用于优化内燃机喷嘴的方法

文档序号:5250662阅读:160来源:国知局
专利名称:用于优化内燃机喷嘴的方法
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于优化内燃机喷 嘴的方法。
背景技术
众所周知,喷嘴包括喷嘴体和可以在喷嘴体的孔中克服关闭力进 行轴向移动的喷嘴针,喷嘴针在其燃烧室侧的端面上具有阀门密封表 面,为了控制到引入内燃机燃烧室中的至少一个喷口的通流横截面, 喷嘴针以该阀门密封表面与喷嘴体的阀座表面共同作用。喷嘴装入喷 嘴保持体中,众所周知,喷射管路连接在喷嘴保持体的上端部上。在喷嘴体内的压力室中,燃料作用在喷嘴针的斜肩上,并且克服关闭力 打开该喷嘴针,该关闭力通常液压地或者通过弹簧力引起。常见的喷嘴例如是所谓的孔式喷嘴(Lochdtise ),例如在DE 198 41 192 Al中公开的,该孔式喷嘴优选地以直接喷射装入发动机。孔式喷 嘴的孔在喷嘴体中以盲孔的形式进行构造,孔式喷嘴经常以喷嘴顶中 多于12个孔进行制造。孔式喷嘴最终的造型通常在发动机试验中确 定。在此,不同的喷嘴方案必须在例如孔数目、孔直径、孔长度、孔 之间的角度以及孔与气缸轴线的角度方面对功率、特别是燃料消耗以 及有害物质排放以及更多方面的影响进行试验。喷嘴的构造对发动机的燃烧具有决定性的影响。在孔式喷嘴方 面,特别是喷嘴孔的数目、直径、位置和几何造型以及盲孔中的高压 对于喷射流的形成来说是重要的。但此外,随着盲孔体积的增加也提 高了碳氢化合物(HC )和颗粒(例如炭黑)的排放以及还有燃料消耗。 此外已知,太大的盲孔体积会增加发动机润滑油的污染以及提高气缸 导轨的磨损。此外,喷嘴在机械、热以及液压方面承受高载荷。因此,对于例 如在喷嘴顶上以及在针座中的功能要求,必须遵守关于构件强度方面 的i殳计规定。已经公开了用于设计喷射阀的数学方法,在该方法中几何构造包 括由变量空间中不同的例如上面所描述的参数构成的目标函数f (x)形式的系统,在该系统中目标函数值通过多个计算步骤迭代计算获 得,其中在每个计算步骤中,计算随机参量的取决于目标函数f (X) 的并且以随机的差分方程为基础的增长。然后,将以这种数值方法计 算获得的最佳目标函数值以及所属的参数用于喷嘴的设计。由于关系的高度复杂性,这样一种连续的处理方法经常不会成功。发明内容由此出发,本发明的任务是说明一种用于优化内燃机喷嘴的方 法,该喷嘴的构造至少在减少有害物质排放、改善磨损特性以及减少 燃料消耗方面是优化的。该任务通过按权利要求1所述的用于优化内燃机喷嘴的方法得到 解决。本发明是用于优化喷嘴的全新的方法,用该方法可以对所有种类 的喷嘴关于相应的要求和边界条件进行优化。在实施例中考虑具有盲孔的特殊的多孔喷嘴,该盲孔具有一列(图1 )或多列(图2)上下相互错开布置的喷口。所执行的算法是粒子群优化算法的由本申请人开发的多标准的版 本。粒子群算法是来自于人工智能领域的一类用于优化的类似自然的 随机方法。该算法基于粒子的群体(参数组作为可能的解),这些粒 子像一群鸟一样在搜索空间中运动时相互影响(参见丄Kennedy, R.Eberhart: Particle Swarm Optimization 。 Proc.IEEE Int.Conf. on Neural Networks, 1995,第1942-1948页)。粒子群优化(PSO)的目标是全面地找到所研究的函数即目标函 数f (x)的最佳值-该最佳值根据定义可以是最大值或最小值。但不 应该-像通常在开头所描述的数值方法中一样-找到某个局部的最佳 值,而是找到整个搜索空间的、也就是解空间的全局的最佳值。PSO的参数(粒子)在计算开始时随机地并且/或者人为决定地分 布到整个解空间上,参数以此在变量空间中具有相应的位置。为了初 始化,为粒子配属同样随机的和/或人为决定的速度矢量。此外,对于优化算法的每个其它步骤,每个粒子遵循邻近粒子的 位置以及其自己的至今最好的位置。通过比较运算从每个单个粒子的 个体最好的解中选出群的最佳解。由此,群作为整体倾向于定位最好
