壓電式噴油器多參數(shù)優(yōu)化匹配研究

劉楠，劉振明，龔鑫瑞，黃新源，周磊

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

高壓共軌燃油系統(tǒng)具有噴射壓力高、噴油速率可調(diào)的特點(diǎn)，能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)噴油參數(shù)的調(diào)節(jié)而不受發(fā)動(dòng)機(jī)工況影響，可有效降低柴油機(jī)的排放和油耗，成為當(dāng)前柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主流[1-4]?；趬弘姴牧夏鎵弘娦?yīng)的壓電式噴射技術(shù)作為新興的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，與電磁式噴油器相比，具有驅(qū)動(dòng)力大、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)勢，特別是其更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高了噴射系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，更好地實(shí)現(xiàn)了靈活多變的高壓力燃油噴射[5-7]。

作為共軌系統(tǒng)的核心，壓電噴油器具有復(fù)雜且動(dòng)態(tài)的電-機(jī)-液耦合特性，驅(qū)動(dòng)器、各燃油腔室、油道以及針閥體的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接關(guān)系著內(nèi)部燃油流動(dòng)和針閥響應(yīng)，進(jìn)而影響噴油器燃油噴射過程[8-9]。采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，進(jìn)行快速、靈活多變的噴油器參數(shù)調(diào)節(jié)，獲取噴油器參數(shù)優(yōu)化的仿真結(jié)果，是十分便捷的手段。劉斌等[10]開展了進(jìn)出油孔的當(dāng)量燃油流通面積比和控制信號(hào)脈寬及間隔對(duì)噴油器多次噴射響應(yīng)特性和噴油規(guī)律的影響；胡云峰等[11]基于改進(jìn)型遺傳算法對(duì)共軌系統(tǒng)的阻尼孔直徑和共軌管體積進(jìn)行了優(yōu)化；范立云等[12]提出了雙密封面電控噴油器，仿真分析了其在噴油響應(yīng)和回油量特性方面的優(yōu)勢，并得到影響循環(huán)油量的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本研究針對(duì)自行研制的壓電式噴油器，基于AMESim軟件建立了壓電式噴油器電-機(jī)-液一維數(shù)學(xué)模型，以噴油器針閥響應(yīng)特性指標(biāo)為優(yōu)化對(duì)象，獲取對(duì)噴油器響應(yīng)特性影響權(quán)重較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別采用正交試驗(yàn)優(yōu)化(DOE)和遺傳算法優(yōu)化方法對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)噴油器噴射性能的改善。

1 壓電噴油器數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

1.1 壓電式噴油器工作原理

在原有的電磁閥式噴油器主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用積層式壓電驅(qū)動(dòng)器替代電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)針閥運(yùn)動(dòng)的控制(見圖1)，主要包括積層式壓電驅(qū)動(dòng)器、噴油器體、噴油嘴組件、含有兩個(gè)進(jìn)出節(jié)流孔的控制腔、控制活塞(含挺桿)、壓桿、球閥及閥座等。其中，積層式壓電驅(qū)動(dòng)器是通過多層壓電陶瓷片機(jī)械上串聯(lián)、電路上并聯(lián)的方式高溫?zé)Y(jié)而成，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器更大的位移量。

圖1 壓電式噴油器示意

當(dāng)壓電驅(qū)動(dòng)器未激勵(lì)時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)器處于初始長度，球閥壓桿在壓桿彈簧的作用下壓緊球閥，使出油節(jié)流孔關(guān)閉，控制腔和噴嘴壓力腔的燃油壓力與高壓油路的壓力一致。針閥在控制活塞上端的液壓力和針閥彈簧力的作用下緊貼于針閥座而保持關(guān)閉狀態(tài)，噴油器處于不工作狀態(tài)。當(dāng)壓電驅(qū)動(dòng)器充電時(shí)，在逆壓電效應(yīng)下，壓電驅(qū)動(dòng)器向上位移伸長，工作桿克服壓桿彈簧彈力，打開球閥，控制腔內(nèi)部燃油經(jīng)過出油孔與球閥泄出，腔內(nèi)壓力下降，針閥受噴嘴壓力腔和囊室的作用向上運(yùn)動(dòng)，噴油器開始噴油。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

