基于GT-Suite的4缸柴油機共軌管結構參數的優化研究

謝春華，宋艷慧

（湖北水利水電職業技術學院，湖北武漢430070）

基于GT-Suite的4缸柴油機共軌管結構參數的優化研究

謝春華，宋艷慧

（湖北水利水電職業技術學院，湖北武漢430070）

為了改善柴油機的燃油噴射性能，降低共軌壓力波動，提高其動力性，本文分析了柴油機共軌管容積與壓力建立時間及壓力波動量的關系，研究了共軌管容積及其影響因素，基于GT-suite建立了四缸柴油機燃油共軌系統模型并進行了仿真，根據共軌管容積與壓力建立時間及壓力波動量的關系的仿真結果，確定了共軌管的最優容積，根據共軌管長徑比和壓力波動量的關系的仿真結果建立了軌壓適應度函數，并根據軌壓適應度與共軌管長徑比的關系確定了最優共軌管內徑，為共軌管的設計提供理論依據。

柴油機共軌管GT-suite仿真

1 引言

高壓共軌技術是未來柴油機燃油系統的主要發展方向，其主要部件共軌管的作用是將高壓油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，并起到蓄壓器的作用，從而抑制高壓油泵供油和噴油而產生的壓力波動[1]。共軌壓力直接影響噴射壓力、循環噴油量和噴油速率等參數，精確控制共軌壓力能改善噴射特性，提高柴油機的性能[2]。因此，確定合適的共軌管結構，降低共軌壓力波動量尤為重要。本文運用GT-Suite軟件，建立某4缸柴油機燃油共軌系統模型，進行計算分析，并分析共軌管參數的影響程度，確定最優共軌管的結構參數，提高燃油系統的性能。

2 共軌管容積分析

2.1 共軌管容積與壓力建立時間的關系

在柴油機起動過程中，共軌管壓力升至目標壓力滿足下式[3]：

式中，

N——所需供油次數；

Pg——共軌管設定的目標軌壓；

P0——柴油機起動前共軌管內的初始壓力；

ΔP——供油泵每次供油的共軌管壓力升高值；

E——燃油的彈性模量；

Qp——油泵一次供油量；

Vr——共軌管容積。

又知油泵供油次數滿足下式：

式中，

n——油泵轉速；

t——軌壓建立時間；

Z——油泵柱塞個數。

聯立式（1）～（2），則有：

從式（3）中可知，共軌管容積與軌壓建立的時間、目標軌壓、初始軌壓、油泵轉速、油泵柱塞個數、燃油彈性模量、高壓油泵1次供油量有關。

2.2 共軌管容積與壓力波動量的關系

假設燃油溫度不變，共軌管內的壓力變化滿足如下關系式[4]：

式中，

ΔPr——共軌管內的壓力波動量；

ΔV——共軌管中的體積變化；

E——燃油的彈性模量。

由供油泵供油使燃油進入共軌管中，一部分經過噴油器噴射進入燃燒室，一部分由回油管回到油箱。根據流動方程有：

式中，

ρ——燃油密度；

α——音速；

Pr——共軌管軌壓；

uin——進入共軌管燃油速度；

Ain——進入共軌管燃油截面積；

uout——從共軌管流出的燃油速度；

Aout——從共軌管流出的燃油截面積；

Qin——進入共軌管內燃油的體積流速；

Qout——從共軌管內流出的燃油體積流速。

進入共軌管的燃油主要來源于供油泵，而從共軌管流出的燃油主要是噴油器噴射的燃油和噴油器回油管的回油。

若忽略供油泵壓油時柱塞的泄漏量，則1次供油量滿足下式[2]：

式中，

Vm——第m個柱塞的體積供油量；

Φ——凸輪轉角；

Z——柱塞個數；

Vmax——柱塞最大體積供油量。

則第m個柱塞壓入共軌管內燃油的體積流速為：

式中，

Qinm——第m個柱塞壓入共軌管內燃油的體積流速。

噴油器噴油流速滿足下式：

式中，

Qoutp——噴油器噴射出的燃油流速；

Kp——噴油器開關系數，噴油器開啟持續時間內Kp=1，否則Kp=0；

Cp——流量系數；

Ap——流通面積；

P0——噴油器噴油前的燃油壓力。

噴油器通過回油口燃油回油流速滿足下式：

式中，

Qouth——噴油器回油管的燃油流速；

Kj——噴油器回油管開關系數，噴油器關閉時Kj=1，否則Kj=0；

Cj——流量系數；

Aj——流通面積；

Pk——低壓回油油道壓力。

從式（4）～（9）中可知，共軌管壓力波動量與噴油器數目、供油泵柱塞數目、供油泵凸輪轉速、供油泵供油相位、共軌管軌壓、噴油器開啟時間、噴油器及回油管開關系數、燃油密度、彈性模量及共軌管容積有關。

