柴油機高壓共軌噴油器噴油性能優化設計

趙 暢，朱春紅，趙宏霞，陳俊杰

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

前言

隨著全世界對環境污染問題的愈加重視，世界各國都在積極制定修改內燃機尾氣排放的相關法律法規，嚴格的法律法規迫使柴油機進行優化升級，進一步提高其排放性能[1-5]。柴油機高壓共軌燃油噴射系統能夠有效降低柴油機的排放尾氣及油耗，其高壓共軌噴油器的結構參數對柴油機的噴油性能有著極其重要的影響[6-8]。

本文以某型號高壓共軌噴油器作為研究對象，利用AMESim 軟件建立高壓共軌噴油器的仿真模型，并運用正交試驗設計的方法對其關鍵結構參數進行優化設計，以提高噴油器的噴油性能。

1 高壓共軌噴油器模型構建

本文所研究的某自主研發高壓共軌噴油器運行及結構參數如下表1 所示。

表1 運行及結構參數表

1.1 仿真模型的建立

在本文的研究中選用AMESim 軟件對高壓共軌燃油系統進行建模分析。通過其系統及工程設計平臺，建立復雜的一維多學科領域的機電液一體化系統模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入的分析[9]。結合高壓共軌噴油器的結構特點及工作原理，基于數學模型，利用AMESim 仿真軟件液壓元件設計庫中的各類單元模型搭建仿真模型[9]。

在構建仿真模型時，首先對燃油系統進行了一系列假設條件和必要的簡化，同時采用恒壓力源進行高壓油泵模塊的調整，以便于定性分析。根據高壓共軌噴油器各組件功能劃分，將噴油器分為三部分進行搭建，分別為電磁閥驅動組件、控制腔組件及噴油嘴組件。最后，對不同功能組件進行裝配，搭建該噴油器的仿真模型。仿真模型如圖1 所示。

圖1 噴油器仿真模型

1.2 模型的驗證

搭建仿真模型后，需要對其進行多工況的試驗驗證，以驗證模型的合理性。驗證試驗測試平臺由法國EFS 噴油規律測量儀油泵試驗臺，高壓油軌、共軌噴油器、高壓共軌燃油系統遠程控制計算機、計算機數據采集系統及各類型傳感器等組成。試驗測試平臺示意圖如圖2 所示。

圖2 試驗測試平臺示意圖

分別設定共軌壓力為1 000 bar、1 200 bar、1 400 bar、1 600 bar，進行各工況點下噴油特性的仿真模擬，循環噴油量的仿真值與實測值對比圖3 所示。

圖3 仿真數據與試驗數據對比圖

經過試驗驗證，單次循環噴油量的仿真結果與實測結果在變化趨勢上基本一致。結合本文仿真設計所需要的工況條件而言，仿真計算結果的誤差將控制在5%之內。

2 試驗設計與優化

2.1 試驗方案確定

仿真模型建立后，首先進行高壓共軌噴油器噴油特性的仿真分析。高壓共軌燃油系統的運行和控制參數以及系統內各部件的結構參數都將影響噴油過程，進而對噴油性能產生影響。因此，在相關研究結果的基礎上，選取高壓共軌噴油器的控制腔組件及針閥組件的關鍵參數作為研究對象，進行噴油性能的仿真分析。最后，根據仿真結果和工程需要，確定高壓共軌噴油器的控制腔容積、控制柱塞直徑、針閥直徑、針閥彈簧預緊力作為關鍵結構參數，分析他們對噴油特性的影響，并進行優化設計。下文中為表述方便，將以A、B、C、D 對其進行簡化表述。

表2 試驗方案

對上述仿真結果進行分析和篩選，根據噴油性能指標較為理想的區域確定結構參數的設定范圍，并結合實際工程需求確定試驗因素的水平，試驗因素水平表如表3 所示。

表3 正交試驗因素水平表

根據試驗因素和水平，選定正交試驗表。由于本次優化試驗共有4 個試驗因素，每試驗因素選定3 個水平，因此自由度為4×2；同時我們希望得到各因素之間的相互影響程度，因此為4 個3 水平交互作用，自由度為4×2+4×2×2=24。即選用的正交表自由度應該 ≥24，所以選用L27（313）正交表。此次優化設計需進行27 次試驗，正交試驗表的表頭如表4所示。

表4 正交試驗表

根據前期工程需求，以接近循環噴油量確定值205 mg為最終優化目標，在進行優化設計時，優化后結果與目標循環噴油量最為接近的一組方案，即選定為最優方案。

2.2 試驗結果分析

根據已確定的試驗因素、試驗水平、試驗方案及評價方法，進行了27 組不同參數組合的正交試驗，記錄了每次試驗結果并進行數學分析[9]。

首先利用方差分析判定各因素影響顯著程度，過程分為以下步驟：

（1）計算各項的總偏差平方和誤差；

（2）計算各試驗因素的偏差平方和；

（3）進行統計量F 值的計算；

（4）使用F 檢驗法獲得各因素的影響顯著程度。

根據以上步驟進行分析，可得出如下結論：

表5 試驗結果

然后利用二元表對影響顯著的因素進行分析，由于A、D 顯著，A×D 不顯著，故A、D 之間不存在交互作用，此時A、D 之間無相互影響，因此D 只需選取方案中結果最優值即可。根據二元表分析可得到最優方案。

最后，確定優化后的結構參數后，對所選擇的最佳方案進行仿真分析，各優化方案的狀態表如下所示。

表6 優化方案狀態表

根據各優化方案分別進行仿真分析，會發現出現工作狀態不正常的情況，這是因為對噴油器的結構參數進行了重新組合，從而產生參數不匹配的現象，導致針閥復抬。因此根據各組仿真數據實際工作情況進行對優化方案進行篩選，對篩選后的方案進行仿真分析，比較二者循環噴油量，兩優化方案循環噴油量指標對比如表7 所示。

表7 優化方案循環噴油量指標對比表

目標要求循環噴油量為205 mg，因此選取與目標循環噴油量更為接近的方案1 作為最優方案。此方案下參數取值如表8 所示。

表8 最優方案關鍵結構參數表

3 優化方案驗證分析

對優化方案進行噴油特性分析，分析優化前后的噴油規律曲線和循環噴油量值，對比圖如圖4 所示。

圖4 優化前后對比圖

通過圖4 可以看出，優化前后噴油速率最高值基本重合，即最高噴油率基本不變，但優化后噴油速率的上升段斜率明顯增大，同時平均噴油速率有所提升，噴油特性得到明顯提升。

在噴油脈寬相同的情況下，優化前后噴油持續期基本相同，優化后的循環噴油量值有所提升，從190.94 mg 提升到207.229 mg，提升了8.53%，與循環噴油量目標值極為接近，僅相差1.08%。優化后循環噴油量曲線上升速率更快，即噴油器能夠在更短的時間內完成單次噴油。

4 結論

本文以某高壓共軌噴油器作為研究對象，首先利用AME-SIM 軟件進行了高壓共軌噴油器仿真模型的建立，并利用試驗測試平臺進行仿真模型合理性的試驗驗證。然后利用高壓共軌噴油器的仿真模型進行噴油性能的仿真模擬，通過對噴油性能結果的分析，選取對噴油規律影響顯著的關鍵結構參數。最后進行優化試驗方案的設計，采用正交試驗設計的方法得到最優方案。通過對最優方案進行優化前后的數據對比，驗證優化效果。