基于ISIGHT和AMESim的燃油增壓器優(yōu)化設(shè)計

熊 彪，楊 昆，趙建華，周 磊

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

1 引言

最大限度地減少排放、提高發(fā)動機(jī)效率是高壓燃油噴射系統(tǒng)的主要發(fā)展目標(biāo)[1-3]。高噴油壓力是降低排放的有效技術(shù)之一[4-6]。采用二次增壓的方法不僅可以實現(xiàn)超高噴射壓力，還可使主噴油規(guī)律形狀柔性可調(diào)，有利于改善發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性[7-9]。燃油增壓器是實現(xiàn)二次增壓的核心部件，對增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化十分必要。

目前國外開發(fā)增壓式高壓共軌系統(tǒng)的代表是德國BOSCH公司[10]，其開發(fā)思路為：把燃油增壓器集成在噴油器內(nèi)，以實現(xiàn)“高基壓、低增壓比”的二次增壓方式。BOSCH公司根據(jù)該思路研究出了2種帶有燃油增壓器的共軌系統(tǒng)，該系統(tǒng)的噴油壓力可達(dá)250 MPa，并且可以實現(xiàn)多次噴射和噴油規(guī)律形狀可調(diào)[11-12]。雖然將燃油增壓器設(shè)置在噴油器內(nèi)可以使得結(jié)構(gòu)緊湊且安裝方便，但是這種噴油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，加工制造困難。考慮到如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工和制造精度在我國很難實現(xiàn)，本文提出的超高壓共軌系統(tǒng)為燃油增壓器與噴油器分離的增壓式高壓共軌系統(tǒng)[13]，將增壓器布置在共軌管與噴油器之間，同時保留現(xiàn)行高壓共軌系統(tǒng)所有部件，因此可以在2種壓力下(基壓100 MPa和高壓200～250 MPa)向噴油器供油，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的噴射壓力和更靈活可調(diào)節(jié)的噴油規(guī)律，為進(jìn)一步改善柴油機(jī)性能提供了有利的基礎(chǔ)[14]。

本文運(yùn)用AMESim軟件對超高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過試驗驗證模型的準(zhǔn)確度。利用ISIGHT軟件中的正交試驗數(shù)組法對燃油增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，去除影響力較低的參數(shù)[15]。在此基礎(chǔ)上，選擇多目標(biāo)優(yōu)化算法對剩余參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，對比結(jié)果后確定最優(yōu)算法和最佳參數(shù)組合，從而實現(xiàn)對燃油增壓器的優(yōu)化設(shè)計。

2 超高壓共軌系統(tǒng)工作原理

圖1為超高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)高壓共軌系統(tǒng)所采用的電控噴油器、共軌管等主要部件，區(qū)別之處是在共軌腔和噴油器間加裝了燃油增壓器。本文采用的是兩位兩通電磁閥控制的燃油增壓器，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由單向閥、活塞、控制室、增壓室、復(fù)位彈簧和銜鐵等部件組成。

采用兩位兩通電磁閥控制的燃油增壓器的具體工作原理如下：當(dāng)負(fù)荷較低系統(tǒng)在基壓狀態(tài)工作時，此時增壓器相當(dāng)于一個單向閥，共軌腔中的燃油通過基壓油路向噴油器供油；當(dāng)負(fù)荷增大系統(tǒng)需要在高壓狀態(tài)工作時，電磁閥會打開，控制室中的燃油會流回油箱導(dǎo)致增壓活塞兩端的壓力無法保持平衡，增壓活塞失衡會向小端移動，單向閥關(guān)閉，燃油因在增壓室內(nèi)受到壓縮而壓力升高。增壓后的燃油經(jīng)高壓油管輸送至噴油器，完成高壓噴射。電磁閥關(guān)閉后，控制室得到共軌腔燃油的補(bǔ)充而壓力回升，增壓活塞在控制室和復(fù)位彈簧共同作用下回到平衡狀態(tài)。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 燃油增壓器結(jié)構(gòu)示意圖

