基于ISIGHT和AMESim的燃油增压器优化设计

2022-02-21赵建华

兵器装备工程学报 2022年1期

熊彪，杨昆，赵建华，周磊

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033)

1 引言

最大限度地减少排放、提高发动机效率是高压燃油喷射系统的主要发展目标[1-3]。高喷油压力是降低排放的有效技术之一[4-6]。采用二次增压的方法不仅可以实现超高喷射压力，还可使主喷油规律形状柔性可调，有利于改善发动机低负荷运行时的经济性[7-9]。燃油增压器是实现二次增压的核心部件，对增压器结构参数进行优化十分必要。

目前国外开发增压式高压共轨系统的代表是德国BOSCH公司[10]，其开发思路为：把燃油增压器集成在喷油器内，以实现“高基压、低增压比”的二次增压方式。BOSCH公司根据该思路研究出了2种带有燃油增压器的共轨系统，该系统的喷油压力可达250 MPa，并且可以实现多次喷射和喷油规律形状可调[11-12]。虽然将燃油增压器设置在喷油器内可以使得结构紧凑且安装方便，但是这种喷油器内部结构十分复杂，加工制造困难。考虑到如此复杂结构的加工和制造精度在我国很难实现，本文提出的超高压共轨系统为燃油增压器与喷油器分离的增压式高压共轨系统[13]，将增压器布置在共轨管与喷油器之间，同时保留现行高压共轨系统所有部件，因此可以在2种压力下(基压100 MPa和高压200～250 MPa)向喷油器供油，使系统具有更强的喷射压力和更灵活可调节的喷油规律，为进一步改善柴油机性能提供了有利的基础[14]。

本文运用AMESim软件对超高压共轨系统进行建模，通过试验验证模型的准确度。利用ISIGHT软件中的正交试验数组法对燃油增压器结构参数进行灵敏度分析，去除影响力较低的参数[15]。在此基础上，选择多目标优化算法对剩余参数进行优化分析，对比结果后确定最优算法和最佳参数组合，从而实现对燃油增压器的优化设计。

2 超高压共轨系统工作原理

图1为超高压共轨系统结构示意图。该系统保留了传统高压共轨系统所采用的电控喷油器、共轨管等主要部件，区别之处是在共轨腔和喷油器间加装了燃油增压器。本文采用的是两位两通电磁阀控制的燃油增压器，其具体结构如图2所示，主要由单向阀、活塞、控制室、增压室、复位弹簧和衔铁等部件组成。

采用两位两通电磁阀控制的燃油增压器的具体工作原理如下：当负荷较低系统在基压状态工作时，此时增压器相当于一个单向阀，共轨腔中的燃油通过基压油路向喷油器供油；当负荷增大系统需要在高压状态工作时，电磁阀会打开，控制室中的燃油会流回油箱导致增压活塞两端的压力无法保持平衡，增压活塞失衡会向小端移动，单向阀关闭，燃油因在增压室内受到压缩而压力升高。增压后的燃油经高压油管输送至喷油器，完成高压喷射。电磁阀关闭后，控制室得到共轨腔燃油的补充而压力回升，增压活塞在控制室和复位弹簧共同作用下回到平衡状态。

图1 超高压共轨系统结构示意图

图2 燃油增压器结构示意图

超高压共轨系统主要通过控制燃油增压器电磁阀的打开来实现超高压喷射，因此，燃油增压器是超高压共轨系统的重要部件，对该燃油增压器进行优化十分必要。

3 超高压共轨系统建模

3.1 数学模型

3.1.1 燃油增压器的数学模型

基于燃油增压器的具体工作原理，可将其分为液压腔、运动部件以及电磁阀等三类元器件进行数学建模分析。

1) 液压腔

进出液压腔模型的流体物质主要是燃油，因此对液压腔数学建模实质上是对在其内部流动的燃油进行液压特性分析。燃油在液压腔内流动需满足流体可压缩性方程，如式(1)所示；燃油进出液压腔的流量计算分为泄露和不泄露2种，如式(2)和(3)所示；基于上述方程，燃油在液压腔内的压力变化可由(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：E为燃油弹性模量；ΔV/V为燃油体积变化率；μ为流量系数；A为有效流通截面积；ρ为燃油的密度；d为密封面直径；σ为密封面的间隙；ΔP为液压变化；dp/dt为液压腔内燃油压力变化率；L为密封长度；η为燃油动力黏度；Qin为非泄漏流进液压腔的燃油流量；Qleakout为因泄漏流出液压腔的燃油流量；dx/dt为运动件的运动速度；V为液压腔体积。

