應(yīng)用Isight集成Boost對發(fā)動機的性能進行優(yōu)化

2016-10-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著能源問題的日益嚴峻,柴油機節(jié)能已成為產(chǎn)品性能開發(fā)過程中一個十分重要的指標。同時排放法規(guī)的日趨嚴格也是柴油機行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。這兩點原因促進了柴油機燃油經(jīng)濟性、動力性及排放等性能的不斷提高。柴油機性能的提高需要通過有效地組織整機的熱力過程、合理地選擇工作過程的參數(shù)及與之有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)。這就是柴油機的性能優(yōu)化工作。過去,柴油機優(yōu)化完全通過試驗進行,導(dǎo)致工作量過大,耗費大量的人力、物力。近年來,柴油機性能仿真在行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。計算機仿真技術(shù)解除了設(shè)計者的繁重勞動,同時大幅度縮短研制周期。

AVL—BOOST軟件是一種基于進排氣系統(tǒng)的一維動力學(xué)計算的性能仿真軟件。通過該軟件可以實現(xiàn)對充量過程、增壓器匹配和進排氣管路的基本尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。但是該軟件中沒有附帶DOE模塊,這一問題導(dǎo)致了該軟件無法對柴油機進行多變量和多目標的大量試驗研究。

為了解決這一問題,本文采用了Isight優(yōu)化軟件來控制柴油機性能優(yōu)化計算過程。

1、BooST模型的建立

OOST整機計算模型主要由氣缸、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、增壓器和中冷器組成。計算模型必須由試驗數(shù)據(jù)來進行模型標定,否則計算結(jié)果精度太差。本次計算采用了詳細的試驗數(shù)據(jù)進行模型標定,對計算結(jié)果影響極大的參數(shù)(如放熱率和增壓器參數(shù)等)采用了試驗數(shù)據(jù),這樣就保證了計算模型具有足夠高的計算模型。

對于計算模型標定,本文只抽取了缸內(nèi)壓力的標定數(shù)據(jù)。

圖中Measurement代表試驗數(shù)據(jù),Simulation代表計算數(shù)據(jù)。由計算模型的標定結(jié)果可以看出計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的差異小于3%的工程要求。因此計算模型是可靠的,其計算精度滿足工程的使用要求。

2、優(yōu)化計算壓縮比與噴油提前角的優(yōu)化

優(yōu)化目標:油耗最低,爆壓不超標

自變量參數(shù):燃燒提前角、壓縮比

計算結(jié)果見圖7和圖8,在額定點隨著燃燒時刻的提前及壓縮比的增大,發(fā)動機油耗降低,但是燃燒爆發(fā)壓力急劇升高。計算結(jié)果表明油耗受燃燒提前角影響比較明顯,壓縮比對爆發(fā)壓力的影響比較明顯。本機型的爆壓限值是160bar,因此綜合來考慮選取18作為最終的優(yōu)化結(jié)果。

圖中:BSFC表示燃油消耗率;SOC表示燃燒始點PFP表示缸內(nèi)最高壓力。其他工況點的優(yōu)化過程和額定點相同,不再重復(fù)。

3、優(yōu)化任務(wù)介紹

優(yōu)化函數(shù)模型描述:

目標函數(shù):minF(x) = min(1/v) v 為個計算點充氣效率的均值

設(shè)計變量:進氣管容積V1、排氣管內(nèi)徑D1

約束條件:0.015≤V1≤0.027m;0.00015≤D1≤0.0004m3

參數(shù)設(shè)置

進排氣管管徑優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化策略選用模擬退火算法,

優(yōu)化結(jié)果:標定點充氣效率增加了0.11%,最大轉(zhuǎn)矩點充氣效率提高了0.48%,低速點充氣效率提高了0.28%。

3.1、氣門定時優(yōu)化

氣門定時對發(fā)動機充氣過程的影響很大。通過氣門定時的優(yōu)化可以提高發(fā)動機的充氣系數(shù),降低發(fā)動機的泵氣損失,進而達到對發(fā)動機油耗率和排放性能的影響。

優(yōu)化任務(wù)介紹

優(yōu)化函數(shù)模型描述:

目標函數(shù):minF(x) = min(1/v) v 為個計算點充氣效率的均值

設(shè)計變量:IV0、IVC、EVO、EVC

約束條件:氣門不和活塞發(fā)生干涉

優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化策略選用了多島遺傳算法

優(yōu)化結(jié)果:4200rpm充氣效率降低1.06%,2200rpm充氣效率提高5.98%,1000rpm充氣效率提高6.02%。

3.2、優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,同時結(jié)合發(fā)動機氣門的運動學(xué)和動力學(xué)設(shè)計了新的氣門升程方案。新設(shè)計的氣門定時方案和優(yōu)化的結(jié)果有一點差異,主要是兼顧氣門機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)性能。新舊兩種方案的性能對比如圖21所示,可以看出新設(shè)計方案大幅度地提高了中低速段的充氣效率。

3.3優(yōu)化結(jié)果驗證