的粒子的方向。根据标准的数目/独立参数的数目/目标函数f (X)的未知量的数目,粒子在解空间中的定向是n-维的。目标函数可以如此公式化,使得具有自己权重的多个目标参量统 一在其中。然后,目标函数称为质量函数。目标参量相应于数学上可 获得的具体的要求,例如喷嘴中有待减小到最小程度的盲孔体积,该 盲孔体积在函数中取决于几何参数。在这里强调,该优化算法是很快的并且目标明确的并且因此是很 有效的。另一个优点在于,粒子群优化可以应用在几乎任意的并且甚至是 不连续的函数上,因为粒子群优化不用求导。因此,粒子群优化是非 常耐用的。总结PSO是耐用的并且快速的优化方法,该优化方法可以在几 乎任意的多维的数学函数中找到全局的最佳值。通过公式化具有加权 的目标参量的质量函数,可以处理多标准的方法。该算法要求一系列的调节参量,用这些调节参量可以影响算法的 特性。基于以前的经验值确定这些调节参量。


本发明的优选改进方案由从属权利要求和下面的描述中获得。根 据附图对本发明的实施例进行更详细解释,但本发明不限于该实施 例。附图示出图1是按本发明优化的喷嘴、也就是孔式喷嘴的横截面;图2是具有多列、这里是两列在喷嘴顶处圆形环绕的喷口的进一 步按本发明优化的孔式喷嘴的横截面。
具体实施方式
本发明涉及一种用于优化内燃机喷嘴的方法,该喷嘴包括喷嘴体1 和可以在喷嘴体1的孔2中克服关闭力进行轴向移动的喷嘴针3,其中 喷嘴针3在其燃烧室侧的端面上具有阀门密封表面4,为了控制到引入 内燃机燃烧室中的至少一个喷口 5的通流横截面,喷嘴针以阀门密封 表面与喷嘴体1的阀座表面6共同作用,其中对于喷嘴的几何造型来 说,在使用任意选择独立参数的情况下,使用粒子群优化(PSO)形 式的数学方法并且在喷嘴的结构设计中引用作为最佳获得的标准。
以特别优选的方式,所描述的利用PSO的优化包括以下步骤-为几何造型、例如所需要的喷嘴流量和喷嘴的压力级确定预先给 定的边界条件(喷嘴类型和参量),-以目标函数f ( x )的目标参量的形式根据独立参数的任意数量检 测技术要求(有待优化的参量),例如喷嘴体的孔(盲孔)中的最大 压力、盲孔的体积或者最小喷嘴针座角度,-从目标参量的定义中导出技术要求的独立参数(自由度),例如 喷嘴针座角度、下面的喷嘴针座直径、喷嘴顶角、喷射角或者喷嘴针 沖程,-以预先给定的值域的形式确定参数边界, -将技术要求的目标参量在质量函数中进行数学加权。 由对几何、液压、力学等的要求的数学公式化获得质量函数。 图1示出了按本发明方法的第一实施例,其中有待优化的喷嘴是 孔式喷嘴,该孔式喷嘴具有可以克服关闭力进行轴向移动地在喷嘴体1 的盲孔2中引导的喷嘴针3,该喷嘴针在其燃烧室侧的端部上具有圆锥 形的阀门密封表面4,喷嘴针以该阀门密封表面与在盲孔2的向内邻接 的封闭的端部上的圆锥形的阀座表面6共同作用,并且该孔式喷嘴还 具有将盲孔2朝燃烧室封闭的喷嘴顶7,多个喷口 5从该喷嘴顶导出到 内燃机的燃烧室中。