3 建立仿真模型

3.1 GT-Suite仿真模型

GT-Suite軟件是美國Gamma Technologies公司開發的汽車仿真分析系列軟件，其中的GT-fuel部分能通過搭建和設置元件參數直接對發動機燃油系統進行建模和仿真，如圖1所示。圖中以某4缸4沖程柴油機共軌系統建立了高壓油泵、燃油濾清器、高壓油管、共軌管和噴油器的供油模型。

圖1 仿真模型圖

3.2 仿真參數設置

目前，柴油機高壓共軌系統最高共軌壓力一般在120～200 MPa[5]，可以根據柴油機的實際情況設定具體的目標軌壓值。這里，設置燃油濾清器長度為100 mm，管徑為50 mm。設置高壓油管長度1 500 mm，內徑為5 mm。共軌管長度受柴油機外形限制，一般在500 mm以下，可根據仿真要求設定一個具體值。噴油器噴孔數為6，孔徑為0.2 mm。

4 仿真試驗方法與內容

4.1 仿真試驗方法

共軌管的形狀會對軌壓波動產生一定影響，其容積具有削減高壓油泵供油壓力波動和噴油器噴油這二者所引起的壓力震蕩，但該容積不能太大，以保證共軌壓力有足夠的響應速度跟隨柴油機工況的變化[6]。因此，可以選擇不同軌壓下一組典型的共軌管容積進行仿真計算，以確定共軌管容積對軌壓建立時間和軌壓波動幅度的影響程度，選擇最優容積。再根據共軌管不同的容積，選擇不同長度和內徑值進行仿真，以確定長徑比與壓力波動量的關系，獲得最優的長徑比，以確定共軌管在最小壓力波動量時的長度和內徑。

4.2 仿真試驗內容

根據柴油機高壓共軌系統共軌管的基本參數，選擇高壓油泵壓力分別為120 MPa、140 MPa、160 MPa、180 MPa和200 MPa，共軌管長度分別為160 mm、240 mm、320 mm和400 mm，共軌管內徑分別為8 mm、16 mm、24 mm和32 mm，分別進行仿真計算。

5 仿真結果與分析

5.1 共軌管容積與壓力建立時間的關系

運行GT-Suite，軌壓建立時間與共軌管容積的仿真結果如圖2所示。為避免曲線重疊，不易分辨，圖中僅給出軌壓120 MPa、160 MPa和200 MPa三條曲線，以下均同。圖中，軌壓建立時間隨最大軌壓和容積的增大而增大。在共軌管容積為20 mL時，軌壓建立時間上升較快；在80 mL時，軌壓建立時間趨緩；在320 mL以下時，軌壓在200 MPa以下建立的時間控制在0.46 s以內。

圖2 共軌管容積與時間關系圖

5.2 共軌管容積與壓力波動量的關系

共軌管內壓力波動Δp與共軌管容積仿真結果如圖3所示。如圖中所示，在不同軌壓下，壓力波動量隨軌壓的增大而增大，隨容積的增大而減小。從圖中可知，共軌管容積在低于20 mL以內時，軌壓的波動量較大且急劇下降；在20～80 mL之間時，壓力波動趨緩；在160 mL以后，壓力波動低于1.5 MPa。綜合圖2和圖3曲線，最優容積為21 mL。

圖3 軌壓壓力波動與共軌管容積的關系

5.3 共軌管長徑比與壓力波動量的關系

5.3.1 共軌管長徑比與壓力波動量仿真結果

共軌管長徑比與壓力波動仿真結果如圖4所示。圖4中，在共軌管內不同目標軌壓條件下，壓力波動量與長徑比之間沒有較好的曲線關系，但壓力波動量會隨著軌壓的增加而增大，且長徑比在20以下時，壓力波動量低于3 MPa。

由于ECU會根據柴油機工況的變化自動調節目標軌壓，因此，共軌管應滿足不同軌壓條件下壓力波動量具有良好的適應度要求。

圖4 壓力波動與共軌管長徑比的關系

5.3.2 共軌管長徑比與壓力適應度分析

適應度來自于遺傳算法（Genetic Algorithm，以下簡稱GA）[7]，由美國密歇根大學J.H.Holland教授創立。GA是一種模仿生物群體進化機制“物競天擇，適者生存”的隨機優化算法，它有一個代表了問題可能潛在解集的種群，種群中的個體在選擇、交叉以及變異算子的作用下向更高的適應度進化，以達到尋求問題最優解的目標[8]。這里可以利用該算法建立共軌管壓力波動的適應度函數，以尋求最佳長徑比。

