一种mpc引射喷管直径的优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明创造属于内燃机设计技术领域，具体涉及一种MPC引射喷管直径的优化设 计方法。
【背景技术】
[0002] MPC排气系统引射喷管截面的变化会影响排气背压和栗气损失，对发动机性能影 响比较敏感。尤其对于高增压柴油机而言，合理的引射喷管直径可以提高废气流速，减少对 邻近气缸干扰，并能提高排气脉冲能量。因此，引射喷管直径是MPC排气系统结构设计中的 重要优化参数。以往确定引射管直径的方法有一定的片面性，其只考虑引射喷管本身对气 流运动状态的影响，只能定性分析喷管直径变化对排气压力波的影响，而不能定量分析其 对发动机排气脉冲能量的影响，因而也不能从排气脉冲能量的角度对引射管直径进行优化 设计。
【发明内容】
[0003] 针对传统设计方法中对MPC引射喷管直径优化过程的片面性，本发明所要解决的 技术问题是:提供一种更加全面的MPC引射喷管直径的优化设计方法。为分析引射喷管直径 对排气脉冲能量的影响，本发明基于发动机性能仿真和热力学分析，综合分析了排气门节 流导致的可用能损失及排气管路可用能损失随引射喷管直径的变化趋势，并通过优化得到 排气系统可用能损失量最小时对应的引射喷管直径。该优化方法能够指导MPC排气系统设 计阶段中关于引射喷管直径的设计。
[0004] 本发明创造提供的MPC引射喷管直径的优化设计方法，包括下述步骤：
[0005] S1:确定发动机结构和性能参数，确定MPC引射喷管直径的初始值；
[0006] S2:确定MPC引射喷管进口直径的允许范围，并根据设计精度设置合适的直径水平 数及步长，获得不同的引射喷管直径d;
[0007] S3:分别将不同的引射喷管直径输入仿真模型进行整机性能仿真计算；
[0008] S4:根据仿真结果计算各引射喷管直径下的排气门可用能损失和排气管路可用能 损失，并分别拟合得到可用能损失关于引射喷管直径的方程；
[0009] S5:得到排气系统可用能损失关于引射喷管直径的关系式，求解排气系统最小可 用能损失对应的引射喷管直径，即为喷管直径的最优值。
[0010] 其中，所述步骤S1中MPC引射喷管直径的初始值，从尽可能利用气缸先期排气能量 的角度出发，希望选用较小直径的引射喷管，但从减小排气管沿程阻力出发，又希望有较大 直径的引射喷管，一般情况下，MPC引射喷管直径的初始值(亦即MPC系统引射喷管的进口截 面直径）由下式(1)确定：
[0011] 引射喷管的进口截面直径？T=M.D (!)
[0012] 式（1)中：D为气缸直径;Μ为经验系数，一般取值为0.39，为计算简便可取值为0.4。
[0013]其中，所述步骤S2中，MPC引射喷管进口直径d的允许范围Δ?/ <万+ M，一 般取Λ& 直径水平数的确定优选为:水平数N 2 10。
[0014] 其中，所述步骤S3中仿真模型为采用现有技术中常用或通用手段建立的发动机仿 真模型。
[0015] 其中，所述步骤S4中分别拟合得到的可用能损失关于引射喷管直径的回归方程如 式(2)所示：
(2)
[0016]
[0017] 式（2)中：ΩΚοΙ)为排气门可用能损失函数，Ω2((1)为排气管路可用能损失函数， 八1、8 1、(：1^2、82、(：2均为多项式拟合系数，1? 1、1?2分别为〇1((1)和〇2((1)的相关系数。优选的， 所述Ri、R 2分别由最小二乘法获得。
[0018] 其中，所述步骤S5中，求解排气系统最小可用能损失对应的引射喷管直径的过程 包括对最佳进口直径dinitim的求解，由式(3)获得：
[0019]
(3)
[0020] 式(3)中：Ω (d)为整个排气系统可用能损失函数。
[0021] 进一步，所述步骤S5中，求解排气系统最小可用能损失对应的引射喷管直径的过 程还包括对最佳出口直径cUt.L的求解，由式(4)获得：
[0022] (4>
[0023] 本发明创造的方法从排气脉冲能量的角度出发，全面合理地提出了一种引射喷管 直径的设计方法，使得优化后的引射喷管排气脉冲能量最大，由于能量是整个系统结构性 能设计合理性的直接反映，是结构设计中各项结构和性能参数的综合作用指标，因此有效 避免了单一方面确定引射管直径的片面性。
【具体实施方式】
[0024] 下面通过结合具体实施例对本发明创造进行进一步说明，仅对本发明做示例性描 述，并不用于限制本发明。
