MPC结构参数优化数学模型的研究.pdf

车用发动机年第期 增压技术 结构参数优化数学模型的研究 华中理工大学帅石金胡欲立刘永 长 摘要 本文 通过分析结构参数对发 动机性 能的 影响 提出 了一种结 构的优化数 学 模型并用于指 导 柴油机增压系统 的设计 关键词排气管优化数学模型 前言 增压系 统以其结构简单 能 获 得 良好的发动 机 综合 性能以及适用范围宽广倍受人们的重视 目 前对结构参数的优化设计 大多是以排 气管一维非定常流特征线法数值解为基 础 但是使用这种方法对结构参数并 不 能 得到真正的优化结果 主 要 原 因是特征线法 只反映了结构参 数对气体流动损失的影响 而 没有反 映出对喉口的引射效果及涡轮作功 能力的影响 通过对结构参数特性 的 理论分析 提出一种 简单实用的优化 数学模 型 并应用 于柴 油 机结构参 数 的优化设计 处节流损失减小 引射动能增加 引射效果加 强 总管中气流的压力波动减小 更好地避免 排气干扰扫气并提高涡轮效率另一方面 由 气体在排气系统 中流动阻 力损 失公式 计算可知 的减小 又会使得气体沿 程阻 力 损失和因引射喷管喉口收缩造成的局部阻力 损失增大 因此 从发动机的总体性能考虑 甲应有一个最佳值 结构参数对发动机性能影响 的分析 的主要结 构参数有 引射 管截面 收 缩比抓 二 截面积截面积 总管直 径 引射管与总管的夹角以及引射管曲 率半径附图 收缩比 甲的大小反 映 了压力脉冲能转换 为动能 的程度 当 甲减小时 一方面 排气阀 收稿日期 一 一一 一一 卜卜一矛 尸 声户 沪 沪户户 护 训 附图结构简图 总管直径减小时 废气可利 用的脉冲 能量增大 气体由喉 口进 入总管时的局部 阻 力损失减小但气体在 总管流动过程中的沿 程阻力损失增 加 总管 中气流 压力波 动幅度 增加 减弱了引射效果 降低 了能量 传递效率 和涡轮效率 因而也存在一个最佳值 引射管与总管夹角越小 气体的碰撞 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 年第期用发动机 损失就越小 排气能量传递效率也就越高 对 发动机性能越有 利 但 角过小会 给 安 装 和 模件加工带来许多 困难 通常从加工和安装 工艺来确定角 一般以不 小于为宜 一定 时 增大 引射管 曲率半径 意味着 引射管相应变长 沿程损失增加 但弯管 内气 体流动的损失主要是 由内壁形成的涡流引起 的 越大涡流引起的压力损失就越 小 如 果结构允许 越大对发动机性能越有利 但从结构紧凑性考虑 也不宜选得过大 由此 可 见 在结构参数 的设计中 与的取值主要是受本身结构 的限 制 只有 甲和 有一个 最佳值 因此 在建立 结构参数优化数学模型时 仅考虑截面 收缩比和 总管直径两个设计变量 优化数学模型的建立 的作功能力 必须 尽可能提高 涡轮 入口处 平 均静压 将速度能重新转换为压力能 因 此 函数的意义就是在最佳 的结构参数 甲 和下 沪 应取 得极大值 以提高废 气对涡轮的作功 能力 从而进一步提高 能 量 传递效率和涡轮效率 函数 和的具体表达式如下 甲 担 是 一 甲 吕尹 一乙 五 吕扩 入 子 孟 沪 户 十 一一一一下万一一一一了干 夕 甲 夕 讨言 沪 十 一一一一不一片 呈 外 二 一 乙 军阵户 杀 工 尸 根据上述结 构参数对发动机性能 影响的分析 本文 引入关键结构参数截面收 缩比和 总管直径的优化设计函数 甲 和 一 外 一言 常 一 乙 一 乙尸 甲 尸 式 中 两 引射 喷管喉 口处气体密度 引射喷管喉口处气流速度 气体在引射喷管 中流动时的 阻力损失 气体从喉 口流至 总管末端过 程中的流动阻力损失 涡轮进口处的平均静压 函数的意义是气体在 整 个管系流动 过程 中 在流动阻力损失 尽 可能 小的前提下 在喉口处 获 得 尽可能大的引射 动能 以取得最佳的引射效果 从而得到高的 能量传递效率和 涡轮效率 即 在最 佳 的结构 参数 甲和 下 应取得极大值 函数的意义是为了提高废气对 涡轮 乙乙 夕 尸 成端州 入 夕 二二二二二 川 沪 乙 成合 沪 式中 一 互黔 攀 一 号 表示喉口处参数 表示 涡轮前参 数 下同 马赫数 尺 每缸气体平均流量 气体比热比 气体常数 气体温度 一一一二丁二一一一 一 当量长度 始端 模 件喉口处 至 总管 末端 距离 发动机气缸数 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 车用发动机年第期 入 一 一 又 一 一只 一 一 支管与总管夹角 气体密度 引射喷射弯曲转角影响系数 味 引射喷管截面形状影响参数 氛 与 引射喷管阻力损失 系数 管壁粗糙度 对单个函数和可以求出极大值 犷 姆 以及它们相应的最优解 甲 化 但很难找到一个公共 的最优解 使函数和都能达到各自极大值 虽 然如此 但总存在一组这样的 甲 使 得函数 姚尽可 能接近 各自的极大 值 犷 姆 为此 建立一个评价函数 甲 使得 甲和 为满足系统设计要求的 最佳设计值 油机工作过程模拟计算 求得相关参数 然后 采用优化算法 即 可求得 最佳截面收缩比和 总管直径 甲 详鱼豁 一二旦 详 兴尸 置 函数 沪 的意义是虽然两组 最佳 结构参数 甲 和和 不能使得目标 函数 甲 和 同时取得极大 值 但可以找到 一个共同的最佳值 使得和尽 可能接近 各 自的极大值 姆 此函数即为截面 收 缩比 甲和 总管 直径的最优设计模型 通过增压柴 计算实例 利用建立的优 化设计 数学模型 对柴油机排气系统进行优化 设计 优化方法采用变尺度法 首先以函数为目标函数 求得的 极大值梦二再以为目标函数 求得 姆 最后以 甲 为优 化目标函数 求得 最优设计变量 中 二 此即为柴 油 机 最佳截面收缩比和总管直径 优化结果均在 结构参数的经验设计范围内 结论 本文 建 立 的结构参数优化数学 模型物理概念清晰 模型简捷实用可行 可供 一般设计参考 由于优化目标为显项表达式 故计算简 单 优化效率高 可靠性好 采用优化方法进行柴油机设计 可以减 少设计 中的盲目性 省时 省力 但参 数优化 的效果应以整机实验 为依据进行检 验 参考文献 万本华基于方式 的增压来统设计及相