柴油機(jī)高壓共軌噴油器噴油性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙 暢，朱春紅，趙宏霞，陳俊杰

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

前言

隨著全世界對(duì)環(huán)境污染問題的愈加重視，世界各國都在積極制定修改內(nèi)燃機(jī)尾氣排放的相關(guān)法律法規(guī)，嚴(yán)格的法律法規(guī)迫使柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，進(jìn)一步提高其排放性能[1-5]。柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠有效降低柴油機(jī)的排放尾氣及油耗，其高壓共軌噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)的噴油性能有著極其重要的影響[6-8]。

本文以某型號(hào)高壓共軌噴油器作為研究對(duì)象，利用AMESim 軟件建立高壓共軌噴油器的仿真模型，并運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高噴油器的噴油性能。

1 高壓共軌噴油器模型構(gòu)建

本文所研究的某自主研發(fā)高壓共軌噴油器運(yùn)行及結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1 所示。

表1 運(yùn)行及結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.1 仿真模型的建立

在本文的研究中選用AMESim 軟件對(duì)高壓共軌燃油系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。通過其系統(tǒng)及工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立復(fù)雜的一維多學(xué)科領(lǐng)域的機(jī)電液一體化系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析[9]。結(jié)合高壓共軌噴油器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，基于數(shù)學(xué)模型，利用AMESim 仿真軟件液壓元件設(shè)計(jì)庫中的各類單元模型搭建仿真模型[9]。

在構(gòu)建仿真模型時(shí)，首先對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行了一系列假設(shè)條件和必要的簡(jiǎn)化，同時(shí)采用恒壓力源進(jìn)行高壓油泵模塊的調(diào)整，以便于定性分析。根據(jù)高壓共軌噴油器各組件功能劃分，將噴油器分為三部分進(jìn)行搭建，分別為電磁閥驅(qū)動(dòng)組件、控制腔組件及噴油嘴組件。最后，對(duì)不同功能組件進(jìn)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(yàn)證

搭建仿真模型后，需要對(duì)其進(jìn)行多工況的試驗(yàn)驗(yàn)證，以驗(yàn)證模型的合理性。驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)由法國EFS 噴油規(guī)律測(cè)量?jī)x油泵試驗(yàn)臺(tái)，高壓油軌、共軌噴油器、高壓共軌燃油系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及各類型傳感器等組成。試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖

分別設(shè)定共軌壓力為1 000 bar、1 200 bar、1 400 bar、1 600 bar，進(jìn)行各工況點(diǎn)下噴油特性的仿真模擬，循環(huán)噴油量的仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖3 所示。

圖3 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，單次循環(huán)噴油量的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在變化趨勢(shì)上基本一致。結(jié)合本文仿真設(shè)計(jì)所需要的工況條件而言，仿真計(jì)算結(jié)果的誤差將控制在5%之內(nèi)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)方案確定

仿真模型建立后，首先進(jìn)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(tǒng)的運(yùn)行和控制參數(shù)以及系統(tǒng)內(nèi)各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)都將影響噴油過程，進(jìn)而對(duì)噴油性能產(chǎn)生影響。因此，在相關(guān)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取高壓共軌噴油器的控制腔組件及針閥組件的關(guān)鍵參數(shù)作為研究對(duì)象，進(jìn)行噴油性能的仿真分析。最后，根據(jù)仿真結(jié)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(yù)緊力作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析他們對(duì)噴油特性的影響，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下文中為表述方便，將以A、B、C、D 對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化表述。

表2 試驗(yàn)方案

對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行分析和篩選，根據(jù)噴油性能指標(biāo)較為理想的區(qū)域確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定范圍，并結(jié)合實(shí)際工程需求確定試驗(yàn)因素的水平，試驗(yàn)因素水平表如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

根據(jù)試驗(yàn)因素和水平，選定正交試驗(yàn)表。由于本次優(yōu)化試驗(yàn)共有4 個(gè)試驗(yàn)因素，每試驗(yàn)因素選定3 個(gè)水平，因此自由度為4×2；同時(shí)我們希望得到各因素之間的相互影響程度，因此為4 個(gè)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(yīng)該 ≥24，所以選用L27（313）正交表。此次優(yōu)化設(shè)計(jì)需進(jìn)行27 次試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表的表頭如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)表

根據(jù)前期工程需求，以接近循環(huán)噴油量確定值205 mg為最終優(yōu)化目標(biāo)，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化后結(jié)果與目標(biāo)循環(huán)噴油量最為接近的一組方案，即選定為最優(yōu)方案。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)已確定的試驗(yàn)因素、試驗(yàn)水平、試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行了27 組不同參數(shù)組合的正交試驗(yàn)，記錄了每次試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行數(shù)學(xué)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(jì)算各項(xiàng)的總偏差平方和誤差；

（2）計(jì)算各試驗(yàn)因素的偏差平方和；

（3）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量F 值的計(jì)算；

（4）使用F 檢驗(yàn)法獲得各因素的影響顯著程度。

根據(jù)以上步驟進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

表5 試驗(yàn)結(jié)果

然后利用二元表對(duì)影響顯著的因素進(jìn)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(shí)A、D 之間無相互影響，因此D 只需選取方案中結(jié)果最優(yōu)值即可。根據(jù)二元表分析可得到最優(yōu)方案。

最后，確定優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，對(duì)所選擇的最佳方案進(jìn)行仿真分析，各優(yōu)化方案的狀態(tài)表如下所示。

表6 優(yōu)化方案狀態(tài)表

根據(jù)各優(yōu)化方案分別進(jìn)行仿真分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)工作狀態(tài)不正常的情況，這是因?yàn)閷?duì)噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了重新組合，從而產(chǎn)生參數(shù)不匹配的現(xiàn)象，導(dǎo)致針閥復(fù)抬。因此根據(jù)各組仿真數(shù)據(jù)實(shí)際工作情況進(jìn)行對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行篩選，對(duì)篩選后的方案進(jìn)行仿真分析，比較二者循環(huán)噴油量，兩優(yōu)化方案循環(huán)噴油量指標(biāo)對(duì)比如表7 所示。

表7 優(yōu)化方案循環(huán)噴油量指標(biāo)對(duì)比表

目標(biāo)要求循環(huán)噴油量為205 mg，因此選取與目標(biāo)循環(huán)噴油量更為接近的方案1 作為最優(yōu)方案。此方案下參數(shù)取值如表8 所示。

表8 最優(yōu)方案關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 優(yōu)化方案驗(yàn)證分析

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行噴油特性分析，分析優(yōu)化前后的噴油規(guī)律曲線和循環(huán)噴油量值，對(duì)比圖如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化前后對(duì)比圖

通過圖4 可以看出，優(yōu)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(yōu)化后噴油速率的上升段斜率明顯增大，同時(shí)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(yōu)化前后噴油持續(xù)期基本相同，優(yōu)化后的循環(huán)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(huán)噴油量目標(biāo)值極為接近，僅相差1.08%。優(yōu)化后循環(huán)噴油量曲線上升速率更快，即噴油器能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成單次噴油。

4 結(jié)論

本文以某高壓共軌噴油器作為研究對(duì)象，首先利用AME-SIM 軟件進(jìn)行了高壓共軌噴油器仿真模型的建立，并利用試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行仿真模型合理性的試驗(yàn)驗(yàn)證。然后利用高壓共軌噴油器的仿真模型進(jìn)行噴油性能的仿真模擬，通過對(duì)噴油性能結(jié)果的分析，選取對(duì)噴油規(guī)律影響顯著的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法得到最優(yōu)方案。通過對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化效果。