適應度函數的設計應滿足規范性、單值、連續、合理性、計算量簡單和通用性的要求[9]，得到共軌管軌壓適應度函數F如下：

式中，

dpmax,L/D——相同長徑比條件下，不同目標軌壓中壓力波動量的最大值；

dpmin,L/D——相同長徑比條件下，不同目標軌壓中壓力波動量的最小值；

dpmax——所有目標軌壓中壓力波動量的最大值；

dpmin——所有目標軌壓中壓力波動量的最小值。

根據式（8）可得到共軌管長徑比與軌壓適應度關系，如圖5所示。從圖中可知，不同目標軌壓曲線在長徑比為18時軌壓適應度F最大，即有共軌管的最優長徑比為18。

圖5 軌壓適應度與共軌管長徑比關系

5.4 共軌管結構選擇

根據共軌管的最優容積和長徑比，可確定數據并取整得到該4缸柴油機共軌管內徑為11 mm，管長為220 mm較為適宜。

6 結論

本文基于GT-Suite建立了某4缸柴油機共軌系統模型，分析了共軌管容積與軌壓建立時間的關系及軌壓波動量的關系，得到如下結論：

（1）共軌管容積與軌壓建立的時間、共軌管目標軌壓、共軌管初始軌壓、油泵轉速、燃油彈性模量、油泵1次供油量有關；且共軌管容積與共軌管壓力波動量與噴油器數目、供油泵柱塞數目、供油泵凸輪轉速、供油泵供油相位、共軌管軌壓、噴油器開啟時間、噴油器及回油管開關系數、燃油密度、彈性模量有關。

（2）GT-Suite能簡單方便地完成柴油機燃油共軌系統建模與仿真計算。

（3）通過仿真結果表明：在目標軌壓一定的條件下，共軌管容積隨軌壓建立時間的增大而增大；在不同目標軌壓條件下，軌壓越大，軌壓建立的時間越長；軌壓的波動量隨目標軌壓的增大而增大，隨容積的增大而減小，可據此選擇共軌管最優容積；共軌管內壓力波動與長徑比沒有較好的曲線關系，但可以通過軌壓的適應度確定最優長徑比。

（4）共軌管的結構能減小軌壓的波動量，設計前應做相應的仿真和計算，以便優化共軌管結構，降低軌壓波動量。

1胡孝偉，錢志博，杜秀群．高壓共軌系統柱塞泵選型與共軌管路分析[J]．機床與液壓，2010，38（17）：106-108．

2王軍，張幽彤，仇滔等．柴油機高壓共軌壓力控制的動態仿真與分析[J]．系統仿真學報，2009，21（9）：2492-2495．

3丁士勇，林秀霞，趙奕磊等．BF6M1015C柴油機高壓共軌系統中共軌管設計[J]．小型內燃機與摩托車，2011，40（5）：47-51．

4裴海靈，周乃君，楊南等．基于多學科設計優化的共軌管設計優化[J]．中南大學學報（自然科學版），2011，42（1）：234-239．

5劉旭剛，張國彬，蔚建璽等．柴油發動機高壓共軌技術的產生與發展[J]．汽車運用，2007，（11）：30-31．

6王新軍，孫大剛．CR系統共軌管仿真[J]．農業裝備與車輛工程，2009，（2）：45-46．

7 J H Holland．Adaptation in Nature Artificial Systems[M]．MIT Press，1975．

8 Sugisaka M，Fan X J．Adaptive Genetic Algorithm with a Cooperative Mode[C]．In:Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2001．

9辛馡，朱鰲鑫．遺傳算法的適應度函數研究[J]．系統工程與電子技術，1998（11）：58-62．

10蔡金錠，馬西奎，黃東泉．遺傳算法在求解試驗電路參數中的應用[J]．微電子學，2000，30（1）：43-45．

Research of Parameter Optimization for Four-Cylinder Diesel Engine Common-rail Based on GT-suite

Xie Chunhua Song Yanhui
（Hubei Water Resources Technical College,Wuhan 430070,China)

In order to improve diesel engine fuel injection performance,reduce the common rail pressure fluctuations and improve engine power,analysis was made on the relationship of diesel engine common-rail volume,pressure build-up time and the amount of pressure fluctuations.Volume and its influence factors of the common-rail were studied,a four-cylinder diesel engine common-rail fuel system model was established and simulated base on GT-suite.From the simulation results of relationship of common-rail volume,pressure build-up time and the amount of pressure fluctuations,the optimal volume of common-rail were chosen.from the simulation results of relationship of common-rail length-diameter ratio and the amount of pressure fluctuations,the fitness function of common-rail pressure was established,and from the relationship of common-rail pressure fitness and length-diameter ratio,the optimal internal diameter of common-rail were chosen,thus providing a theoretical basis for the common-rail design.

Diesel engine,Common-rail,GT-suite,Simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.006

來稿日期：2012-08-21基金項目：湖北水利水電職業技術學院院級基金資助項目(hbsy12kf15)

謝春華（1978-），男，教師、碩士，主要研究方向為發動機燃油控制與噴射技術等。