电控喷油器的优化设计_李育学

第 24卷 ( 2006)第 3期 内 燃 机 学 报 Transac tions of CSICE Vo .l 24( 2006) No. 3 文章编号: 1000- 0909( 2006) 03- 0270- 06 24-045 电控喷油器的优化设计* * 李育学, 张静秋, 欧阳光耀 (海军工程大学 船舶与动力学院, 湖北 武汉 430033) 摘要: 根据电控喷油器各部件的结构特点、耦合关系及物理性质, 建立了电控喷油器电磁阀驱动、电磁阀、液 力、机械系统耦合的数学模型, 完成了仿真计算并获得了各因素对电控喷油器性能影响的空间图谱;系统地研 究了电控喷油器结构参数对喷油器动态响应的影响。以仿真结果为基础,以系统的响应和经济性为目标, 建 立了系统的多元回归方程。通过多目标规划,对系统的结构参数进行了优化。利用分析结果,设计了相应的 零部件。在喷油器动态特性测试台架上,对经过优化设计的喷油器进行了动态响应特性等测试。测试结果与 仿真结果有较好的一致性;喷油器针阀开启和关闭响应时间均可达 0. 2 m s, 喷油规律波形与控制脉冲波形基 本一致。 关键词: 高压共轨; 电控喷油器; 优化 中图分类号: TK421 文献标志码: A Optim ization Designing of E lectronically Controlled Injector LIYu-xue, ZHANG Jing-qiu, OUYANG Guang-yao ( Shipping and Power Academy, Navy Un iversity o f Eng ineer ing, W uhan 430033, China) Abstract: The coupled m athem at icalmodels based on the characteristics of so leno id, valve and in jector are established. The smi ulat ion is carried out and three-dmi ens ionalm ap are completed. The influences of structural param eters on system perform ance are system atically stud ied. The regression function of system is obtained from the ami of response and economy. System conf igurat ion param eters are optmi ized w ith m ult-i objective programm ing. The corresponding parts are des igned by using the optmi ized results. T he dynam ic response characteristic o f optmi ized injector was tested. T ested results show good agreem ent w ith the smi u lation results. The opening and clos ing response tmi e reach 0. 2 ms along w ith m atched injection pulse pattern and contro lling signal pattern are realized. Keywords: H igh pressure common ra i;l E lectron ically contro lled in jector; Optmi izat ion 引言 电控喷油器是高压共轨系统的核心部件,设 计性能优良的喷油器是开发共轨系统的关键。仿 真分析及结构优化是实现这一目标的有效手段。 本文通过对电控喷油器的仿真分析, 采用数值计 算的方法对喷油器进行了优化设计。 1 理论分析 1. 1 电控喷油器仿真建模 电控喷油器的工作原理模型如图 1。根据电 控喷油器各部件的液力及运动特性,可将其分为 液压腔及运动件两类 [ 1]进行分析。 液压腔中的燃油满足流体的可压缩性方程 * 收稿日期: 2005- 07- 21; 修回日期: 2005- 11- 12。 基金项目:国防 /十五 0预研项目 ( 401010401 )。 作者简介:李育学 ( 1960) ) ,男,副教授,主要研究方向为内燃机仿真及优化控制, E-m ai:l L i19601027@ M SN. com。 如下: $p= E $V V 图 1 电控喷油器工作原理图 F ig. 1 Schem atic of in jec tor 表示流体流进、流出各液压腔流量的伯努利 ( B ernoulli)方程如下: Q = LA 2$p Q 根据流体的可压缩性方程和流量的伯努利 ( B ernoulli)方程可得到液压腔内燃油压力变化的 表达式为 dp dt = [ 6 (Q in + Q leak in - Q ou t - Q leakout ) + 6 A dxdt ] # E V ( 1) 喷油器中的主要运动部件: 针阀和控制活塞 都可简化为单质量、单自由度的二阶振荡系统,根 据牛顿运动学第二定律,其运动方程为 m d 2 x dt 2 + A dx dt + kx = 6 Fm + 6 Fh + 6 F e ( 2) 式中: x为运动件位移; Fm 为机械力; F h为液压 力; Fe为电磁力。 电磁阀是电控喷油器的重要部件, 其仿真模 型建立如图 2。