一种高压共轨系统多物理解耦-耦合方法与流程

1.本发明涉及的是一种柴油机耦合方法，具体地说是柴油机喷油系统耦合方法。


背景技术：

2.高压共轨系统相比传统的机械式喷油系统可以实现更高的喷射压力，并根据发动机实际工况条件需求，通过电控系统柔性灵活调节喷油规律、喷油脉宽和喷油频率，从而有效改善发动机的排放特性和动力特性，因此，高压共轨系统是现代化柴油机提高效率、降低排放的核心系统之一。由于排放法规的日益严格，柴油机需要更高的喷油压力，不断提高的喷油压力使得传统的高压共轨系统电场、磁场、机械场、液力场四场的耦合转变成电场、磁场、机械运动场、液力场和温度场五场的瞬变耦合，这使得多物理场间的协同和耦合变得更加复杂。在具有多物理场耦合特性的求解中，多物理场的解耦和耦合方法对构建高压共轨系统高精度仿真模型具有重要的作用。
3.发明专利《模拟高压共轨泵内燃油流动的全三维耦合模型建立方法》(公开号：cn112784507a公开日期:2021年5月11日)介绍了一种模拟高压共轨泵内燃油流动的三维耦合模型的建立方法，但是该建立方法只考虑燃油密度和粘度等物理特性受到压力的影响，而没有考虑电磁场、温度场对其影响以及不同场之间的协同交互效应。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供能克服高压共轨系统在高精度预测模型构建时存在的多物理场技术问题的一种高压共轨系统多物理解耦-耦合方法。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明一种高压共轨系统多物理解耦-耦合方法，其特征是：
7.(1)根据高压共轨系统的各部件结构和工况参数，确定该类型的高压共轨系统具有的多物理场的种类及涉及到各个物理场计算的各部件仿真子模型；
8.(2)根据高压共轨系统各物理场耦合区域、耦合方向和耦合强度，结合场间协同的特点，分析高压共轨系统工作过程的耦合关系，进行多物理场的解耦，简化多物理场耦合的建模过程；
9.(3)基于确定的解耦后的多物理场耦合关系，分析各耦合场中仿真子模型间的耦合模型和耦合方程形式；
10.(4)根据高压共轨系统中流场、电场、磁场、机械运动场、液力场、温度场间各部件仿真子模型单向/双向耦合关系及耦合方程形式，建立高压共轨系统多物理场耦合仿真模型，完成解耦-耦合过程。
11.本发明还可以包括：
12.1、步骤(1)中的物理场包括流场、电场、磁场、机械运动场、液力场、温度场：
13.(a)涉及到流场计算的部件包括高压油泵、高压油轨、高压油管和共轨喷油器，其中高压油泵仿真子模型包括吸油过程流量模型和泵油过程流量模型；高压油轨仿真子模型
包括入口流量计算模型、腔内压力计算模型和出口流量计算模型；高压油管仿真子模型包括入口压力波动模型、入口流量计算模型、一维时空波动模型、出口压力波动模型和出口流量计算模型；共轨喷油器仿真子模型包括内部油道压力波动模型、入口流量计算模型进油节流孔和出油节流孔流量计算模型、盛油槽压力计算模型、控制室压力计算模型和喷射特性数值计算模型；
14.(b)涉及到电场计算的部件包括高压油泵和高速电磁阀，其中高压油泵仿真子模型包括高压油泵工作驱动模型，高速电磁阀仿真子模型包括高速电磁阀pwm波驱动模型；
15.(c)涉及到磁场计算的部件包括高速电磁阀，高速电磁阀仿真子模型包括动态磁滞数值差值模型和涡流分布不均的磁场数学模型；
16.(d)涉及到机械运动场计算的部件包括高压油泵和共轨喷油器，其中高压油泵仿真子模型包括柱塞机械运动模型；共轨喷油器仿真子模型包括针阀机械运动数学模型以及高速电磁阀的衔铁机械运动模型；
17.(e)涉及到液力场计算的部件包括共轨喷油器，共轨喷油器仿真子模型包括针阀燃油液力数学模型以及高速电磁阀的衔铁燃油液力数学模型；
18.(f)涉及到温度场计算的部件包括高压油泵和共轨喷油器，其中高压油泵仿真子模型包括高压油泵绝热压缩生热模型；共轨喷油器仿真子模型包括进油节流孔和出油节流孔的压降生热计算模型、喷孔瞬态温升计算模型以及高速电磁阀的瞬态磁阻生热模型。
19.2、步骤(2)中：