才艮据图1和2加以i兌明,作为预先给定的边界条件这样说明,该条件描述并且可以自由地 预先给定喷嘴类型、其参量以及其它与应用相关的约束,作为技术要求包括这些参量中的至少一个、多个或者全部a)盲 孔中的最大压力(由此获得最佳的混合气形成),b)最小盲孔体积(由 此获得炭黑排放和碳氢化合物排放以及消耗的减少),c)喷嘴孔5之 间的最小环岸宽度(由于所需要的强度),d)最小喷嘴针座角度(由 于喷嘴针座的磨损)以及e)喷口 5在盲孔2中尽可能深的位置(由于 流体动力学要求),作为独立参数设置下列参量中的至少一个、多个或者全部a)喷 嘴针3座角度cr, b)喷嘴针顶角ot, c)针冲程h, d)喷嘴孔直径DL, e)盲孔直径DE, f)下面的针座直径DA, g)盲孔角度e, h)喷射 角k, i)喷口的喷射点hSP, k)盲孔高度hS, l)喷嘴孔数目n以及m )喷嘴孔直径DL,确定的参数边界包括值域或者离散的值,以及所有技术要求(参见上面)标准化地纳入质量函数中并且必须包 括下面条件中的至少一个a)不得低于喷嘴针尖和盲孔2的孔底之间 的最小距离,b)不得低于喷嘴针座的最小宽度,c)不得低于喷嘴孔5 之间的最小环岸宽度,d)盲孔入口处的通流横截面在最大喷嘴针冲程 时必须大于下面的喷嘴针座棱边处的通流横截面,e)半座角度cj/2与 盲孔角度s的差不得低于有待确定的值,f)盲孔角度s必须小于半喷 嘴针顶角cx/2, g)在盲孔内的喷嘴孔上棱边到盲孔入口棱边的距离不得低于有待确定的值,h)喷嘴针顶角Ot必须大于或者等于座角度ct以及i)针座直径DA必须大于或者等于盲孔直径DE。因此,按本发明的方法包括通过数学优化算法使质量函数最小 化,同时导出喷嘴的最佳参数。示出的按本发明优化的实施例示例性地在图1中示出了具有一个 孔列的孔式喷嘴,并且在图2中示出了具有两个孔列的孔式喷嘴,该 孔式喷嘴具有以下形式的优化参数喷嘴针座角度a大约84° ,喷嘴针顶角a大约100° ,喷嘴针冲程h大约0.5mm,喷嘴孔直径DL大约(Umm,盲孔直径DE大约3mm,下面的针座直径DA大约3.5mm,关于喷嘴针轴线的盲孔角度s为0° ,喷射角k大约75° ,盲孔高度hS大约0.3mm,喷射点hSP大约O.lmm以及喷嘴孔数目n = 13。根据技术要求的执行的加权,可以借助于优化的喷嘴获得关于以 前的喷嘴的以下改善盲孔压力提高了大约10%,盲孔体积可以减少 大约60%以及环岸宽度减少大约7%。如此开发的喷嘴关于所列的要求是在技术要求方面经常相反的参 数的最佳值。以此确保装备了所示出的喷嘴的内燃机的突出之处在于
最小的有害物质排放、微小的磨损以及最小的燃料消耗。同时,所示 出的喷嘴的开发过程是目标更加明确的,并且由此更快并且更可靠。 所示出的优化方法普遍地适合所有数学上确定的高维优化任务。附图标记列表1 喷嘴体2 孑L (盲孔)3 喷嘴针4 阀门密封表面5 喷口 (喷嘴孔)6 阀座表面7 喷嘴顶DL 喷嘴孔直径DE 盲孔直径DA 下面的针座直径k 喷射角h 喷嘴针冲程a 座角度ot 喷嘴针顶角e 盲孔角度(关于喷嘴轴线)hS 盲孔高度hSP 喷射点ii 喷嘴孔数目
权利要求
1. 用于优化内燃机喷嘴的方法,该喷嘴包括喷嘴体(1)和可以在喷嘴体(1)的孔(2)中克服关闭力进行轴向移动的喷嘴针(3), 其中,喷嘴针(3)在其燃烧室侧的端面上具有阀门密封表面(4), 为了控制到引入内燃机燃烧室中的至少一个喷口 (5)的通流横截面, 喷嘴针以阀门密封表面与喷嘴体(1)的阀座表面(6)共同作用,其 特征在于,对于喷嘴的几何造型来说,在使用任意选择独立参数的情 况下,使用粒子群优化(PSO)形式的数学方法并且在设计喷嘴的结构时引用作为优化计算的标准。
2. 按权利要求l所述的方法,其特征在于,所述PSO包括以下步骤-为几何造型、例如所需要的喷嘴流量和喷嘴的压力级确定预先给 定的边界条件(喷嘴类型和参量),-以目标函数f ( x )的目标参量的形式根据独立参数的任意数量检 测技术要求(有待优化的参量),例如喷嘴体的孔(盲孔)中的最大 压力、盲孔的体积或者最小喷嘴针座角度,-从目标参量的定义中导出技术要求的独立参数(自由度),例如 喷嘴针座角度、下面的喷嘴针座直径、喷嘴顶角、喷射角或者喷嘴针 冲程,-以预先给定的值域的形式确定参数边界, -将技术要求的目标参量在质量函数中进行数学加权。
