柴油机喷油器优化设计方法的探讨

柴油机喷油器优化设计方法的探讨

喷油器的优化设计作为该系统的重要部件之一，喷嘴不仅会影响燃料的乳化质量、贯穿和分布，还会对燃料的泵压、泵开始、泵的持续时间和泵的性能产生重要影响。因此,喷油器的性能对燃油系统的整体性能有着直接的影响,进而对柴油机的性能起着决定性的作用。虽然喷油器仅是一个小的部件,但其优化设计仍然是一个非常复杂的问题,传统结构喷油器的优化涉及的主要参数包括喷孔直径、喷孔长度、针阀导向面直径、针阀最大升程、针阀等效运动质量、针阀阀座锥角、针阀阀座直径、针阀弹簧预紧力、针阀弹簧刚度、针阀阀尖锥角、针阀阀尖底部直径、喷嘴孔径等10余项设计参数,如果是采用电磁阀或压电晶体控制的喷油器,其结构设计将更为复杂。为了综合考虑多个结构参数对喷油器性能的影响,可采用多学科优化设计方法,通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制,考虑各学科(子系统)之间的相互作用,从整个系统的角度优化设计喷油器。本文通过所建立的燃油喷射系统AVL-Hydsim模型,以衡量喷射质量的3个主要指标—索特平均直径、油束喷射锥角、油束贯穿距为研究目标与iSIGHT优化设计平台联合仿真,用喷油器内各部件的结构参数和材料特性参数对上述3个指标的影响特性进行了试验探索,得到了影响较大的设计参数及各主要设计参数的效应值和效应方向以及各主要设计参数的的交互效应。然后以试验探索的结果为基础,以提高喷射质量为目标,对喷油器结构特性参数作了优化设计。1燃油系统的模拟1.1基于is光的设计优化方法Engineous公司开发的iSIGHT软件是通用的多学科优化(MDO)计算框架最成熟的代表,可以将数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合,并把大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理,代替工程设计人员进行重复性的、易出错的数字处理和设计处理工作。iSIGHT具有强大的过程集成能力,能够将多学科代码集成并使流程自动化,提供实时监控和后处理功能,帮助数据分析。目前,iSIGHT软件已经在航空、航天、汽车、兵器、船舶、电子、动力、机械、教育研究等领域广泛应用。iSIGHT提供了4类设计优化算法:1)实验设计(DOE):分析、发现关键参数,探索设计空间;2)优化算法:寻找满足约束条件和目标函数的最好设计方案;3)近似方法:用近似模型代替运行时间长的计算机模型,以快速获得解答;4)质量工程方法:寻找成功概率高并且对不确定因素不敏感的设计方案,最终达到稳健和可靠性。1.2hydsim燃油系统的模拟模型根据燃油系统的特点,利用AVL软件中Hydsim仿真模块建立了整个燃油系统的模型,见图1。2优化问题描述2.1设计参数选取根据喷油器的结构特点,确定了喷孔直径(holeD)、喷孔长度(holeL)、针阀导向面直径(needleguideD)、针阀最大升程(needleliftmax)、针阀等效运动质量(needlemovingmass)、针阀阀座锥角(needleseatA)、针阀阀座直径(needleseatD)、针阀弹簧预紧力(needlespringpreload)、针阀弹簧刚度(needlespringstiffness)、针阀阀尖锥角(needletipA)、针阀阀尖底部直径(needletipD)、喷嘴直径(nozzlesacD)等作为设计参数。同样以标定工况下的燃油喷射系统作为研究对象。以索特平均直径(SDmean)、油束喷射锥角(SAmean)和油束贯穿距(SPmean)3个参数作为考察喷射质量的目标。2.2优化参数配置如图2所示,对各设计变量进行上下限取值,同时设置考察目标索特平均直径的考察方向为最小,油束喷射锥角与油束贯穿距的考察方向为最大。2.3sict-doe试验流程iSIGHT与Hydism的集成分析过程如图3所示。燃油喷射系统的Hydism仿真模型被集成到iSIGHT-DOE试验流程之中。两者之间不断进行数据交换。Hydism的仿真计算结果传输给iSIGHT,经iSIGHT存储后,iSIGHT按照试验方案对Hydism模型中的各设计参数进行重置,然后对该仿真模型重新运算,直到获得所有方案结果。图4表示的是iSIGHT与hydsim集成优化的界面。3关于doe测试的研究3.1独立试验计划从试验方法、试验次数、设计参数水平值3个不同方面综合分析,本文选择正交矩阵方法和拉丁方法编制了6种试验方案。如表1所示。3.2影响油束贯穿距的因素由于篇幅有限,本文仅列举了方案一的部分DOE优化结果。图5所示为方案一中的各参数的PARETO图,它表示了各个参数对油束贯穿距(SPmean)影响的百分比。图6为各个设计参数之间的主效应分析图,从图5、图6中可以看出,对油束贯穿距影响最大的两个因素是针阀导向面直径和喷孔直径,且两者的效应方向均为正,即增大针阀导向面直径和喷孔直径都可以提高油束贯穿距。表2～表4为经过DOE试验探索得到的各方案的计算结果。对比表2～表4,可以发现:对3个目标有较大影响的设计参数各有不同。其中,部分参数对3个目标的效应方向保持一致。但是,如表5所示,也有部分设计参数对不同的目标参数会产生相反的效应。所以对于生产设计者而言,要全方位地提高喷射质量是十分困难的,只能首先确定影响喷射质量的首选因素,即喷孔直径、喷孔长度、针阀导向面直径、针阀弹簧预紧力的设计值,然后对次要因素采取有针对性、有侧重点的选取和折中。4优化设计4.1算法优化方案设计采用如图3所示的优化设计流程,结合iSIGHT提供的优化策略,制定了以下优化方案:方案一:多岛遗传算法结合顺序二次规划算法;方案二:直接启发搜索算法结合顺序二次规划算法;方案三:多目标优化算法;方案四:修改可行方向法。4.2方案比较结果分析图7为方案一的优化过程图,方案一计算了1057步,油束锥角减小了29.3%,索特平均直径减小了18.2%,油束贯穿距减小了2%。各方案的优化结果见表6。通过对几种优化方案优化结果的比较,可以发现:要同时达到减小索特平均直径、增加油束锥角和油束贯穿距的目的是十分困难的。4种方案的优化结果中,油束锥角的优化效果均不理想,索特平均直径的降低幅度最高可达18.2%,最低也有5.6%,效果较好,油束贯穿距的提高效果不太明显,最高为8.7%,最低为2.3%。方案二花费时间最多,方案四用时最少。综合比较优化效果,以减小索特平均直径为主要目标,对油束锥角和油束贯穿距作一定程度的折中,方案四的优化结果较好。5喷油器雾化效果的改善要同时达到减小索特平均直径,增加油束锥角和油束贯穿距,以全面提高喷油器的雾化质量是十分困难的。为改善喷