20.(a)高压共轨系统多物理场的耦合关系中，忽略温度对液力的影响，不考虑温度场-液力场的弱耦合关系；忽略温度对机械运动的影响，不考虑机械运动场-温度场的弱耦合关系；忽略温度场对电场的直接影响，而是考虑温度场对磁场的影响后，磁场再对电场的二次影响。
21.(b)高压共轨系统各物理场耦合区域和耦合方向具体为：电场-磁场双向耦合、电场-机械运动场单向耦合、机械运动场-流场双向耦合、机械运动场-液力场双向耦合、液力场-流场双向耦合、温度场-磁场双向耦合、温度场-流场双向耦合。
22.3、步骤(3)的分析具体为：
23.(a)电场中的高速电磁阀pwm波驱动模型与磁场中的涡流分布不均的磁场数学模型双向耦合，耦合方程形式为代数-微分方程；
24.(b)电场中的高压油泵工作驱动模型与机械运动场中的柱塞机械运动模型单向耦合，耦合方程形式为代数方程；
25.(c)机械运动场中的柱塞机械运动模型与流场中的泵油过程流量模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
26.(d)机械运动场中的衔铁机械运动模型与液力场中的衔铁燃油液力数学模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
27.(e)机械运动场中的针阀机械运动数学模型与液力场中的针阀燃油液力数学模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
28.(f)液力场中的衔铁燃油液力数学模型与流场中的控制室压力计算模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
29.(g)液力场中的针阀机械运动数学模型与流场中的盛油槽压力计算模型双向耦
合，耦合方程形式为代数方程；
30.(h)温度场中的高速电磁阀瞬态磁阻生热模型与磁场中的涡流分布不均的磁场数学模型双向耦合，耦合方程形式为微分方程；
31.(i)温度场中的高压油泵绝热压缩生热模型与流场中的泵油过程流量模型双向耦合，耦合方程形式为微分-代数方程；
32.(j)温度场中的进油节流孔和出油节流孔的压降生热计算模型与流场中的进油节流孔和出油节流孔的流量计算模型双向耦合，耦合方程形式为微分-代数方程；
33.(k)温度场中的喷孔瞬态温升计算模型与流场中的喷射特性数值计算模型双向耦合，耦合方程形式为微分-代数方程。
34.本发明的优势在于：本发明提出一种高压共轨系统多物理场解耦-耦合方法，能够对不同类型的高压共轨系统多物理场进行解耦，有效简化多物理场耦合的建模过程，并在考虑多物理场间多场协同作用关系的基础上精细化高压共轨系统中各部件仿真子模型间的耦合关系，该方法拓展了高压共轨系统多物理场耦合模型的构建思路，能够提升高压共轨系统仿真模型精度，提高共轨系统的预测设计工作效率，缩短开发周期降低成本。
附图说明
35.图1为本发明高压共轨系统多物理场耦合结构图；
36.图2为本发明解耦-耦合方法流程图。
具体实施方式
37.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
38.结合图1-2，本发明的目的是为不同类型高压共轨系统仿真模型的建立提出一种高压共轨系统多物理场解耦-耦合方法，该方法拓展了高压共轨系统多物理场耦合模型的构建思路，方法中精细化的耦合过程的考虑能够提升高压共轨系统仿真模型精度，提高共轨系统的预测设计工作效率，缩短开发周期降低成本。
39.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
40.本发明一种高压共轨系统多物理场解耦-耦合方法，具体步骤如下：
41.步骤一：根据高压共轨系统的各部件结构和工况参数，确定该类型的高压共轨系统具有的多物理场的种类及涉及到各个物理场计算的各部件仿真子模型。
42.如图1所示，步骤一中的物理场包括流场、电场、磁场、机械运动场、液力场、温度场。
43.(1)涉及到流场计算的部件有高压油泵、高压油轨、高压油管和共轨喷油器，其中高压油泵仿真子模型包括吸油过程流量模型和泵油过程流量模型；高压油轨仿真子模型包括入口流量计算模型、腔内压力计算模型和出口流量计算模型；高压油管仿真子模型包括入口压力波动模型、入口流量计算模型、一维时空波动模型、出口压力波动模型和出口流量计算模型；共轨喷油器仿真子模型包括内部油道压力波动模型、入口流量计算模型进油节流孔和出油节流孔流量计算模型、盛油槽压力计算模型、控制室压力计算模型和喷射特性数值计算模型。
