引言
隨著能源問題的日益嚴(yán)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(biāo)。同時排放法規(guī)的日趨嚴(yán)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(biāo)的大量試驗研究。
為了解決這一問題，本文采用了Isight9.0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
BOOST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(biāo)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(biāo)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。
表1 發(fā)動機基本性能參數(shù)
對于計算模型標(biāo)定，本文只抽取了缸內(nèi)壓力的標(biāo)定數(shù)據(jù)。
圖1 發(fā)動機計算模型
圖2 氣缸壓力（4200r/min時）
圖3 氣缸壓力（2200r/min時）
圖4 氣缸壓力（1000r/min時）
圖5 油耗率
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(biāo)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
2.1Isight集成BOOST
圖6 Isight集成boost
2.2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7 BSFC與燃燒提前角、壓縮比關(guān)系圖
圖8 PFP與燃燒提前角、壓縮比關(guān)系圖
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)。
2.3進排氣管管徑優(yōu)化
2.3.1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3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
約數(shù)條件：0.015≤VI≤0.027m;0.00015≤D1≤0.0004m3
2.3.2集成過程
集成過程如圖6所示。
2.3.3參數(shù)設(shè)置（參數(shù)設(shè)置如圖9所示）
圖9 進排氣管管徑優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
2.3.4優(yōu)化結(jié)果分析
優(yōu)化策略選用模擬退火算法，變量Vl、D1的迭代優(yōu)化過程如圖10~圖13所示。
圖10 V1優(yōu)化歷程
圖11 D1優(yōu)化歷程
圖12 目標(biāo)優(yōu)化歷程
圖13 優(yōu)化結(jié)果
圖中：V1表示進氣管容積大小，D1表示排氣管管徑大小。
優(yōu)化結(jié)果：標(biāo)定點充氣效率增加了0.11010，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%。
2.4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。
2.4.1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3個計算點充氣效率的均值
設(shè)計變量：IVO、IVC、EVO、EVC
約數(shù)條件：氣門不和活塞發(fā)生干涉
2.4.2集成過程
集成過程和圖6類似，不再重復(fù)。
2.4.3參數(shù)設(shè)置
參數(shù)設(shè)置如圖14所示，對優(yōu)化目標(biāo)采用了離散變量的形式，這樣做的目的主要是減少優(yōu)化次數(shù)，縮短優(yōu)化計算時間。
圖14 氣門定時優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
2.4.4優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化策略選用了多島遺傳算法，優(yōu)化過程迭代了242步收斂，如圖15~圖20所示。
圖15 IVC優(yōu)化歷程
圖16 IVO優(yōu)化歷程
圖17 EVC優(yōu)化歷程
圖18 EVO優(yōu)化歷程
圖19 V2優(yōu)化歷程
圖20 優(yōu)化結(jié)果
圖中：IVO代表進氣門開啟角，IVC代表進氣門關(guān)閉角，EVO代表排氣門開啟角，EVC代表排氣門關(guān)閉角。
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%。
2.5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。
圖21 計算方案優(yōu)化結(jié)果
3 優(yōu)化結(jié)果驗證
通過優(yōu)化可以看出進排氣管徑對發(fā)動機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)計了凸輪軸，試驗結(jié)果如圖22所示，從圖中可以看出，試驗結(jié)果和優(yōu)化結(jié)果的趨勢一致。
圖22 優(yōu)化結(jié)果試驗驗證
4 結(jié)論
1)通過ISIGHT對Boost的集成，實現(xiàn)了熱力學(xué)計算的自動化優(yōu)化，降低了工程師的勞動強度，提高了工作效率，為發(fā)動機的開發(fā)設(shè)計和性能提升提供了指導(dǎo)。
2)ISICHT軟件為柴油機的優(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。
3)ISIGHT集成一維軟件進行優(yōu)化耗時較少，在工程上能接受。本文中的進排氣管優(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）。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.oesoe.com/
本文標(biāo)題：應(yīng)用Isight集成Boost對發(fā)動機的性能進行優(yōu)化
本文網(wǎng)址：http://www.oesoe.com/html/support/11121515200.html
相關(guān)文章
