應(yīng)用Isight集成Boost對發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)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(yán)峻,柴油機(jī)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(biāo)。同時排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格也是柴油機(jī)行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。這兩點(diǎn)原因促進(jìn)了柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性及排放等性能的不斷提高。柴油機(jī)性能的提高需要通過有效地組織整機(jī)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(shí)現(xiàn)。這就是柴油機(jī)的性能優(yōu)化工作。過去,柴油機(jī)優(yōu)化完全通過試驗(yàn)進(jìn)行,導(dǎo)致工作量過大,耗費(fèi)大量的人力、物力。近年來,柴油機(jī)性能仿真在行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)解除了設(shè)計(jì)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(jìn)排氣系統(tǒng)的一維動力學(xué)計(jì)算的性能仿真軟件。通過該軟件可以實(shí)現(xiàn)對充量過程、增壓器匹配和進(jìn)排氣管路的基本尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jī)進(jìn)行多變量和多目標(biāo)的大量試驗(yàn)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(jī)性能優(yōu)化計(jì)算過程。

1、BooST模型的建立

OOST整機(jī)計(jì)算模型主要由氣缸、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、增壓器和中冷器組成。計(jì)算模型必須由試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行模型標(biāo)定,否則計(jì)算結(jié)果精度太差。本次計(jì)算采用了詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型標(biāo)定,對計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù),這樣就保證了計(jì)算模型具有足夠高的計(jì)算模型。

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

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

2、優(yōu)化計(jì)算壓縮比與噴油提前角的優(yōu)化

優(yōu)化目標(biāo):油耗最低,爆壓不超標(biāo)

自變量參數(shù):燃燒提前角、壓縮比

計(jì)算結(jié)果見圖7和圖8,在額定點(diǎn)隨著燃燒時刻的提前及壓縮比的增大,發(fā)動機(jī)油耗降低,但是燃燒爆發(fā)壓力急劇升高。計(jì)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(jī)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(diǎn)PFP表示缸內(nèi)最高壓力。其他工況點(diǎn)的優(yōu)化過程和額定點(diǎn)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(biāo)函數(shù):minF(x) = min(1/v) v 為個計(jì)算點(diǎn)充氣效率的均值

設(shè)計(jì)變量:進(jìn)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(jìn)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(biāo)定點(diǎn)充氣效率增加了0.11%,最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)充氣效率提高了0.48%,低速點(diǎn)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(jī)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(jī)的充氣系數(shù),降低發(fā)動機(jī)的泵氣損失,進(jìn)而達(dá)到對發(fā)動機(jī)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(biāo)函數(shù):minF(x) = min(1/v) v 為個計(jì)算點(diǎn)充氣效率的均值

設(shè)計(jì)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(jī)氣門的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)設(shè)計(jì)了新的氣門升程方案。新設(shè)計(jì)的氣門定時方案和優(yōu)化的結(jié)果有一點(diǎn)差異,主要是兼顧氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jì)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(yàn)證

通過優(yōu)化可以看出進(jìn)排氣管徑對發(fā)動機(jī)充氣效率的影響很小,而氣門定時對充氣效率的影響很大。因此按照優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)了凸輪軸,試驗(yàn)結(jié)果如圖22所示,從圖中可以看出,試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化結(jié)果的趨勢一致。

4、結(jié)論

a) 通過ISIGHT對Boost的集成,實(shí)現(xiàn)了熱力學(xué)計(jì)算的自動化優(yōu)化,降低了工程師的勞動強(qiáng)度,提高了工作效率,為發(fā)動機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)和性能提升提供了指導(dǎo)。

b) ISIGHT軟件為柴油機(jī)的優(yōu)化提供了一個很好的平臺,使得復(fù)雜的優(yōu)化變得簡單可行。

c) SIGHT集成一維軟件進(jìn)行優(yōu)化耗時較少,在工程上能接受。本文中的進(jìn)排氣管優(yōu)化共迭代52步(大約耗時12h),氣門定時優(yōu)化共迭代242步(大約耗時36h)。

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