超高壓共軌系統(tǒng)主要通過控制燃油增壓器電磁閥的打開來實現(xiàn)超高壓噴射，因此，燃油增壓器是超高壓共軌系統(tǒng)的重要部件，對該燃油增壓器進(jìn)行優(yōu)化十分必要。

3 超高壓共軌系統(tǒng)建模

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 燃油增壓器的數(shù)學(xué)模型

基于燃油增壓器的具體工作原理，可將其分為液壓腔、運(yùn)動部件以及電磁閥等三類元器件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。

1) 液壓腔

進(jìn)出液壓腔模型的流體物質(zhì)主要是燃油，因此對液壓腔數(shù)學(xué)建模實質(zhì)上是對在其內(nèi)部流動的燃油進(jìn)行液壓特性分析。燃油在液壓腔內(nèi)流動需滿足流體可壓縮性方程，如式(1)所示；燃油進(jìn)出液壓腔的流量計算分為泄露和不泄露2種，如式(2)和(3)所示；基于上述方程，燃油在液壓腔內(nèi)的壓力變化可由(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：E為燃油彈性模量；ΔV/V為燃油體積變化率；μ為流量系數(shù)；A為有效流通截面積；ρ為燃油的密度；d為密封面直徑；σ為密封面的間隙；ΔP為液壓變化；dp/dt為液壓腔內(nèi)燃油壓力變化率；L為密封長度；η為燃油動力黏度；Qin為非泄漏流進(jìn)液壓腔的燃油流量；Qleakout為因泄漏流出液壓腔的燃油流量；dx/dt為運(yùn)動件的運(yùn)動速度；V為液壓腔體積。

2) 運(yùn)動部件

燃油增壓器內(nèi)主要的運(yùn)動部件為增壓活塞和銜鐵，根據(jù)牛頓運(yùn)動學(xué)第二定律可建立動力學(xué)方程，如式(5)所示：

(5)

式中：m為運(yùn)動件的質(zhì)量；ν為迎面阻力系數(shù)；k為彈簧剛度；x為運(yùn)動件位移；x0為彈簧預(yù)壓緊量；Fm為機(jī)械力；Fh為液壓力。

3) 電磁閥

由于本模型使用的電磁閥需要和增壓器的液力系統(tǒng)相連，不只是一般的電磁執(zhí)行器，因此需要對其電磁力、液壓力以及銜鐵閥體組件的機(jī)械運(yùn)動進(jìn)行分析，如式(6)-(9)所示：

(6)

(7)

Fh=APcon

(8)

(9)

式中：Uc為線圈施加的勵磁電壓；R為線圈電阻；i為線圈中電流；N為線圈匝數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；Sa為磁通經(jīng)過的有效截面積；δ為線圈與銜鐵初始?xì)庀叮粁為電磁閥閥芯位移；A為閥芯截面積；Pcon為控制腔壓力；Fpre為彈簧預(yù)緊力；Fh為燃油對電磁閥芯的液壓力；m為銜鐵、閥芯組件的總質(zhì)量；k為彈簧剛度；λx為阻尼系數(shù)。

3.1.2 噴油器的數(shù)學(xué)模型

基于噴油器的具體工作原理，可將其分為液壓腔、運(yùn)動部件以及電磁閥等三類元器件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。需要建立的方程主要包括液壓腔內(nèi)燃油的流動和壓力變化方程、針閥的運(yùn)動方程以及電磁閥的液壓力、電磁力方程等，其數(shù)學(xué)模型的建立過程與燃油增壓器相似。

3.2 仿真模型建立

基于超高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用AMESim軟件建立了超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。

該模型主要由理想高壓源(用于替代共軌腔和高壓燃油泵)以及兩位兩通電磁閥所控制的燃油增壓器、電控噴油器所組成。考慮到增壓器和噴油器的實際工作原理，建立此模型需用到液壓庫、液壓元件設(shè)計庫、液阻庫、信號控制庫、機(jī)械庫、電磁庫和電子庫等模塊。其中部件1-6構(gòu)成了兩位兩通球閥式電磁閥；部件9、11、12分別代表燃油增壓器的基壓室、控制室、增壓室；增壓活塞是增壓器的核心組件，由部件13-18所構(gòu)成；模塊22-24構(gòu)成了針閥組件；模塊27和29則分別為噴油器的控制室和壓力室。燃油增壓器和噴油器的主要參數(shù)如表1和表2所示。