3. 按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述有待优化的喷嘴是孔式喷嘴,该孔式喷嘴具有可以克服关闭力进行轴向移动地在 喷嘴体(1)的盲孔(2)中引导的喷嘴针(3),该喷嘴针在其燃烧室 侧的端部上具有圆锥形的阀门密封表面(4),喷嘴针以该阀门密封表 面与在盲孔(2)的向内邻接的封闭的端部上的圆锥形的阀座表面(6) 共同作用,并且该孔式喷嘴还具有将盲孔(2)朝燃烧室封闭的喷嘴顶 (7),由该喷嘴顶将多个喷口 (5)引出到内燃机的燃烧室中。
4. 按权利要求3所述的方法,其特征在于,作为预先给定的边界条件这样说明,该条件描述并且可以自由地 预先给定喷嘴类型、其参量以及其它与应用相关的约束,作为技术要求包括这些参量中的至少一个、多个或者全部a)盲 孔中的最大压力(由此获得最佳的混合气形成),b)最小盲孔体积(由 此获得炭黑排放和碳氢化合物排放以及消耗的减少),c)喷嘴孔(5) 之间的最小环岸宽度(由于所需要的强度),d )最小喷嘴针座角度(由 于喷嘴针座的磨损)以及e)喷口 (5)在盲孔(2)中尽可能深的位置 (由于流体动力学要求),作为独立参数设置下列参量中的至少一个、多个或者全部a)喷 嘴针(3)座角度(cj ) , b)喷嘴针顶角(a ) , c)针冲程(h) , d) 喷嘴孔直径(DL) , e)盲孔直径(DE) , f)下面的针座直径(DA), g)盲孔角度(s ) , h)喷射角(k ) , i)喷口的喷射点(hSP) , k) 盲孔高度(hS) , I)喷嘴孔数目(n)以及m)喷嘴孔直径(DL),确定的参数边界包括值域或者离散的值,以及所有技术要求(参见上面)标准化地纳入质量函数中并且必须包 括下面条件中的至少一个a)不得低于喷嘴针尖和盲孔(2)的孔底 之间的最小距离,b)不得低于喷嘴针座的最小宽度,c)不得低于喷 嘴孔(5)之间的最小环岸宽度,d)盲孔入口处的通流横截面在最大 喷嘴针冲程时必须大于下面的喷嘴针座棱边处的通流横截面,e)半座 角度(a/2)与盲孔角度(e )的差不得低于有待确定的值,f)盲孔 角度(s )必须小于半喷嘴针顶角(a/2) , g)在盲孔内的喷嘴孔上 棱边到盲孔入口棱边的距离不得低于有待确定的值,h)喷嘴针顶角 (a )必须大于或者等于座角度(cj )以及i)针座直径(DA)必须 大于或者等于盲孔直径(DE)。
全文摘要
本发明涉及一种用于优化内燃机喷嘴的方法,该喷嘴包括喷嘴体(1)和可以在喷嘴体(1)的孔(2)中克服关闭力进行轴向移动的喷嘴针(3),其中,喷嘴针(3)在其燃烧室侧的端面上具有阀门密封表面(4),为了控制到引入内燃机燃烧室中的至少一个喷口(5)的通流横截面,喷嘴针以阀门密封表面与喷嘴体(1)的阀座表面(6)共同作用,其中对于喷嘴的几何造型来说,在使用任意选择独立参数的情况下,使用粒子群优化(PSO)形式的数学方法并且在设计喷嘴的结构时引用作为优化计算的标准。
文档编号F02M61/16GK101144449SQ200710153670
公开日2008年3月19日 申请日期2007年9月14日 优先权日2006年9月15日
发明者H·亚尔辛, H·哈伯兰德, H·格罗塞-洛谢 申请人:曼柴油机欧洲股份公司
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