2) 运动部件

燃油增压器内主要的运动部件为增压活塞和衔铁，根据牛顿运动学第二定律可建立动力学方程，如式(5)所示：

(5)

式中：m为运动件的质量；ν为迎面阻力系数；k为弹簧刚度；x为运动件位移；x0为弹簧预压紧量；Fm为机械力；Fh为液压力。

3) 电磁阀

由于本模型使用的电磁阀需要和增压器的液力系统相连，不只是一般的电磁执行器，因此需要对其电磁力、液压力以及衔铁阀体组件的机械运动进行分析，如式(6)-(9)所示：

(6)

(7)

Fh=APcon

(8)

(9)

式中：Uc为线圈施加的励磁电压；R为线圈电阻；i为线圈中电流；N为线圈匝数；μ0为真空磁导率；Sa为磁通经过的有效截面积；δ为线圈与衔铁初始气隙；x为电磁阀阀芯位移；A为阀芯截面积；Pcon为控制腔压力；Fpre为弹簧预紧力；Fh为燃油对电磁阀芯的液压力；m为衔铁、阀芯组件的总质量；k为弹簧刚度；λx为阻尼系数。

3.1.2 喷油器的数学模型

基于喷油器的具体工作原理，可将其分为液压腔、运动部件以及电磁阀等三类元器件进行数学建模分析。需要建立的方程主要包括液压腔内燃油的流动和压力变化方程、针阀的运动方程以及电磁阀的液压力、电磁力方程等，其数学模型的建立过程与燃油增压器相似。

3.2 仿真模型建立

基于超高压共轨系统结构原理及数学模型，运用AMESim软件建立了超高压共轨系统仿真模型，如图3所示。

该模型主要由理想高压源(用于替代共轨腔和高压燃油泵)以及两位两通电磁阀所控制的燃油增压器、电控喷油器所组成。考虑到增压器和喷油器的实际工作原理，建立此模型需用到液压库、液压元件设计库、液阻库、信号控制库、机械库、电磁库和电子库等模块。其中部件1-6构成了两位两通球阀式电磁阀；部件9、11、12分别代表燃油增压器的基压室、控制室、增压室；增压活塞是增压器的核心组件，由部件13-18所构成；模块22-24构成了针阀组件；模块27和29则分别为喷油器的控制室和压力室。燃油增压器和喷油器的主要参数如表1和表2所示。

1.电磁阀复位弹簧；2.电磁阀线圈；3.电磁阀驱动电路；4.电磁阀控制信号；5.衔铁及阀芯质量；6.电磁阀球阀；7.出油孔；8.油箱；9.基压室；10.单向阀；11.控制室；12.增压室；13.增压活塞大端上部；14.增压活塞大端泄漏；15.增压活塞质量；16.增压活塞大端下部；17.增压活塞小端泄漏；18.带复位弹簧活塞；19.控制活塞上端；20.控制活塞泄漏；21.复位弹簧；22.针阀活塞上端；23.控制活塞针阀质量；24.针阀锥头；25.电磁阀腔；26.出油孔；27.控制室；28.进油孔；29.压力室

表1 增压器主要参数

表2 喷油器主要参数

3.3 模型标定

为验证超高压共轨系统仿真模型的准确度，搭建了超高压共轨试验系统，如图4所示。该试验系统有PC机、控制器、电控单元、数据采集仪、传感器、电机、测试仪及高压共轨系统等元件，增压室压力由压电传感器测量，喷油速率由喷油规律测试仪测量，二者将所测数据通过数据采集仪传输至PC机中，从而完成对增压室压力和喷油速率的数据记录。试验工况如下：基压设置为100 MPa，增压器电磁阀工作范围设置为1.6～2.8 ms，喷油器电磁阀工作范围设置为1～1.8 ms。仿真与试验工况相同。