[0025]以某气缸直径D为130mm的6V增压柴油机排气系统引射喷管直径大小的设计为例， 首先建立该发动机的GT-P0WER性能仿真模型，并通过试验数据完成对仿真模型的标定，保 证仿真模型的预测精度。之后，在标定工况下，当引射喷管进口直径初始值&为52_、水平 数N为10的前提下，将不同的引射喷管直径输入仿真模型进行整机性能仿真计算，并根据仿 真结果计算各引射喷管直径下的排气门可用能损失和排气管路可用能损失，然后通过数据 的拟合得到的如式（2)所示的可用能损失关于引射喷管直径的方程，最后通过式（3)和式 (4)得到排气系统可用能损失关于引射喷管直径的关系式，求解得到最佳的引射喷管进、出 口直径:din-optim = 57 · 6mm，dout-〇ptim = 47mm。其中，在本例引射喷管直径的优化设计过程中， 拟合得到的排气门可用能损失函数QKd)、排气管路可用能损失函数Ω 2(d)和整个排气系 统可用能损失函数Ω (d)的曲线结果如图1所示。
[0026]以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本 发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种MPC引射喷管直径的优化设计方法，包括下述步骤： Sl:确定发动机结构和性能参数，确定MPC引射喷管直径的初始值； S2:确定MPC引射喷管进口直径的允许范围，并根据设计精度设置合适的直径水平数及 步长，获得不同的引射喷管直径d; S3:分别将不同的引射喷管直径输入仿真模型进行整机性能仿真计算； S4:根据仿真结果计算各引射喷管直径下的排气口可用能损失和排气管路可用能损 失，并分别拟合得到可用能损失关于引射喷管直径的方程； S5:得到排气系统可用能损失关于引射喷管直径的关系式，求解排气系统最小可用能 损失对应的引射喷管直径，即为喷管直径的最优值。2. 根据权利要求1所述的一种MPC引射喷管直径的优化设计方法，其特征在于，所述步 骤Sl中MPC引射喷管直径的基准值由下式(1)确定： 引射喷管的进口截面直径斋=M . D (!) 式（1)中:D为气缸直径;M为经验系数，取值为0.39或0.4。3. 根据权利要求1所述的一种MPC引射喷管直径的优化设计方法，其特征在于，所述步 骤S帥，MPC引射喷管进口直径d的允许范围否_心《[杉万+ M，M=0.4石，直径水平数 的确定优选为:水平数N > 10。4. 根据权利要求1所述的一种MPC引射喷管直径的优化设计方法，其特征在于，所述步 骤S4中分别拟合得到的可用能损失关于引射喷管直径的回归方程如式(2)所示： 'Qi (d) =Ajd2+Bjd+Ci J 化（d) =Ajd;十B冲-C] 1 Ri-5-0.97 、R择0.97 式(2)中：Qi(d)为排气口可用能损失函数，〇2(d)为排气管路可用能损失函数，Ai、Bi、 打、42、82心均为多项式拟合系数，虹、1?2分别为〇1((1)和〇2((1)的相关系数。5. 根据权利要求1所述的一种MPC引射喷管直径的优化设计方法，其特征在于，所述步 骤S5中，求解排气系统最小可用能损失对应的引射喷管直径的过程包括对最佳进口直径 din-optim的求解，由式(3 )获得： J Q. (din-optim) =mina (d) … 1 n (d) (d) +化（d) 式(3)中：Q (d)为整个排气系统可用能损失函数。6. 根据权利要求5所述的一种MPC引射喷管直径的优化设计方法，其特征在于，所述步 骤S5中，求解排气系统最小可用能损失对应的引射喷管直径的过程还包括对最佳出口直径 dout-optim的求解，由式（4 )获得： (4)。
【专利摘要】本发明创造提供一种MPC引射喷管直径的优化设计方法，包括下述步骤：确定发动机结构和性能参数，确定MPC引射喷管直径的初始值；确定MPC引射喷管进口直径的允许范围，并根据设计精度设置合适的直径水平数及步长，获得不同的引射喷管直径；将不同的引射喷管直径输入仿真模型进行计算；根据仿真结果计算各引射喷管直径下的排气门可用能损失和排气管路可用能损失，并分别拟合得到可用能损失关于引射喷管直径的方程；得到排气系统可用能损失关于引射喷管直径的关系式，求解排气系统最小可用能损失对应的引射喷管直径，即为喷管直径的最优值。本发明创造有效避免了单一方面确定引射管直径的片面性，使得优化后的引射喷管排气脉冲能量最大。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105512405
【申请号】CN201510924734
【发明人】王尚学, 张志军, 陈晋兵, 牛海杰, 曹晶, 王曼
【申请人】中国北方发动机研究所(天津)
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月11日