噴油器機(jī)械-液壓系統(tǒng)包括液壓腔、孔和機(jī)械連接部分。噴油器正常工作時(shí)，燃油流動(dòng)的關(guān)鍵腔室為球閥腔、控制腔、壓力腔和噴嘴囊室，此外，共軌腔和回油箱在仿真中作無限大容器處理。壓電噴油器數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)見表1。

表1 壓電噴油器主要參數(shù)

模型中通過機(jī)械、液力元件模擬噴油器的各個(gè)部分，各元件計(jì)算模塊的輸入?yún)?shù)根據(jù)噴油器實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，元件內(nèi)部函數(shù)計(jì)算方程主要有：

流體的連續(xù)性方程為

(1)

式中：ρ為燃油密度；u為燃油流速；A為油道流通面積。

流體可壓縮性方程為

(2)

式中：P為腔室燃油壓力；E為燃油彈性模量；V為腔室容積。

流入和流出腔室的燃油流量為

(3)

式中：μ為油孔流量系數(shù)；ΔP為油孔兩側(cè)壓力差；Aori為孔有效流通面積。

燃油泄漏通常發(fā)生在控制活塞與控制腔殼體之間，為同心環(huán)間隙燃油泄漏[12]，

(4)

式中：dC為控制活塞直徑；δC為控制活塞與控制腔殼體的環(huán)形間隙；η為動(dòng)力學(xué)黏度；LC為控制活塞與控制腔殼體配合面的密封長度；PN和PC分別為壓力腔和控制腔的燃油壓力。

機(jī)械系統(tǒng)模型為針閥、彈簧、針閥壓桿以及控制活塞共同組成的單自由度的二階振蕩系統(tǒng)模型，其運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

式中：m為運(yùn)動(dòng)塊質(zhì)量；x為運(yùn)動(dòng)塊位移；f為摩擦力；P為液壓腔壓力；AP液壓受力面積；K為彈性系數(shù)；Cr為阻力系數(shù)。

基于經(jīng)典壓電方程建立壓電驅(qū)動(dòng)器機(jī)-電模型，式中：變量下標(biāo)的第一個(gè)3表示電場的方向，第二個(gè)3表示沿執(zhí)行器位移伸縮方向分量；S3為壓電陶瓷片產(chǎn)生的應(yīng)變；T3為是應(yīng)力；E3為電場強(qiáng)度；ε33為壓電陶瓷介電常數(shù)；d33為壓電常數(shù)；Y33為壓電陶瓷彈性模量；D3為電位移，D3=q/A，其中，q為壓電執(zhí)行器的總電荷。

(6)

圖2 壓電噴油器數(shù)學(xué)模型

本研究采用AMEsim軟件對(duì)噴油器系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模(見圖2)。

1.3 模型的驗(yàn)證

在共軌系統(tǒng)噴油特性測試平臺(tái)上，采用EMI 2瞬時(shí)噴油規(guī)律測試儀對(duì)壓電噴油器進(jìn)行試驗(yàn)測試。試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。試驗(yàn)過程中，驅(qū)動(dòng)電壓為150 V，噴射背壓為0.5 MPa，對(duì)軌壓110 MPa、脈寬1.5 ms和軌壓90 MPa、脈寬1 ms兩個(gè)工況下的噴油規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證。圖4示出噴油器噴油速率的試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比?？梢钥闯?，計(jì)算得到的噴油規(guī)律曲線與試驗(yàn)值基本一致，表明了模型的準(zhǔn)確性。

圖3 噴油特性測試平臺(tái)

圖4 噴油速率試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

2 基于正交設(shè)計(jì)的多參數(shù)優(yōu)化

2.1 正交方案設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是在噴油器有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，選取對(duì)噴油器性能影響權(quán)重最大的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以改善噴射過程。本研究以針閥響應(yīng)時(shí)間作為評(píng)價(jià)噴射性能的標(biāo)準(zhǔn)。針閥響應(yīng)時(shí)間包括驅(qū)動(dòng)器通電到驅(qū)動(dòng)器斷電的整個(gè)過程，具體響應(yīng)指標(biāo)包括：開啟延遲tod(驅(qū)動(dòng)器通電到針閥開始抬起)、開啟時(shí)間tr(針閥開始抬起到完全開啟)、關(guān)閉延遲tdc(驅(qū)動(dòng)器放電到針閥開始落座)和關(guān)閉時(shí)間td(針閥開始落座到完全關(guān)閉)，各響應(yīng)指標(biāo)定義如圖5所示。

