基于ISIGHT和AMESim的超高壓共軌系統(tǒng)軌壓控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

張劍昆,楊 昆,周 磊

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

0 引言

相對(duì)于普通高壓共軌系統(tǒng),超高壓共軌系統(tǒng)可為柴油機(jī)提供壓力更高且霧化效果更好的噴油,同時(shí)由于系統(tǒng)中帶有電控增壓泵,可自由調(diào)節(jié)噴油規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了控制精度高、控制自由度大,同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多目標(biāo)的優(yōu)化[1]。經(jīng)過(guò)研究表明[2],超高壓共軌系統(tǒng)增壓器滯后增壓得到的“靴形噴射”規(guī)律可讓柴油機(jī)獲得最低的油耗率和最高的扭矩。軌壓作為超高壓共軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“靴形噴射”噴射規(guī)律的基礎(chǔ),其穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力顯得尤為重要。相反,若系統(tǒng)內(nèi)軌壓不穩(wěn)定,系統(tǒng)將很難較好地實(shí)現(xiàn)諸如“靴形噴射”等噴射規(guī)律,所以優(yōu)化超高壓共軌系統(tǒng)的軌壓控制顯得十分必要。目前在超高壓共軌系統(tǒng)優(yōu)化領(lǐng)域內(nèi)研究人員多對(duì)現(xiàn)有裝備進(jìn)行優(yōu)化,試圖在不改變柴油機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的前提下做到優(yōu)化提升,通過(guò)優(yōu)化控制模塊或是對(duì)現(xiàn)有小部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如呂曉丹等通過(guò)改進(jìn)型的模糊PID控制器優(yōu)化了傳統(tǒng)PID控制器不能在線控制的問(wèn)題[3],但此類控制器對(duì)控制器的運(yùn)算能力提出了更高的要求,楊昆等通過(guò)對(duì)超高壓共軌系統(tǒng)電磁閥進(jìn)行建模仿真,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了電磁閥的設(shè)計(jì),提高了超高壓共軌系統(tǒng)的響應(yīng)特性[4]。本研究在借助液壓系統(tǒng)仿真軟件的AMESim的基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的超高壓共軌系統(tǒng)臺(tái)架進(jìn)行建模,將仿真數(shù)據(jù)端口留出,同市面上成熟的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化軟件ISIGHT進(jìn)行聯(lián)合,對(duì)共軌管部件進(jìn)行研究,探究各參數(shù)對(duì)軌壓的影響,共軌管參數(shù)和軌壓控制PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而在不對(duì)共軌系統(tǒng)做過(guò)大調(diào)整的前提下,盡可能降低軌壓波動(dòng)同時(shí)提高軌壓靈敏度。

1 共軌系統(tǒng)工作及壓力波動(dòng)產(chǎn)生原理

現(xiàn)代高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)通過(guò)電子控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)中的蓄壓腔壓力和電磁閥的開(kāi)閉,可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的噴油規(guī)律,系統(tǒng)中的容積式蓄壓器可保持管內(nèi)恒定且可調(diào)的壓力。軌壓調(diào)節(jié)方面超高壓共軌系統(tǒng)通過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)燃油流通閥的開(kāi)度,調(diào)節(jié)共軌系統(tǒng)的進(jìn)油量,進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軌壓。超高壓共軌系統(tǒng)中的軌壓波動(dòng)來(lái)源有兩點(diǎn),一是柱塞式供油泵的周期式供油方式導(dǎo)致油路內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng),二是噴油系統(tǒng)終端處噴油器及增壓器電磁閥的周期性開(kāi)閉導(dǎo)致的油路內(nèi)壓力波動(dòng)。而作為燃油噴射的終端,噴油器噴射壓力取決于噴油增壓器的增壓能力和共軌管的基礎(chǔ)壓力,想要得到較為理想的“靴形噴射”,就需要共軌系統(tǒng)的軌壓保持相對(duì)穩(wěn)定[5]。

2 模型搭建

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室高壓共軌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行仿真建模[6],實(shí)驗(yàn)室高壓共軌實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

通過(guò)液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim搭建的超高壓燃油共軌系統(tǒng)如圖2所示。

