柴油機(jī)噴油器優(yōu)化設(shè)計方法的探討

柴油機(jī)噴油器優(yōu)化設(shè)計方法的探討

噴油器的優(yōu)化設(shè)計作為該系統(tǒng)的重要部件之一，噴嘴不僅會影響燃料的乳化質(zhì)量、貫穿和分布，還會對燃料的泵壓、泵開始、泵的持續(xù)時間和泵的性能產(chǎn)生重要影響。因此,噴油器的性能對燃油系統(tǒng)的整體性能有著直接的影響,進(jìn)而對柴油機(jī)的性能起著決定性的作用。雖然噴油器僅是一個小的部件,但其優(yōu)化設(shè)計仍然是一個非常復(fù)雜的問題,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)噴油器的優(yōu)化涉及的主要參數(shù)包括噴孔直徑、噴孔長度、針閥導(dǎo)向面直徑、針閥最大升程、針閥等效運(yùn)動質(zhì)量、針閥閥座錐角、針閥閥座直徑、針閥彈簧預(yù)緊力、針閥彈簧剛度、針閥閥尖錐角、針閥閥尖底部直徑、噴嘴孔徑等10余項(xiàng)設(shè)計參數(shù),如果是采用電磁閥或壓電晶體控制的噴油器,其結(jié)構(gòu)設(shè)計將更為復(fù)雜。為了綜合考慮多個結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油器性能的影響,可采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法,通過充分探索和利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制,考慮各學(xué)科(子系統(tǒng))之間的相互作用,從整個系統(tǒng)的角度優(yōu)化設(shè)計噴油器。本文通過所建立的燃油噴射系統(tǒng)AVL-Hydsim模型,以衡量噴射質(zhì)量的3個主要指標(biāo)—索特平均直徑、油束噴射錐角、油束貫穿距為研究目標(biāo)與iSIGHT優(yōu)化設(shè)計平臺聯(lián)合仿真,用噴油器內(nèi)各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性參數(shù)對上述3個指標(biāo)的影響特性進(jìn)行了試驗(yàn)探索,得到了影響較大的設(shè)計參數(shù)及各主要設(shè)計參數(shù)的效應(yīng)值和效應(yīng)方向以及各主要設(shè)計參數(shù)的的交互效應(yīng)。然后以試驗(yàn)探索的結(jié)果為基礎(chǔ),以提高噴射質(zhì)量為目標(biāo),對噴油器結(jié)構(gòu)特性參數(shù)作了優(yōu)化設(shè)計。1燃油系統(tǒng)的模擬1.1基于is光的設(shè)計優(yōu)化方法Engineous公司開發(fā)的iSIGHT軟件是通用的多學(xué)科優(yōu)化(MDO)計算框架最成熟的代表,可以將數(shù)字技術(shù)、推理技術(shù)和設(shè)計探索技術(shù)有效融合,并把大量需要人工完成的工作由軟件實(shí)現(xiàn)自動化處理,代替工程設(shè)計人員進(jìn)行重復(fù)性的、易出錯的數(shù)字處理和設(shè)計處理工作。iSIGHT具有強(qiáng)大的過程集成能力,能夠?qū)⒍鄬W(xué)科代碼集成并使流程自動化,提供實(shí)時監(jiān)控和后處理功能,幫助數(shù)據(jù)分析。目前,iSIGHT軟件已經(jīng)在航空、航天、汽車、兵器、船舶、電子、動力、機(jī)械、教育研究等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。iSIGHT提供了4類設(shè)計優(yōu)化算法:1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(DOE):分析、發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù),探索設(shè)計空間;2)優(yōu)化算法:尋找滿足約束條件和目標(biāo)函數(shù)的最好設(shè)計方案;3)近似方法:用近似模型代替運(yùn)行時間長的計算機(jī)模型,以快速獲得解答;4)質(zhì)量工程方法:尋找成功概率高并且對不確定因素不敏感的設(shè)計方案,最終達(dá)到穩(wěn)健和可靠性。1.2hydsim燃油系統(tǒng)的模擬模型根據(jù)燃油系統(tǒng)的特點(diǎn),利用AVL軟件中Hydsim仿真模塊建立了整個燃油系統(tǒng)的模型,見圖1。