高压共轨喷油系统液压元件流场仿真优化

1.高压共轨喷油系统液压元件流场仿真的意义

高压共轨喷油系统中的液压元件是以PASCAL原理（静压传递）为基础工作，在其传统设计计算中，一般对液压元件及系统中的流动现象加以忽略或做过度的简化，大多采用集中参数的经验公式。随着计算流体力学在液压技术中的引入和应用，深入液压元件及系统内部流场进行研究成为可能，揭示液压元件内部结构对流场特征及元件性能的影响规律，为解决高压共轨喷油系统中的振动、噪声、节能等问题提供新的思路和方法。CFD技术以及有限元法使液压设计从经验计算、稳态分析和类比设计的传统方法中走向精密计算和优化设计。

高压共轨喷油系统中的液压元件包括高压油泵、喷油器、机械式溢流阀（即限压阀或安全阀），电液比例控制溢流阀，电液比例控制节流阀，共轨管，滤油器等，长期以来其设计计算都是不考虑或不重视其内部流动情况，也就无需进行流场计算。随着高压共轨喷油系统对燃油喷射特性的要求的不断提高，对喷射特性、减振、降噪、节能以及精确设计的要求不断提高，必须深入液压元件内部流场，揭示液压元件内部流道结构对流场特征及元件性能的影响规律。尽管高压共轨喷油系统中液压元件种类繁多、结构多样，从流场分析的角度都可以把它们视为某种形式的流道结构。

2.高压共轨喷油系统中液压元件流场仿真的分类

1）根据流动状态分为稳定流场仿真、非稳定流场仿真。如研究溢流阀的流量—压力特性、阀块内孔道的压力损失，可以看作流场处于稳定状态。

2）根据流道壁面在流动过程中是否有运动分为运动边界流场仿真、固定边界流场仿真，具有运动边界的流场比较复杂，涉及网格增删、网格滑移技术。如高压油泵、低压输油泵的流场仿真就属于有运动边界的情况；固定阻尼孔、液压滤波器等没有运动边界，属于固定边界的情况。

3）根据流场的几何形体特征分为二维、二维轴对称（Axisymetry）、对称（Symmetry）、三维。实际液压元件内部流场都是三维的，根据流场仿真目的不同，可以对液压元件的流道作不同程度的简化，降低几何形体的复杂程度，忽略一些细微的、次要的结构，可以大大减少运算时间、提高计算精度。

3.流场仿真在高压共轨喷油系统液压元件中的应用(www.xing528.com)

流场仿真技术在高压共轨喷油系统中液压元件及系统中的应用大致可以归纳为下述几个方面。

（1）高压油泵、高压共轨喷油器、共轨管等部件内部高压燃油压力场分布特性仿真分析 高压共轨喷油系统的显著标志是整个系统基本处于高压或超高压环境，在这种环境下的各个零部件的结构强度、刚度的分析研究非常重要，而要进行仔细的结构强度、刚度分析必须首先知道整个零件内部的高压燃油的压力分布特性，由于像高压油泵、高压共轨喷油器、共轨管等部件内部结构复杂，因此研究其内部的压力场的分布特性只能借助于仿真分析技术。另外，在高压油泵、高压共轨喷油器等部件的某些部位还可能产生气穴，这里又是低压区域，而研究这些气穴现象也必须应用仿真分析技术。

（2）高压油泵、高压共轨喷油器关键摩擦副的承压油膜流场仿真 高压油泵的泵油柱塞和柱塞套摩擦副，泵油柱塞和凸轮之间摩擦副的油膜状况、压力分布对于高压油泵的工作至关重要。喷油器中的控制柱塞和控制柱塞套摩擦副的油膜状况、压力分布对喷油器来说也至关重要。在设计计算中，一般采用静态经验公式进行，由于忽略因素比较多，计算精度较低。采用流场仿真计算方法可以大大提高计算精度，对关键结构参数、油膜状况、压力分布的影响进行研究。

（3）液动力的流场仿真计算 液动力是影响喷油器的高速电磁阀、高压油泵的配流阀（即吸油阀和出油阀），以及各种液压阀性能的关键因素之一，不仅决定换向阻力，也影响阀的精确控制。液动力本质上是流体运动所造成的阀芯壁面压力分布发生变化而产生的。一般利用动量定理分析计算液动力，而从流场分析入手是直接的计算方法。随着阀口形式的复杂和多样化，如非全周开口、异型阀口流道等，全周开口滑阀的液动力计算公式都是无法直接应用的，必须用流场仿真的方法对液动力进行计算。

（4）内流道能量损失方面的流场计算 喷油器内部的各种高压油道、高压油泵的各种油道、液压阀阀体内的油道、液压集成阀块内流道、复杂高压管路等具有相当大的压力损失，用经验公式估算误差很大。流场仿真可以对上述结构的压力损失进行精确的计算，并且如果在CAD设计阶段，把流场仿真计算作为设计计算的一个环节，通过流场计算得出的压力损失对流道设计进行评价、优化。

（5）液压元件阻抗特性的流场计算 液压元件及系统的阻抗特性决定了系统的振动特性，如果液压元件的阻抗匹配不当，在液压系统压力脉动激发下会引起系统振荡。阻尼孔、液压控制阀、液压滤波器等的阻抗特性可以用流场仿真计算获得。一般是在流场进口边界加入不同频率的正弦信号对流场进行计算，这与频率特性试验相同。

（6）液压系统噪声研究中的流场计算 各种阀口、流道等有流场急剧变化的区域，都会引起噪声。高压共轨喷油系统中液压系统的噪声原因极其复杂，是由气穴、旋涡、喷流等典型流场引起。高压油泵、低压输油泵、喷油器、各种液压控制元件内部流道结构与其噪声性能的关系，必须深入流场探求答案。流场仿真为液压系统噪声研究提供了重要手段，可以代替大量的实物试验，结合一些流场测量、噪声测量分析试验，可以寻求内部结构对噪声的影响规律，获得低噪声液压元件的设计准则。