将整个电磁阀系统划分为: 电路 子系统、磁路子系统、机械运动子系统、液力子系 统。各子系统的关联关系如图 2所示。综合对 4 个子系统的分析,构建了电磁阀动态过程微分方 程组: L di dt + R i+ U c= 0 i= C dU c dt d 2 x dt 2 = 1 m Fmag - 1 m k( x0 + x ) - 1 m Fh - 1 m Ax dx dt Fm ag = L0 ( iN ) 2 Sa 2(D- x ) 2 F h = f (x, dx /dt, pcon, p sol ) 式中: pcon为控制室液压力; p sol为电磁阀芯的背 压。建立仿真程序, 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图 3所示。 图 2 电磁阀各子系统联系示意图 Fig. 2 Schem atic of solenoid subsystem s 图 3 电控喷油器仿真流程图 Fig. 3 S im u lation of f low of in jector 1. 2 仿真结果分析 利用仿真程序,对不同结构尺寸的高压共轨 #271# 2006年 5月 李育学等: 电控喷油器的优化设计 喷油器进行了仿真计算。仿真结果表明:喷油器 结构参数对针阀的开启和关闭响应时间都有极大 影响。下面以两组具有不同控制室进出油节流孔 的喷油器为例进行比较说明: 一组的进油孔为 0. 25mm,出油孔为 0. 27 mm;另一组的进油孔为 0. 21 mm, 出油孔为 0. 35 mm。比较了两种情况 下控制室压力, 电磁阀及针阀升程的变化情况 (图 4)。进油孔与出油孔面积之比越大,电磁阀 通电后,在单位时间内控制室的压力下降较慢,总 的开启响应时间加长。当电磁阀断电后,单位时 间内控制室的进油量增多,控制室的压力将迅速 回升, 使总的关闭响应时间缩短。取得了和文献 [ 2]一致的结果。 a) b) 图 4 电控喷油器仿真计算结果 F ig. 4 Sim u lat ion result of in jector 为了说明各参数对喷油器动态响应特性的影 响情况,根据仿真结果绘制了喷油器结构参数与 响应特性的空间图谱。从图 5、图 6可以看出,增 大控制室进油孔可以延迟针阀开启, 加速针阀关 闭;增大控制室出油孔可以加速针阀开启,延迟针 阀关闭。从图 7可以看出,控制室进油孔增大会 增加回油率, 控制室出油孔对回油率影响不大。 为了保证针阀迅速开启和关闭,节省额外耗功, 需 要综合考虑喷油器的结构尺寸。 图 5 控制室进出油孔对针阀开启的影响 F ig. 5 R elation between d in, dou t and to1 图 6 控制室进出油孔对针阀关闭的影响 Fig. 6 R elation between d in, dout and tc1 图 7 控制室进出油孔对回油率的影响 F ig. 7 R elation between d in, dou t and rate of back fue l 1. 3 建立喷油器预测函数 为了得到理想的响应特性, 必须综合各种因 素,采用合理的尺寸搭配。电控喷油器工作过程 复杂,涉及到电、磁、液压等诸多因素,其响应特性 与结构参数紧密相连, 而且不存在显式表达式。 #272# 内 燃 机 学 报 第 24卷第 3期 为了完成优化, 首先利用多元回归 [ 3]的方法建立 喷油器结构参数与响应特性的预测函数。 在多元回归模型中,通常在建模时应采集尽 可能多的数据, 尽量把可能有关的自变量和因变 量都包括进来。但事实上并不是所有的自变量对 所有的因变量都有作用。采用逐步回归的方法将 关联紧密的自变量与因变量分组对应, 理论依据 是假设检验原理。逐步回归流程如图 8所示。 图 8 逐步回归流程图 Fig. 8 Flow chart stepw rse regresson 根据喷油器结构参数实际的取值范围,利用 仿真模型得到因变量的观测值, 经过剔除变量及 逐步回归, 得到目标函数的自变量 x (优化参数 域 )和因变量 y (系统性能指标 ) ,则 x= (d in, dou t, V con, dpis, dp in, ks ) y= ( to1, to2, tc1, tc2, r ) 式中: d in为控制室进油孔直径; dout为控制室出油 孔直径; V con为控制室容积; dp is为控制活塞直径; dp in为针阀大端直径; ks为电磁阀弹簧刚度; to1为 电磁阀开启电磁响应时间; to2为电磁阀开启机械 响应时间; tc1为电磁阀关闭电磁响应时间; tc2为电 磁阀关闭机械响应时间; r= Q back Q pen + Q b ack 为单循环 回油率及参数阵 B的估计矩阵 B^。 由此按照确定的自变量值对因变量作出 预测。 图 9、图 10是利用预测函数绘出的控制室进 出油孔直径大小对喷油器动态响应的影响。由图 可见利用预测函数可以得到与仿真结果同样的规 图 9 控制室进出油孔对针阀开启的影响 F ig. 9 R elation between d in, dou t and to1 图 10 控制室进出油孔对针阀关闭的影响 Fig. 10 Re lation be tw een d in , d out and t c1 #273# 2006年 5月 李育学等: 电控喷油器的优化设计 律,因此预测的趋势是可以信赖的。 2 喷油器结构参数的优化 采用目标逼近算法 [ 4]对目标函数进行优化求 解。