1.電磁閥復(fù)位彈簧；2.電磁閥線圈；3.電磁閥驅(qū)動電路；4.電磁閥控制信號；5.銜鐵及閥芯質(zhì)量；6.電磁閥球閥；7.出油孔；8.油箱；9.基壓室；10.單向閥；11.控制室；12.增壓室；13.增壓活塞大端上部；14.增壓活塞大端泄漏；15.增壓活塞質(zhì)量；16.增壓活塞大端下部；17.增壓活塞小端泄漏；18.帶復(fù)位彈簧活塞；19.控制活塞上端；20.控制活塞泄漏；21.復(fù)位彈簧；22.針閥活塞上端；23.控制活塞針閥質(zhì)量；24.針閥錐頭；25.電磁閥腔；26.出油孔；27.控制室；28.進(jìn)油孔；29.壓力室

表1 增壓器主要參數(shù)

表2 噴油器主要參數(shù)

3.3 模型標(biāo)定

為驗證超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確度，搭建了超高壓共軌試驗系統(tǒng)，如圖4所示。該試驗系統(tǒng)有PC機(jī)、控制器、電控單元、數(shù)據(jù)采集儀、傳感器、電機(jī)、測試儀及高壓共軌系統(tǒng)等元件，增壓室壓力由壓電傳感器測量，噴油速率由噴油規(guī)律測試儀測量，二者將所測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀傳輸至PC機(jī)中，從而完成對增壓室壓力和噴油速率的數(shù)據(jù)記錄。試驗工況如下：基壓設(shè)置為100 MPa，增壓器電磁閥工作范圍設(shè)置為1.6～2.8 ms，噴油器電磁閥工作范圍設(shè)置為1～1.8 ms。仿真與試驗工況相同。

圖4 超高壓共軌試驗系統(tǒng)示意圖

圖5顯示了增壓室壓力仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，由圖可看出試驗所得的增壓壓力峰值略低于仿真值，主要是由于試驗裝置加工精度不足導(dǎo)致增壓器工作時有少量漏油，并且系統(tǒng)長時間運(yùn)行油溫過高，從而影響增壓效果。不過從整個增壓過程可以看出仿真值和試驗值基本一致，說明該模型符合精度要求。

圖5 增壓壓力仿真結(jié)果與試驗結(jié)果曲線

圖6顯示了噴油速率仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，由圖可看出試驗所得的噴油速率峰值略低于仿真值，其原因是試驗的增壓壓力峰值低于仿真值。除此之外，試驗所得的噴油速率曲線基本和仿真值吻合，表明仿真所得的噴油速率曲線可以較為真實的反映超高壓共軌系統(tǒng)單次噴油的噴油速率。

圖6 噴油速率仿真結(jié)果與試驗結(jié)果曲線

4 增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析

為找出對增壓壓力峰值和最小燃油泄漏率影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，需對參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。首先利用AMESim軟件中的Export模塊將需要研究的增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)出為ISIGHT的輸入變量，如表3所示。

表3 增壓器導(dǎo)出參數(shù)

同時，將增壓壓力峰值Pmax(MPa)和最小泄油率Vmin(L·min-1)作為復(fù)合輸出型參數(shù)導(dǎo)出為ISIGHT的輸出變量。

將ISIGHT和AMESim進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過ISIGHT軟件中的DOE模塊對增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，具體流程如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)DOE分析流程示意圖

該流程主要由Simcode和DOE兩個組件組成，首先通過Simcode組件對AMESim子程序AMEPilot進(jìn)行調(diào)用，完成AMESim和ISIGHT兩個軟件的數(shù)據(jù)交換，然后通過DOE組件選取合適的算法對增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。該流程的DOE模塊采用了L16正交試驗數(shù)組，取每個參數(shù)基準(zhǔn)值的上下百分之十進(jìn)行試驗計算，得出了各因子對輸出影響的PARETO圖，如圖8所示。

