基于GT-Suite的4缸柴油机共轨管结构参数的优化研究

谢春华，宋艳慧

（湖北水利水电职业技术学院，湖北武汉430070）

基于GT-Suite的4缸柴油机共轨管结构参数的优化研究

谢春华，宋艳慧

（湖北水利水电职业技术学院，湖北武汉430070）

为了改善柴油机的燃油喷射性能，降低共轨压力波动，提高其动力性，本文分析了柴油机共轨管容积与压力建立时间及压力波动量的关系，研究了共轨管容积及其影响因素，基于GT-suite建立了四缸柴油机燃油共轨系统模型并进行了仿真，根据共轨管容积与压力建立时间及压力波动量的关系的仿真结果，确定了共轨管的最优容积，根据共轨管长径比和压力波动量的关系的仿真结果建立了轨压适应度函数，并根据轨压适应度与共轨管长径比的关系确定了最优共轨管内径，为共轨管的设计提供理论依据。

柴油机共轨管GT-suite仿真

1 引言

高压共轨技术是未来柴油机燃油系统的主要发展方向，其主要部件共轨管的作用是将高压油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，并起到蓄压器的作用，从而抑制高压油泵供油和喷油而产生的压力波动[1]。共轨压力直接影响喷射压力、循环喷油量和喷油速率等参数，精确控制共轨压力能改善喷射特性，提高柴油机的性能[2]。因此，确定合适的共轨管结构，降低共轨压力波动量尤为重要。本文运用GT-Suite软件，建立某4缸柴油机燃油共轨系统模型，进行计算分析，并分析共轨管参数的影响程度，确定最优共轨管的结构参数，提高燃油系统的性能。

2 共轨管容积分析

2.1 共轨管容积与压力建立时间的关系

在柴油机起动过程中，共轨管压力升至目标压力满足下式[3]：

式中，

N——所需供油次数；

Pg——共轨管设定的目标轨压；

P0——柴油机起动前共轨管内的初始压力；

ΔP——供油泵每次供油的共轨管压力升高值；

E——燃油的弹性模量；

Qp——油泵一次供油量；

Vr——共轨管容积。

又知油泵供油次数满足下式：

式中，

n——油泵转速；

t——轨压建立时间；

Z——油泵柱塞个数。

联立式（1）～（2），则有：

从式（3）中可知，共轨管容积与轨压建立的时间、目标轨压、初始轨压、油泵转速、油泵柱塞个数、燃油弹性模量、高压油泵1次供油量有关。

2.2 共轨管容积与压力波动量的关系

假设燃油温度不变，共轨管内的压力变化满足如下关系式[4]：

式中，

ΔPr——共轨管内的压力波动量；

ΔV——共轨管中的体积变化；

E——燃油的弹性模量。

由供油泵供油使燃油进入共轨管中，一部分经过喷油器喷射进入燃烧室，一部分由回油管回到油箱。根据流动方程有：

式中，

ρ——燃油密度；

α——音速；

Pr——共轨管轨压；

uin——进入共轨管燃油速度；

Ain——进入共轨管燃油截面积；

uout——从共轨管流出的燃油速度；

Aout——从共轨管流出的燃油截面积；

Qin——进入共轨管内燃油的体积流速；

Qout——从共轨管内流出的燃油体积流速。

进入共轨管的燃油主要来源于供油泵，而从共轨管流出的燃油主要是喷油器喷射的燃油和喷油器回油管的回油。

若忽略供油泵压油时柱塞的泄漏量，则1次供油量满足下式[2]：

式中，

Vm——第m个柱塞的体积供油量；

Φ——凸轮转角；

Z——柱塞个数；

Vmax——柱塞最大体积供油量。

则第m个柱塞压入共轨管内燃油的体积流速为：

式中，

Qinm——第m个柱塞压入共轨管内燃油的体积流速。

喷油器喷油流速满足下式：

式中，

Qoutp——喷油器喷射出的燃油流速；

Kp——喷油器开关系数，喷油器开启持续时间内Kp=1，否则Kp=0；

Cp——流量系数；

Ap——流通面积；

P0——喷油器喷油前的燃油压力。

喷油器通过回油口燃油回油流速满足下式：

式中，

Qouth——喷油器回油管的燃油流速；

Kj——喷油器回油管开关系数，喷油器关闭时Kj=1，否则Kj=0；

Cj——流量系数；

Aj——流通面积；

Pk——低压回油油道压力。

从式（4）～（9）中可知，共轨管压力波动量与喷油器数目、供油泵柱塞数目、供油泵凸轮转速、供油泵供油相位、共轨管轨压、喷油器开启时间、喷油器及回油管开关系数、燃油密度、弹性模量及共轨管容积有关。