在AMESim建模過(guò)程中,常會(huì)使用一些功能性模型來(lái)替代技術(shù)性模型,以此來(lái)節(jié)約計(jì)算資源,二者的區(qū)別為功能性元件僅能實(shí)現(xiàn)元件的單一功能,在流體力學(xué)方程方面作了適當(dāng)省略,為了保證從供油管的輸入端油液和從輸油管的輸出油的壓力波動(dòng)等性質(zhì)接近真實(shí)情況,在建模過(guò)程中對(duì)能夠產(chǎn)生壓力波的器件更多采用了技術(shù)性模型而較少采用功能性模型,以盡可能接近真實(shí)情況下的壓力波動(dòng)。而在共軌管建模過(guò)程中,在考慮摩擦力、重力和壁面柔順性的前提下選擇CFD-1D液壓直管模型模擬共軌管內(nèi)部情況[7]。如圖3為技術(shù)性模型和功能性模型區(qū)別。

圖3 功能性模型和技術(shù)性模型區(qū)別

噴油器的設(shè)置上,本次仿真主要目的是對(duì)共軌管幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)為了和實(shí)驗(yàn)室條件保持盡量一致,在噴油器數(shù)量上選擇設(shè)置一個(gè),其余端口做封死處理[8]。

模型中包括了具有完整供油功能的供油泵、穩(wěn)壓閥、共軌輸油管路和噴油器,來(lái)盡可能擬合真實(shí)情況下壓力波的產(chǎn)生狀態(tài)。初始軌壓的設(shè)定思路是,目標(biāo)軌壓和初始軌壓保持一定差值,目的是在檢測(cè)軌壓波動(dòng)的同時(shí)能夠檢測(cè)共軌管的軌壓靈敏度,在一定程度上可以節(jié)約運(yùn)算資源。

超高壓共軌系統(tǒng)中的壓力波產(chǎn)生主要來(lái)自于高壓泵電機(jī)帶動(dòng)曲軸從而帶動(dòng)柱塞泵向共軌管內(nèi)高頻供油產(chǎn)生的壓力波動(dòng);同時(shí)還來(lái)自于電控噴油器和燃油增壓器每個(gè)噴油周期中電磁閥關(guān)閉和開(kāi)啟造成油路局部壓力不平均[9-10]。在模型設(shè)置中,保留了噴油器的電控部分,并設(shè)置周期性的噴油規(guī)律。

2.2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置上,在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架圖紙的基礎(chǔ)上,對(duì)共軌系統(tǒng)的參數(shù)作了設(shè)置,主要的參數(shù)如表1所示,后文中若未特殊說(shuō)明,則全部為默認(rèn)參數(shù)。

表1 仿真模型主要參數(shù)

3 仿真實(shí)驗(yàn)和分析

為了確定能夠最直接影響共軌管軌壓穩(wěn)定性和軌壓靈敏度的幾何參數(shù),分別從共軌管長(zhǎng)度、內(nèi)徑和長(zhǎng)徑比三點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬對(duì)比。由于本文中著重研究共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力波動(dòng)的影響并做優(yōu)化,所以在參數(shù)設(shè)置上對(duì)高壓泵、噴油器參數(shù)不做調(diào)整。

3.1 仿真標(biāo)定

模型建立完畢后,在相同條件下運(yùn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和仿真模型,得到的仿真結(jié)果和運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從對(duì)比圖像可以看出,在0.1 s前實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果存在誤差,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行逐漸穩(wěn)定時(shí),其余時(shí)間二者吻合良好。觀察產(chǎn)生誤差,分析誤差產(chǎn)生原因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行初期油路內(nèi)油壓不穩(wěn)定,實(shí)際控制器運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)控制流量閥開(kāi)度控制進(jìn)油量,進(jìn)而調(diào)節(jié)油壓,且油路壓力傳遞存在延遲,導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程初期存在超調(diào)現(xiàn)象。

3.2 共軌管長(zhǎng)度及內(nèi)徑

參數(shù)設(shè)置上,保持共軌管放置水平,內(nèi)徑為10 mm不變,長(zhǎng)度分別取200、400、600、800 mm,進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果以共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)曲線作為依據(jù),并對(duì)仿真結(jié)果曲線做傅里葉變換,結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同管長(zhǎng)下的仿真結(jié)果

圖6 對(duì)仿真結(jié)果做傅里葉變換

進(jìn)行內(nèi)徑比較實(shí)驗(yàn)時(shí),為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)易于比較,共軌管長(zhǎng)度設(shè)置為400 mm,其余參數(shù)保持不變,共軌管內(nèi)徑分別設(shè)置為5、10、15、20 mm。仿真結(jié)果如下,同樣采用管內(nèi)壓力波動(dòng)曲線為依據(jù)。仿真結(jié)果如圖7所示。同樣由于不易直接從管內(nèi)壓力波動(dòng)圖中進(jìn)行比較,將壓力波動(dòng)曲線進(jìn)行傅里葉變換,結(jié)果如圖8所示。