圖5 響應(yīng)特性指標(biāo)

2.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

壓電式噴油器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各腔室、油路以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)影響噴油器的響應(yīng)特性，如噴孔直徑，驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊力，針閥最大升程，針閥彈簧預(yù)緊力，控制活塞直徑，控制腔容積，進(jìn)、出油孔直徑等等。如果對(duì)所有結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則計(jì)算成本高且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。研究采用結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度量化分析，即通過將所有影響因素對(duì)目標(biāo)值的影響進(jìn)行百分比量化，來評(píng)價(jià)各因素的影響顯著程度[7]。圖6示出軌壓100 MPa，噴油脈寬為1.5 ms時(shí)各參數(shù)對(duì)噴油器針閥響應(yīng)時(shí)間和噴油量影響權(quán)重，在各結(jié)構(gòu)參數(shù)空間許可范圍內(nèi)，對(duì)影響壓電噴油器針閥響應(yīng)特性的主要因素進(jìn)行靈敏度分析。可知進(jìn)油孔直徑din、出油孔直徑dout、控制腔容積V、控制活塞直徑dc、針閥彈簧預(yù)緊力f等5個(gè)參數(shù)對(duì)壓電噴油器噴油過程的影響程度最大，因此，對(duì)5個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，各因素采用4水平進(jìn)行設(shè)置，各結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取范圍以原有的結(jié)構(gòu)尺寸為依據(jù)。噴孔直徑保持不變，為0.20 mm，油量能夠滿足噴油器基本要求。噴油器的具體參數(shù)設(shè)置見表2。

圖6 各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響權(quán)重

表2 各因素的水平設(shè)置

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)制定的5因素4水平構(gòu)造正交試驗(yàn)表，采用簡易綜合公式評(píng)分法，根據(jù)所得計(jì)算結(jié)果，求出各試驗(yàn)指標(biāo)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)公式得到量綱1參數(shù)，便于各參數(shù)值的比較，將優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)進(jìn)行處理；按照各參數(shù)對(duì)目標(biāo)值的影響程度來確定權(quán)值，同時(shí)建立兼顧針閥開啟延遲時(shí)間、開啟時(shí)間、關(guān)閉延遲時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間等四項(xiàng)指標(biāo)綜合效應(yīng)的公式：

(7)

式中：S1，S2，S3，S4分別為四項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行仿真計(jì)算，記錄每次針閥運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算出各自的標(biāo)準(zhǔn)差，得出各自的綜合評(píng)分值(見表3)。同時(shí)，根據(jù)各試驗(yàn)因素的極差值R確定最優(yōu)水平。

表3 仿真計(jì)算方案及結(jié)果

針閥開啟和關(guān)閉過程中的響應(yīng)特性指標(biāo)都是以取最小值為最優(yōu)水平，所以根據(jù)最小值來確定的最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)值為：進(jìn)油孔直徑0.26 mm；出油孔直徑0.33 mm；控制腔容積0.015 cm3；控制活塞直徑4.3 mm；彈簧預(yù)緊力50 N。優(yōu)化后的針閥響應(yīng)特性和噴油速率曲線與優(yōu)化前對(duì)比結(jié)果如圖7和圖8所示。與優(yōu)化前相比，針閥開啟縮短了0.13 ms，關(guān)閉時(shí)間縮短了0.12 ms，處于最大升程的時(shí)間增加，針閥關(guān)閉時(shí)刻提前，有利于噴油器快速斷油，減少后燃顆粒物的產(chǎn)生。噴油速率曲線整體向左平移，噴油速率峰值的持續(xù)時(shí)間增加。

圖7 優(yōu)化前后針閥響應(yīng)特性對(duì)比(基于正交設(shè)計(jì))