2優(yōu)化問題描述2.1設(shè)計參數(shù)選取根據(jù)噴油器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定了噴孔直徑(holeD)、噴孔長度(holeL)、針閥導(dǎo)向面直徑(needleguideD)、針閥最大升程(needleliftmax)、針閥等效運(yùn)動質(zhì)量(needlemovingmass)、針閥閥座錐角(needleseatA)、針閥閥座直徑(needleseatD)、針閥彈簧預(yù)緊力(needlespringpreload)、針閥彈簧剛度(needlespringstiffness)、針閥閥尖錐角(needletipA)、針閥閥尖底部直徑(needletipD)、噴嘴直徑(nozzlesacD)等作為設(shè)計參數(shù)。同樣以標(biāo)定工況下的燃油噴射系統(tǒng)作為研究對象。以索特平均直徑(SDmean)、油束噴射錐角(SAmean)和油束貫穿距(SPmean)3個參數(shù)作為考察噴射質(zhì)量的目標(biāo)。2.2優(yōu)化參數(shù)配置如圖2所示,對各設(shè)計變量進(jìn)行上下限取值,同時設(shè)置考察目標(biāo)索特平均直徑的考察方向?yàn)樽钚?油束噴射錐角與油束貫穿距的考察方向?yàn)樽畲蟆?.3sict-doe試驗(yàn)流程iSIGHT與Hydism的集成分析過程如圖3所示。燃油噴射系統(tǒng)的Hydism仿真模型被集成到iSIGHT-DOE試驗(yàn)流程之中。兩者之間不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Hydism的仿真計算結(jié)果傳輸給iSIGHT,經(jīng)iSIGHT存儲后,iSIGHT按照試驗(yàn)方案對Hydism模型中的各設(shè)計參數(shù)進(jìn)行重置,然后對該仿真模型重新運(yùn)算,直到獲得所有方案結(jié)果。圖4表示的是iSIGHT與hydsim集成優(yōu)化的界面。3關(guān)于doe測試的研究3.1獨(dú)立試驗(yàn)計劃從試驗(yàn)方法、試驗(yàn)次數(shù)、設(shè)計參數(shù)水平值3個不同方面綜合分析,本文選擇正交矩陣方法和拉丁方法編制了6種試驗(yàn)方案。如表1所示。3.2影響油束貫穿距的因素由于篇幅有限,本文僅列舉了方案一的部分DOE優(yōu)化結(jié)果。圖5所示為方案一中的各參數(shù)的PARETO圖,它表示了各個參數(shù)對油束貫穿距(SPmean)影響的百分比。圖6為各個設(shè)計參數(shù)之間的主效應(yīng)分析圖,從圖5、圖6中可以看出,對油束貫穿距影響最大的兩個因素是針閥導(dǎo)向面直徑和噴孔直徑,且兩者的效應(yīng)方向均為正,即增大針閥導(dǎo)向面直徑和噴孔直徑都可以提高油束貫穿距。表2～表4為經(jīng)過DOE試驗(yàn)探索得到的各方案的計算結(jié)果。對比表2～表4,可以發(fā)現(xiàn):對3個目標(biāo)有較大影響的設(shè)計參數(shù)各有不同。其中,部分參數(shù)對3個目標(biāo)的效應(yīng)方向保持一致。但是,如表5所示,也有部分設(shè)計參數(shù)對不同的目標(biāo)參數(shù)會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。所以對于生產(chǎn)設(shè)計者而言,要全方位地提高噴射質(zhì)量是十分困難的,只能首先確定影響噴射質(zhì)量的首選因素,即噴孔直徑、噴孔長度、針閥導(dǎo)向面直徑、針閥彈簧預(yù)緊力的設(shè)計值,然后對次要因素采取有針對性、有側(cè)重點(diǎn)的選取和折中。4優(yōu)化設(shè)計4.1算法優(yōu)化方案設(shè)計采用如圖3所示的優(yōu)化設(shè)計流程,結(jié)合iSIGHT提供的優(yōu)化策略,制定了以下優(yōu)化方案:方案一:多島遺傳算法結(jié)合順序二次規(guī)劃算法;方案二:直接啟發(fā)搜索算法結(jié)合順序二次規(guī)劃算法;方案三:多目標(biāo)優(yōu)化算法;方案四:修改可行方向法。4.2方案比較結(jié)果分析圖7為方案一的優(yōu)化過程圖,方案一計算了1057步,油束錐角減小了29.3%,索特平均直徑減小了18.2%,油束貫穿距減小了2%。各方案的優(yōu)化結(jié)果見表6。通過對幾種優(yōu)化方案優(yōu)化結(jié)果的比較,可以發(fā)現(xiàn):要同時達(dá)到減小索特平均直徑、增加油束錐角和油束貫穿距的目的是十分困難的。4種方案的優(yōu)化結(jié)果中,油束錐角的優(yōu)化效果均不理想,索特平均直徑的降低幅度最高可達(dá)18.2%,最低也有5.6%,效果較好,油束貫穿距的提高效果不太明顯,最高為8.7%,最低為2.3%。方案二花費(fèi)時間最多,方案四用時最少。綜合比較優(yōu)化效果,以減小索特平均直徑為主要目標(biāo),對油束錐角和油束貫穿距作一定程度的折中,方案四的優(yōu)化結(jié)果較好。5噴油器霧化效果的改善要同時達(dá)到減小索特平均直徑,增加油束錐角和油束貫穿距,以全面提高噴油器的霧化質(zhì)量是十分困難的。為改善噴