3 建立仿真模型

3.1 GT-Suite仿真模型

GT-Suite软件是美国Gamma Technologies公司开发的汽车仿真分析系列软件，其中的GT-fuel部分能通过搭建和设置元件参数直接对发动机燃油系统进行建模和仿真，如图1所示。图中以某4缸4冲程柴油机共轨系统建立了高压油泵、燃油滤清器、高压油管、共轨管和喷油器的供油模型。

图1 仿真模型图

3.2 仿真参数设置

目前，柴油机高压共轨系统最高共轨压力一般在120～200 MPa[5]，可以根据柴油机的实际情况设定具体的目标轨压值。这里，设置燃油滤清器长度为100 mm，管径为50 mm。设置高压油管长度1 500 mm，内径为5 mm。共轨管长度受柴油机外形限制，一般在500 mm以下，可根据仿真要求设定一个具体值。喷油器喷孔数为6，孔径为0.2 mm。

4 仿真试验方法与内容

4.1 仿真试验方法

共轨管的形状会对轨压波动产生一定影响，其容积具有削减高压油泵供油压力波动和喷油器喷油这二者所引起的压力震荡，但该容积不能太大，以保证共轨压力有足够的响应速度跟随柴油机工况的变化[6]。因此，可以选择不同轨压下一组典型的共轨管容积进行仿真计算，以确定共轨管容积对轨压建立时间和轨压波动幅度的影响程度，选择最优容积。再根据共轨管不同的容积，选择不同长度和内径值进行仿真，以确定长径比与压力波动量的关系，获得最优的长径比，以确定共轨管在最小压力波动量时的长度和内径。

4.2 仿真试验内容

根据柴油机高压共轨系统共轨管的基本参数，选择高压油泵压力分别为120 MPa、140 MPa、160 MPa、180 MPa和200 MPa，共轨管长度分别为160 mm、240 mm、320 mm和400 mm，共轨管内径分别为8 mm、16 mm、24 mm和32 mm，分别进行仿真计算。

5 仿真结果与分析

5.1 共轨管容积与压力建立时间的关系

运行GT-Suite，轨压建立时间与共轨管容积的仿真结果如图2所示。为避免曲线重叠，不易分辨，图中仅给出轨压120 MPa、160 MPa和200 MPa三条曲线，以下均同。图中，轨压建立时间随最大轨压和容积的增大而增大。在共轨管容积为20 mL时，轨压建立时间上升较快；在80 mL时，轨压建立时间趋缓；在320 mL以下时，轨压在200 MPa以下建立的时间控制在0.46 s以内。

图2 共轨管容积与时间关系图

5.2 共轨管容积与压力波动量的关系

共轨管内压力波动Δp与共轨管容积仿真结果如图3所示。如图中所示，在不同轨压下，压力波动量随轨压的增大而增大，随容积的增大而减小。从图中可知，共轨管容积在低于20 mL以内时，轨压的波动量较大且急剧下降；在20～80 mL之间时，压力波动趋缓；在160 mL以后，压力波动低于1.5 MPa。综合图2和图3曲线，最优容积为21 mL。

图3 轨压压力波动与共轨管容积的关系

5.3 共轨管长径比与压力波动量的关系

5.3.1 共轨管长径比与压力波动量仿真结果

共轨管长径比与压力波动仿真结果如图4所示。图4中，在共轨管内不同目标轨压条件下，压力波动量与长径比之间没有较好的曲线关系，但压力波动量会随着轨压的增加而增大，且长径比在20以下时，压力波动量低于3 MPa。

由于ECU会根据柴油机工况的变化自动调节目标轨压，因此，共轨管应满足不同轨压条件下压力波动量具有良好的适应度要求。

图4 压力波动与共轨管长径比的关系

5.3.2 共轨管长径比与压力适应度分析

适应度来自于遗传算法（Genetic Algorithm，以下简称GA）[7]，由美国密歇根大学J.H.Holland教授创立。GA是一种模仿生物群体进化机制“物竞天择，适者生存”的随机优化算法，它有一个代表了问题可能潜在解集的种群，种群中的个体在选择、交叉以及变异算子的作用下向更高的适应度进化，以达到寻求问题最优解的目标[8]。这里可以利用该算法建立共轨管压力波动的适应度函数，以寻求最佳长径比。