44.(2)涉及到电场计算的部件有高压油泵和高速电磁阀，其中高压油泵仿真子模型
包括高压油泵工作驱动模型，高速电磁阀仿真子模型包括高速电磁阀pwm波驱动模型。
45.(3)涉及到磁场计算的部件有高速电磁阀，高速电磁阀仿真子模型包括动态磁滞数值差值模型和涡流分布不均的磁场数学模型。
46.(4)涉及到机械运动场计算的部件有高压油泵和共轨喷油器，其中高压油泵仿真子模型包括柱塞机械运动模型；共轨喷油器仿真子模型包括针阀机械运动数学模型以及高速电磁阀的衔铁机械运动模型。
47.(5)涉及到液力场计算的部件有共轨喷油器，共轨喷油器仿真子模型包括针阀燃油液力数学模型以及高速电磁阀的衔铁燃油液力数学模型。
48.(6)涉及到温度场计算的部件有高压油泵和共轨喷油器，其中高压油泵仿真子模型包括高压油泵绝热压缩生热模型；共轨喷油器仿真子模型包括进油节流孔和出油节流孔的压降生热计算模型、喷孔瞬态温升计算模型以及高速电磁阀的瞬态磁阻生热模型。
49.步骤二：根据高压共轨系统各物理场耦合区域、耦合方向和耦合强度，结合场间协同的特点，分析高压共轨系统工作过程的耦合关系，进行多物理场的解耦，简化多物理场耦合的建模过程。
50.(1)高压共轨系统多物理场的耦合关系中，忽略温度对液力的影响，不考虑温度场-液力场的弱耦合关系；忽略温度对机械运动的影响，不考虑机械运动场-温度场的弱耦合关系；忽略温度场对电场的直接影响，而是考虑温度场对磁场的影响后，磁场再对电场的二次影响。
51.(2)高压共轨系统各物理场耦合区域和耦合方向具体为：电场-磁场双向耦合、电场-机械运动场单向耦合、机械运动场-流场双向耦合、机械运动场-液力场双向耦合、液力场-流场双向耦合、温度场-磁场双向耦合、温度场-流场双向耦合。
52.步骤三：基于确定的解耦后的多物理场耦合关系，分析各耦合场中仿真子模型间的耦合模型和耦合方程形式。所述步骤三的分析具体为：
53.(1)电场中的高速电磁阀pwm波驱动模型与磁场中的涡流分布不均的磁场数学模型双向耦合，耦合方程形式为代数-微分方程；
54.(2)电场中的高压油泵工作驱动模型与机械运动场中的柱塞机械运动模型单向耦合，耦合方程形式为代数方程；
55.(3)机械运动场中的柱塞机械运动模型与流场中的泵油过程流量模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
56.(4)机械运动场中的衔铁机械运动模型与液力场中的衔铁燃油液力数学模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
57.(5)机械运动场中的针阀机械运动数学模型与液力场中的针阀燃油液力数学模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
58.(6)液力场中的衔铁燃油液力数学模型与流场中的控制室压力计算模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
59.(7)液力场中的针阀机械运动数学模型与流场中的盛油槽压力计算模型双向耦合，耦合方程形式为代数方程；
60.(8)温度场中的高速电磁阀瞬态磁阻生热模型与磁场中的涡流分布不均的磁场数学模型双向耦合，耦合方程形式为微分方程；
61.(9)温度场中的高压油泵绝热压缩生热模型与流场中的泵油过程流量模型双向耦合，耦合方程形式为微分-代数方程；
62.(10)温度场中的进油节流孔和出油节流孔的压降生热计算模型与流场中的进油节流孔和出油节流孔的流量计算模型双向耦合，耦合方程形式为微分-代数方程；
63.(11)温度场中的喷孔瞬态温升计算模型与流场中的喷射特性数值计算模型双向耦合，耦合方程形式为微分-代数方程。
64.步骤四：根据高压共轨系统中流场、电场、磁场、机械运动场、液力场、温度场间各部件仿真子模型单向/双向耦合关系及耦合方程形式，建立高压共轨系统多物理场耦合仿真模型，完成解耦-耦合过程。