图4 超高压共轨试验系统示意图

图5显示了增压室压力仿真结果与试验结果，由图可看出试验所得的增压压力峰值略低于仿真值，主要是由于试验装置加工精度不足导致增压器工作时有少量漏油，并且系统长时间运行油温过高，从而影响增压效果。不过从整个增压过程可以看出仿真值和试验值基本一致，说明该模型符合精度要求。

图5 增压压力仿真结果与试验结果曲线

图6显示了喷油速率仿真结果与试验结果，由图可看出试验所得的喷油速率峰值略低于仿真值，其原因是试验的增压压力峰值低于仿真值。除此之外，试验所得的喷油速率曲线基本和仿真值吻合，表明仿真所得的喷油速率曲线可以较为真实的反映超高压共轨系统单次喷油的喷油速率。

图6 喷油速率仿真结果与试验结果曲线

4 增压器结构参数灵敏度分析

为找出对增压压力峰值和最小燃油泄漏率影响较大的结构参数，需对参数进行灵敏度分析。首先利用AMESim软件中的Export模块将需要研究的增压器结构参数导出为ISIGHT的输入变量，如表3所示。

表3 增压器导出参数

同时，将增压压力峰值Pmax(MPa)和最小泄油率Vmin(L·min-1)作为复合输出型参数导出为ISIGHT的输出变量。

将ISIGHT和AMESim进行联合仿真，通过ISIGHT软件中的DOE模块对增压器结构参数进行灵敏度分析，具体流程如图7所示。

图7 结构参数DOE分析流程示意图

该流程主要由Simcode和DOE两个组件组成，首先通过Simcode组件对AMESim子程序AMEPilot进行调用，完成AMESim和ISIGHT两个软件的数据交换，然后通过DOE组件选取合适的算法对增压器结构参数进行灵敏度分析。该流程的DOE模块采用了L16正交试验数组，取每个参数基准值的上下百分之十进行试验计算，得出了各因子对输出影响的PARETO图，如图8所示。

从图8(a)可以看出，对增压压力峰值影响最大的参数因子为D1(控制室进油孔直径)和V2(增压室容积)，影响率均超过了20%，其中增压压力峰值随着D1的增加而减小，随着V2的增加而增加；从图8(b)可以发现，对最小燃油泄漏率影响最大的参数因子为F(增压活塞弹簧预紧力)，影响率超过了20%，且最小燃油泄漏率随着F的增大而减小。同时，从(a)、(b)两图均可发现，参数M1(增压活塞质量)和M2(电磁阀阀芯质量)对Pmax和Vmin影响率较小，因此参数M1和M2不作为下一步优化过程的设计变量。

图8 结构参数灵敏度分析直方图

5 增压器结构参数优化

5.1 优化目标函数

在超高压共轨系统中，燃油增压器的主要目的就是提高燃油喷射压力，因此，尽可能的提高增压压力峰值以获得良好的增压效果是增压器优化的主要目标。但随着增压压力峰值提升的同时，燃油泄漏率会增加，系统会产生额外的功耗。综合考虑，以提高增压压力峰值为首要优化目标，降低燃油泄漏率为次要优化目标，根据多变量处理方法中的目标达成法[16]，建立如式(10)所示的目标函数。

(10)

其中：P0和V0分别为最大增压压力以及燃油泄漏率的目标值，故问题就转换为f越大越好。

5.2 优化计算

在上述灵敏度分析的基础上，选取控制室进油孔直径和增压室容积等9个参数(具体见表3)作为设计变量，同时将DOE模块更换为Optimization模块，其他设置保持不变，即可进行参数优化设计，具体流程如图9所示。

图9 ISIGHT参数优化流程示意图

本文采用NSGA-Ⅱ、NCGA和AMGA等3种针对多目标优化的遗传算法对燃油增压器进行多目标优化计算，计算工况如下：基压设置为100 MPa，增压器电磁阀工作范围设置为1.2～3 ms，喷油器电磁阀工作范围设置为0.8～2 ms。优化目标在3种算法中的演化过程如图10、图11和图12所示。具体优化结果如表4所示。