圖8 優(yōu)化前后噴油速率對(duì)比

3 基于遺傳算法的多參數(shù)優(yōu)化

3.1 基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化方法

利用遺傳算法能夠很方便地進(jìn)行多目標(biāo)多參數(shù)的優(yōu)化，以軌壓100 MPa，噴油脈寬為1.5 ms工況下針閥開啟延遲tod、開啟時(shí)間tr、關(guān)閉延遲tdc和關(guān)閉時(shí)間td同時(shí)最小作為最終優(yōu)化目標(biāo)，同樣選取進(jìn)油孔直徑din、出油孔直徑dout、控制腔容積V、控制活塞直徑dc、針閥彈簧預(yù)緊力f等作為優(yōu)化變量，優(yōu)化變量的取值見表4。

表4 優(yōu)化變量的取值范圍

選擇AMESim軟件中的參數(shù)優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)定種群大小為100，復(fù)制概率為80%，變異概率為10%。將初始值輸入AMESim進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化算法根據(jù)目標(biāo)函數(shù)適應(yīng)度進(jìn)行選擇，并完成遺傳變異和交換等操作，運(yùn)行優(yōu)化運(yùn)算，尋找最優(yōu)解。整個(gè)優(yōu)化過程共進(jìn)行了168次運(yùn)算，得到最終優(yōu)化參數(shù)值：進(jìn)油孔直徑取0.275 mm；出油孔直徑取0.329 mm；控制腔容積取0.010 cm3；控制活塞直徑取4.2 mm；針閥彈簧預(yù)緊力取42.71 N。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

正交優(yōu)化法在多因素多指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過程中能最大程度地利用數(shù)據(jù)信息，并清晰反映出因素對(duì)指標(biāo)的重要程度，但正交優(yōu)化設(shè)計(jì)所得結(jié)果僅僅能體現(xiàn)近似解，而并非全局解。遺傳算法能夠進(jìn)行優(yōu)化空間的全局尋優(yōu)，比單純地應(yīng)用正交設(shè)計(jì)分析更可取。表5示出優(yōu)化前和兩種方法優(yōu)化后的針閥運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果，可以看出經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化，針閥的響應(yīng)特性結(jié)果更加理想。從噴油器優(yōu)化結(jié)果可以看出，針閥的上升時(shí)間和下降時(shí)間都有顯著降低，提高了噴油器的液力響應(yīng)特性。

表5 針閥響應(yīng)特性的優(yōu)化結(jié)果

圖9示出優(yōu)化前后噴油器針閥運(yùn)動(dòng)升程曲線。可以看出，參數(shù)優(yōu)化后噴油器針閥運(yùn)動(dòng)升程曲線有很大的改善，響應(yīng)速度提高，噴油器開啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間分別減少了23.6%和13.3%。針閥運(yùn)動(dòng)速度加快，延遲時(shí)間減小，可以靈活地實(shí)現(xiàn)3次噴射的要求。另外，針閥上升速度增加，提前達(dá)到最大升程位置，使較高噴油速率的維持時(shí)間增加，單位時(shí)間內(nèi)噴油量也增大。經(jīng)過優(yōu)化后的噴油器有利于針閥的快速開啟和快速關(guān)閉，可以獲得理想的噴油規(guī)律，減少后燃，降低有害排放。

圖9 優(yōu)化前后針閥響應(yīng)特性對(duì)比(基于遺傳算法)

4 結(jié)束語

針對(duì)自行研制的壓電式噴油器，基于AMESim軟件建立了壓電噴油器一維電-機(jī)-液耦合數(shù)學(xué)模型，以噴油器響應(yīng)特性指標(biāo)為優(yōu)化對(duì)象，獲得對(duì)噴油器性能影響權(quán)重較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別采用正交試驗(yàn)優(yōu)化(DOE)和遺傳算法對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后結(jié)果表明：采取遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化使得針閥的響應(yīng)特性結(jié)果更加理想，優(yōu)化后針閥開啟延遲縮短了16%，開啟時(shí)間減少了23.6%，關(guān)閉延遲縮短了13.6%，關(guān)閉時(shí)間減少了13.3%，針閥響應(yīng)特性獲得了較大程度的提升，有利于實(shí)現(xiàn)小油量噴射和多次噴射。