守恒定律计算分析了各相应热交换对容腔中燃油温度的影响。四、燃油属性差异分析在建立共轨系统一维液压计算模型和一维热液压计算模型时，都需要选择各模型中所使用的燃油介质属性。由图1和图2可以看出，在液压模型中，燃油介质属性选择为博世绝热燃油，而在热液压模型中，虽然燃油介质同样也选择为博世燃油，但由于其计算采用能量守恒定律进行计算分析，因此，燃油属性会存在一定的差异。下面对比分析，在相同压力和相同温度条件下，液压模型博世燃油、热液压模型博世燃油以及实验室用国内校泵油，在密度、粘度、声速以及弹性模量之间的差异[4]。如图3-6所示，为各参数对比结果。图3密度图4粘度图5声速图6弹性模量由图3-6可以看出：在液压模型和热液压模型中，同样采用博世燃油时，密度和粘度值二者基本保持一致，此时，国内校泵油的密度与液压、热液压模型之间的差异最大达到2%，国内校泵油的粘度与液压、热液压模型之间的差异最大达到17%；针对燃油声速，液压模型燃油比热液压模型燃油最大低6.2%，国内校泵油声速在低压时（压力低于1000bar）与液压模型基本保持一致，而在高压时（压力大于1000bar），与液压模型的差异最大为6.5%，与热液压模型的差异最大为3.5%；针对燃油弹性模量，液压模型燃油比热液压模型燃油最大低12%，国内校泵油燃油弹性模量在低压时（压力低于1000bar）与液压模型基本保持一致，而在高压时（压力大于1000bar），与液压模型的差异最大为12%，与热液压模型的差异最大为6.2%。五、共轨喷油器性能计算差异分析（一）共轨系统元件流量计算差异分析为分析液压模型和热液压模型在共轨喷油器性能计算方面的差异，从共轨系统中元件流量计算差异角度进行分析。建立液压模型和热液压模型的节流孔流量计算模型，如图7所示，为元件流量计算差异分析模型。计算模型中各参数设置为：节流孔直径都为0.238mm，流量系数为0.85，临界流数为1000；容腔体积为13mm3；燃油属性都为ISO4113燃油；压力为2000bar，温度40℃。图7元件流量计算差异分析模型对比分析节流孔1和节流孔2各参数计算结果，如图8所示。图8节流孔1和节流孔2各参数计算结果对比对比分析图8可以看出：节流孔1、2在结构参数上完全一致，且计算结果表明节流孔入口和出口压力保持一致，也就是节流孔两端压差保持一致，但计算结果表明计算获得的体积流量误差达到8.5%。分析液压模型和热液压模型在体积流量计算中的差异可以发现：在液压计算模型中，采用伯努利方程计算体积流量时，会根据压力对密度的影响，将计算获得的体积流量换算到0bar大气压下的体积流量，也就是说液压模型所计算的体积流量为0bar大气压下的体积流量；在热液压模型中，计算体积流量时，同样采用伯努利方程，并根据节流孔入、出口的平均压力以及节流孔入口的温度确定相应的密度，从而直接计算获得体积流量，也就是说热液压模型所计算的体积流量为计算模型中当前压力和温度下的体积流量。同样，对比计算图7中的3、4节流孔，计算结果表明：3、4节流孔入口、出口压力保持一致（但相对于1、2节流孔压力较低），也就是其压差保持一致，且其他结构参数保持一致。计算结果表明：节流孔3的体积流量为1.143L/min（燃油密度计算为817kg/m3），节流孔4的体积流量为1.159L/min，其误差为1.4%，相对于节流孔1、2的误差有所减小。综上所述：在液压和热液压模型中计算，其计算获得的体积流量为不同状态下的体积流量（液压模型计算获得0bar压力条件下的体积流量，而热液压模型计算获得当前压力下的体积流量），当液压模型和热液模型中节流孔具有相同结构参数（孔径和流量系数相同），同时边界条件相同（压力和温度相同）时，其计算获得的体积流量必然不同，但当压力和温度较低，对密度的影响较小时，二者计算获得的体积流量误差将减小。（二）单次喷射性能计算差异分析采用如图1、2所示的某共轨喷油器液压和热液压计算模型，对比分析1200bar、1.5ms和1600bar、1.5ms工况下，两种计算模型计算所得性能差异。如图9、10所示，为不同工况下，计算结果对比。图91200bar、1.5ms工况性能参数对比图101600bar、1.5ms工况性能参数对比分析图9、10可以看出：虽然在热液压计算模型中，阻性元件和容性元件都采用了能量