圖7 不同內(nèi)徑下的仿真結(jié)果

圖8 對(duì)仿真結(jié)果做傅里葉變換

通過(guò)仿真對(duì)比結(jié)果可明顯看出共軌管長(zhǎng)度及內(nèi)徑對(duì)共軌管的軌壓穩(wěn)定性及軌壓靈敏度都有明顯影響,且當(dāng)軌壓靈敏度提高時(shí),軌壓穩(wěn)定度就會(huì)下降。而共軌管容積由上述兩參數(shù)決定,即存在僅調(diào)節(jié)容積即可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的可能,接下來(lái)將對(duì)此進(jìn)行仿真對(duì)比分析。

3.3 共軌管長(zhǎng)徑比

為進(jìn)一步探究共軌管幾何參數(shù)影響,保持共軌管容積一定,同時(shí)其余參數(shù)保持不變,通過(guò)改變共軌管長(zhǎng)徑比[11]來(lái)研究其對(duì)管內(nèi)對(duì)抗壓力波動(dòng)的性能的影響。仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 不同長(zhǎng)徑比下的仿真結(jié)果

圖10 對(duì)仿真結(jié)果做傅里葉變換

從結(jié)果可以看出,改變長(zhǎng)徑比,共軌管的軌壓穩(wěn)定性和靈敏度發(fā)生變化。此組實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在共軌管設(shè)計(jì)中不能只用容積作為單一變量,管徑和管長(zhǎng)對(duì)共軌管軌壓性能的影響是不同的。即應(yīng)該通過(guò)向優(yōu)化軟件中導(dǎo)入管長(zhǎng)和內(nèi)徑兩參數(shù)來(lái)對(duì)共軌管進(jìn)行幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)共軌管簡(jiǎn)單幾何參數(shù)的調(diào)整和仿真模擬,最終確定通過(guò)調(diào)節(jié)共軌管管長(zhǎng)和內(nèi)徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)在仿真對(duì)比分析中可知共軌管軌壓穩(wěn)定性的提高和軌壓靈敏度的提高相矛盾,也為接下來(lái)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立提供了依據(jù)[12]。

4 ISIGHT對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)化

4.1 共軌管幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

要想實(shí)施優(yōu)化,首先要對(duì)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),通過(guò)ISIGHT對(duì)共軌管模型幾何參數(shù)進(jìn)行DOE分析,找出對(duì)共軌管軌壓靈敏度和穩(wěn)定性影響較大的參數(shù)[13]。這個(gè)過(guò)程也稱為參數(shù)靈敏度分析,需要說(shuō)明的是,此次靈敏度分析的主要目的是驗(yàn)證上小結(jié)中關(guān)于幾何參數(shù)變化對(duì)軌壓參數(shù)的影響,同時(shí)探究是否遺漏有關(guān)規(guī)律。

在共軌管性能評(píng)估方面設(shè)置具體量化標(biāo)準(zhǔn),分別為軌壓靈敏度和管壓波動(dòng),二者計(jì)算方法分別為:

T=treach

(1)

S=|Ppeak1-Ppeak2|

(2)

式(1)、式(2)中:treach為軌壓到達(dá)共軌系統(tǒng)標(biāo)定軌壓所用時(shí)間;Ppeak1、Ppeak2分別為當(dāng)軌壓波動(dòng)信號(hào)導(dǎo)數(shù)正負(fù)值不變的時(shí)間段內(nèi),軌壓信號(hào)的極大值和極小值,二者差的絕對(duì)值用來(lái)評(píng)價(jià)共軌管內(nèi)軌壓的壓力波動(dòng)[14]。

首先生成仿真模型的輸入、輸出參數(shù)文件和執(zhí)行文件,這3個(gè)文件可作為ISIGHT中Simcode組件聯(lián)合AMESim的調(diào)用端口[15]。輸入?yún)?shù)選擇共軌管長(zhǎng)single_pipe_length和共軌管直徑pipe_diameter,輸出參數(shù)選擇管壓波動(dòng)shake_value、軌壓穩(wěn)定時(shí)間stable_time、長(zhǎng)徑比length_div_diameter、共軌管容積pipe_volume作為輸出參數(shù),其中輸出參數(shù)管壓波動(dòng)shake_value和軌壓穩(wěn)定時(shí)間stable_time和輸入?yún)?shù)做參數(shù)靈敏度分析。得到的參數(shù)靈敏度圖像如圖11、圖12所示。