将优化问题写成如式 ( 3)所示的最小化问 题,我们便可能得到一个合适的指标函数为 m in xI R8 m ax i ( +i ) (3) 其中 + i= F i ( x ) - F * i w i 指标函数为 7 ( x ) = 6 m i= 1 ri m ax{ 0, F i ( x ) - w iC- F * i }, w i = 0 m ax i +i,其他 通过 MATLAB优化工具箱函数 fgoalatta in可 实现上述优化过程。 根据喷油器的实际结构制定各自变量的取值 范围如下: d in I ( 0. 2 mm, 0. 3 mm ) dou t I ( 0. 22mm, 0. 35 mm ) V conI ( 9. 42 mL, 240. 30 mL) ks I ( 3. 5 N /mm, 8 N /mm ) dp is, dp in经过强度校和选了两组值为 dp is= 7mm, dpin = 6mm dp is= 6mm, dpin = 5mm 优化结果为 ygoal= ( 0. 000 6, 0. 000 4, 0. 001 4, 0. 000 9, 0. 136 1) xgoal= ( 0. 24, 0. 35, 40, 6, 5, 5) 图 11所示为优化前后,喷油器电磁阀及针阀 图 11 优化前后电磁阀及针阀的响应比较 Fig. 11 R esponse com parison of so lenoid and p in va lve before and after op tim ization 的响应特性仿真结果比较。可以看出, 优化后喷 油器针阀关闭的响应速度明显提高。 3 电控喷油器的试验研究 为了测试喷油器的响应特性,建立了如图 12 所示的电控喷油器动态特性测试台架。 BOSCH 喷油规律测试仪能够测量转速 n\ 200 r/m in以 上和喷油速率 5 mm 3 / str以上的喷油量随时间的 变化规律。喷油规律信号经电荷放大器, 由 CRAS系统进行数据采集、保存和分析。利用电 控喷油器动态响应试验台架, 对优化前后的两种 喷油器进行了性能测试。 图 13所示为文献 [ 5]所设计的喷油器在一 个控制脉冲下的喷油信号波形。图 14所示为本 图 12 喷油器动态响应测试台架组成 F ig. 12 Schem atic of the test equ ipm en t for the dynam ic response of the in jector 图 13 优化前实际测试结果 F ig. 13 One im pulse and correspond ing in jection signal before opt im ized #274# 内 燃 机 学 报 第 24卷第 3期 文的研究成果, 可见经过优化的喷油器较之优化 前其性能有了显著提高。优化后, 电控喷油器的 喷油可以在经过延迟后的 0. 2ms内开始和结束。 喷油规律波形与喷油控制脉冲波型基本一致。 图 14 优化后实际测试结果 F ig. 14 One impu lse and corresponding injection signal after op tim ized 在喷油器中, 针阀的运动规律与喷油规律具 有很大程度的一致性。由图 15可见,实测的喷油 信号波形与仿真的针阀升程曲线有很好的一致性 ( 5 ms以后的波形为长管法测量的回波 ),说明所 图 15 优化后喷油器仿真结果与实验结果的对比 F ig. 15 Com parison betw een the simu lat ion and the testing re su lts of the opt im ized in jector 采用的仿真优化手段是有效的。 两种喷油器工作相同时间内喷油量、回油量、 漏油量的比较。试验工况: 转速为 750 r /m in, 脉 宽为 1 ms, 测量时间段为 30 s, 共轨腔压力 130 MPa, 燃油利用效率 = 喷油量 / (喷油量 + 回油 量 ), 优化前的燃油利用率为 0. 57; 优化后的燃油 利用率为 0. 688。 比较结果表明喷油器经优化后, 燃油利用效 率得到提高。 4 结 论 ( 1) 运用仿真技术构造系统结构参数与性 能指标的空间图谱, 并建立优化目标函数的方法 是有效的。 ( 2) 经过优化的喷油器 (锥阀 )针阀关闭响 应时间 (针阀由开始落座到完全关闭所用时间 ) 可达 0. 2m s,具有与控制脉冲波形相近的喷油规 律,且有较大的喷回油量比例系数。 ( 3) 喷油器响应的试验结果与仿真结果具 有较好的一致性,说明建立的喷油器仿真模型正 确,选择的仿真计算方法可行, 仿真结果准确可 信,优化过程合理。 参考文献: [ 1] Jo se M Dedantes, Jean A rreg le, P ab leo J Rodr iguez. Computationa lM odel fo r S imu la tion of D iese l In jec tion Sy stem [ C] . SAE Paper 1999-01-0192, 1999. [ 2] 林铁坚, 汪 洋, 苏万华, 等. 高压共轨喷油器设 计参数对性能影响的研究 [ J]. 内燃机学报, 2001, 19( 4) : 289) 294. [ 3] 马振华. 现代应用数学 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 (概率统计与随机过程 卷 ) [ M ]. 北京: 清华大学出版社, 2000, 350) 365. [ 4] 陈仲生, 王新峰. MATLAB辅助优化计算与设计 [M ] . 北京: 电子工业出版社, 2002, 11) 77. [ 5] 邹开凤. 高压共轨电控喷油器的设计研究 [ D ]. 武 汉:海军工程大学, 2004. #275# 2006年 5月 李育学等: 电控喷油器的优化设计