适应度函数的设计应满足规范性、单值、连续、合理性、计算量简单和通用性的要求[9]，得到共轨管轨压适应度函数F如下：

式中，

dpmax,L/D——相同长径比条件下，不同目标轨压中压力波动量的最大值；

dpmin,L/D——相同长径比条件下，不同目标轨压中压力波动量的最小值；

dpmax——所有目标轨压中压力波动量的最大值；

dpmin——所有目标轨压中压力波动量的最小值。

根据式（8）可得到共轨管长径比与轨压适应度关系，如图5所示。从图中可知，不同目标轨压曲线在长径比为18时轨压适应度F最大，即有共轨管的最优长径比为18。

图5 轨压适应度与共轨管长径比关系

5.4 共轨管结构选择

根据共轨管的最优容积和长径比，可确定数据并取整得到该4缸柴油机共轨管内径为11 mm，管长为220 mm较为适宜。

6 结论

本文基于GT-Suite建立了某4缸柴油机共轨系统模型，分析了共轨管容积与轨压建立时间的关系及轨压波动量的关系，得到如下结论：

（1）共轨管容积与轨压建立的时间、共轨管目标轨压、共轨管初始轨压、油泵转速、燃油弹性模量、油泵1次供油量有关；且共轨管容积与共轨管压力波动量与喷油器数目、供油泵柱塞数目、供油泵凸轮转速、供油泵供油相位、共轨管轨压、喷油器开启时间、喷油器及回油管开关系数、燃油密度、弹性模量有关。

（2）GT-Suite能简单方便地完成柴油机燃油共轨系统建模与仿真计算。

（3）通过仿真结果表明：在目标轨压一定的条件下，共轨管容积随轨压建立时间的增大而增大；在不同目标轨压条件下，轨压越大，轨压建立的时间越长；轨压的波动量随目标轨压的增大而增大，随容积的增大而减小，可据此选择共轨管最优容积；共轨管内压力波动与长径比没有较好的曲线关系，但可以通过轨压的适应度确定最优长径比。

（4）共轨管的结构能减小轨压的波动量，设计前应做相应的仿真和计算，以便优化共轨管结构，降低轨压波动量。

1胡孝伟，钱志博，杜秀群．高压共轨系统柱塞泵选型与共轨管路分析[J]．机床与液压，2010，38（17）：106-108．

2王军，张幽彤，仇滔等．柴油机高压共轨压力控制的动态仿真与分析[J]．系统仿真学报，2009，21（9）：2492-2495．

3丁士勇，林秀霞，赵奕磊等．BF6M1015C柴油机高压共轨系统中共轨管设计[J]．小型内燃机与摩托车，2011，40（5）：47-51．

4裴海灵，周乃君，杨南等．基于多学科设计优化的共轨管设计优化[J]．中南大学学报（自然科学版），2011，42（1）：234-239．

5刘旭刚，张国彬，蔚建玺等．柴油发动机高压共轨技术的产生与发展[J]．汽车运用，2007，（11）：30-31．

6王新军，孙大刚．CR系统共轨管仿真[J]．农业装备与车辆工程，2009，（2）：45-46．

7 J H Holland．Adaptation in Nature Artificial Systems[M]．MIT Press，1975．

8 Sugisaka M，Fan X J．Adaptive Genetic Algorithm with a Cooperative Mode[C]．In:Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2001．

9辛馡，朱鳌鑫．遗传算法的适应度函数研究[J]．系统工程与电子技术，1998（11）：58-62．

10蔡金锭，马西奎，黄东泉．遗传算法在求解试验电路参数中的应用[J]．微电子学，2000，30（1）：43-45．

Research of Parameter Optimization for Four-Cylinder Diesel Engine Common-rail Based on GT-suite

Xie Chunhua Song Yanhui
（Hubei Water Resources Technical College,Wuhan 430070,China)

In order to improve diesel engine fuel injection performance,reduce the common rail pressure fluctuations and improve engine power,analysis was made on the relationship of diesel engine common-rail volume,pressure build-up time and the amount of pressure fluctuations.Volume and its influence factors of the common-rail were studied,a four-cylinder diesel engine common-rail fuel system model was established and simulated base on GT-suite.From the simulation results of relationship of common-rail volume,pressure build-up time and the amount of pressure fluctuations,the optimal volume of common-rail were chosen.from the simulation results of relationship of common-rail length-diameter ratio and the amount of pressure fluctuations,the fitness function of common-rail pressure was established,and from the relationship of common-rail pressure fitness and length-diameter ratio,the optimal internal diameter of common-rail were chosen,thus providing a theoretical basis for the common-rail design.

Diesel engine,Common-rail,GT-suite,Simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.006

来稿日期：2012-08-21基金项目：湖北水利水电职业技术学院院级基金资助项目(hbsy12kf15)

谢春华（1978-），男，教师、硕士，主要研究方向为发动机燃油控制与喷射技术等。