從圖8(a)可以看出，對增壓壓力峰值影響最大的參數(shù)因子為D1(控制室進(jìn)油孔直徑)和V2(增壓室容積)，影響率均超過了20%，其中增壓壓力峰值隨著D1的增加而減小，隨著V2的增加而增加；從圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，對最小燃油泄漏率影響最大的參數(shù)因子為F(增壓活塞彈簧預(yù)緊力)，影響率超過了20%，且最小燃油泄漏率隨著F的增大而減小。同時，從(a)、(b)兩圖均可發(fā)現(xiàn)，參數(shù)M1(增壓活塞質(zhì)量)和M2(電磁閥閥芯質(zhì)量)對Pmax和Vmin影響率較小，因此參數(shù)M1和M2不作為下一步優(yōu)化過程的設(shè)計變量。

圖8 結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析直方圖

5 增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

5.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

在超高壓共軌系統(tǒng)中，燃油增壓器的主要目的就是提高燃油噴射壓力，因此，盡可能的提高增壓壓力峰值以獲得良好的增壓效果是增壓器優(yōu)化的主要目標(biāo)。但隨著增壓壓力峰值提升的同時，燃油泄漏率會增加，系統(tǒng)會產(chǎn)生額外的功耗。綜合考慮，以提高增壓壓力峰值為首要優(yōu)化目標(biāo)，降低燃油泄漏率為次要優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)多變量處理方法中的目標(biāo)達(dá)成法[16]，建立如式(10)所示的目標(biāo)函數(shù)。

(10)

其中：P0和V0分別為最大增壓壓力以及燃油泄漏率的目標(biāo)值，故問題就轉(zhuǎn)換為f越大越好。

5.2 優(yōu)化計算

在上述靈敏度分析的基礎(chǔ)上，選取控制室進(jìn)油孔直徑和增壓室容積等9個參數(shù)(具體見表3)作為設(shè)計變量，同時將DOE模塊更換為Optimization模塊，其他設(shè)置保持不變，即可進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，具體流程如圖9所示。

圖9 ISIGHT參數(shù)優(yōu)化流程示意圖

本文采用NSGA-Ⅱ、NCGA和AMGA等3種針對多目標(biāo)優(yōu)化的遺傳算法對燃油增壓器進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計算，計算工況如下：基壓設(shè)置為100 MPa，增壓器電磁閥工作范圍設(shè)置為1.2～3 ms，噴油器電磁閥工作范圍設(shè)置為0.8～2 ms。優(yōu)化目標(biāo)在3種算法中的演化過程如圖10、圖11和圖12所示。具體優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

圖10 NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化曲線

圖11 NCGA算法優(yōu)化曲線

圖12 AMGA算法優(yōu)化曲線

表4 優(yōu)化前后結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化過程可以發(fā)現(xiàn)，燃油增壓器最大增壓壓力得到顯著提高，而泄油率降低幅度并不明顯。綜合考慮，對增壓器優(yōu)化效果最好的算法為AMGA算法，最大增壓壓力提升了19.1%，泄油率降低了7.72%。

6 結(jié)論

1) 運(yùn)用AMESim軟件建立了超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型，并對模型準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗證，表明模型可用于燃油增壓器的優(yōu)化設(shè)計；

2) 在ISIGHT軟件中利用正交試驗數(shù)組法對影響燃油增壓器性能的11個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了DOE分析，發(fā)現(xiàn)控制室進(jìn)油孔直徑和增壓室容積等9個結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃油增壓器性能影響較高；

3) 以提高增壓壓力峰值、減少燃油泄漏率為優(yōu)化目標(biāo)，對燃油增壓器性能影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。AMGA算法最佳，優(yōu)化后燃油增壓器的增壓壓力峰值提升19.1%，燃油泄漏率降低7.72%，燃油增壓器的增壓能力和經(jīng)濟(jì)性均得到顯著提升。