圖11 軌壓靈敏度參數(shù)分析

圖12 軌壓波動(dòng)參數(shù)分析

分別得到關(guān)于軌壓穩(wěn)定時(shí)間和管壓波動(dòng)的pareto圖。從其中能夠明確得出共軌管長(zhǎng)和共軌管直徑對(duì)軌壓影響,隨著管長(zhǎng)和管徑的增加,共軌管的軌壓靈敏度降低,同時(shí)共軌管的抗波動(dòng)性能提高。

共軌管參數(shù)靈敏度分析結(jié)束后,將ISIGHT工作流中的task替換成Optimization,即可進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[16],在優(yōu)化算法的選擇上,由于在本研究中AMESim仿真模型的單次運(yùn)算時(shí)間為7 min,在算法選擇上傾向于選擇能在較少迭代步數(shù)的前提下快速收斂于全局最優(yōu)、同時(shí)還能避免過(guò)快收斂陷入局部最優(yōu)的算法,綜合考慮選擇NSGA-Ⅱ[17]。文中選擇在管徑范圍6～12 mm、管長(zhǎng)200～800 mm,這是實(shí)驗(yàn)臺(tái)架能夠接受的尺寸范圍,對(duì)管壓波動(dòng)量shake_value和管壓穩(wěn)定時(shí)間stable_time優(yōu)化,過(guò)程如圖13所示。經(jīng)過(guò)241此迭代計(jì)算優(yōu)化結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖13 ISIGHT優(yōu)化流程圖

圖14 以軌壓波動(dòng)為目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程

圖15 以軌壓靈敏度為目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程

優(yōu)化后共軌管幾何參數(shù)為,共軌管徑為12 mm,管長(zhǎng)320 mm,優(yōu)化結(jié)果和對(duì)比如圖16、圖17所示。

圖16 優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖17 優(yōu)化前后對(duì)比結(jié)果傅里葉變換圖

如表2所示,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)管壓穩(wěn)定時(shí)間為0.065 7 s,軌壓波動(dòng)為26.284 bar,較初始模型參數(shù)設(shè)置模擬量相比,軌壓穩(wěn)定時(shí)間縮短了1.06%,軌壓波動(dòng)減小了9.13%。

表2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

4.2 共軌系統(tǒng)軌壓控制PID參數(shù)優(yōu)化

更新共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)后,共軌管的軌壓性能發(fā)生了改變,原有的軌壓控制PID控制參數(shù)也需要重新計(jì)算確定。完成對(duì)共軌管幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后,同樣利用ISIGHT的NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法對(duì)PID軌壓控制器的P、I、D 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),來(lái)達(dá)到軌壓控制的綜合優(yōu)化效果。本研究中的PID控制器原理為,通過(guò)控制流通閥的開(kāi)度電流進(jìn)而控制進(jìn)油量大小,進(jìn)而控制共軌管軌壓。如圖18為AMESim的PID軌壓控制器仿真圖。

圖18 軌壓控制器仿真圖

此次優(yōu)化目標(biāo)為軌壓靈敏度stable_time和目標(biāo)軌壓偏移值error_value,目標(biāo)軌壓為1 000 bar,二者的優(yōu)化目標(biāo)均為最小,優(yōu)化結(jié)果如圖19、圖20所示。優(yōu)化前后對(duì)比如圖21所示。

圖19 以軌壓靈敏度為目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程

圖20 以目標(biāo)軌壓偏移值為目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程

圖21 優(yōu)化前后對(duì)比圖

優(yōu)化后的PID控制參數(shù)對(duì)比優(yōu)化前,在軌壓靈敏度和快速穩(wěn)定在目標(biāo)軌壓的能力均有提升,同時(shí)優(yōu)化了PID控制經(jīng)常出現(xiàn)的超調(diào)問(wèn)題,證明此種方法的實(shí)用性較強(qiáng)。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)AMESim對(duì)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模,初步探明共軌管幾何參數(shù)改變對(duì)共軌管抗壓力波動(dòng)性能和共軌管軌壓靈敏度的影響。

2) 分別設(shè)定降低共軌管軌壓波動(dòng)和提高共軌管軌壓靈敏度為目標(biāo),運(yùn)用NSGA-Ⅱ算法對(duì)共軌管模型進(jìn)行優(yōu)化,得到在指定軌壓下共軌管幾何參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì),隨后又對(duì)PID軌壓控制參數(shù)作了優(yōu)化,最終軌壓穩(wěn)定性提升9.13%,軌壓反應(yīng)時(shí)間縮短1.06%。

3) 通過(guò)基于AMESim與ISIGHT聯(lián)合的優(yōu)化方法不需要進(jìn)行復(fù)雜建模和算法設(shè)計(jì),較易操作,優(yōu)化效率高,可為共軌管產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供初期參考。