專利名稱：用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)噴嘴的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)噴 嘴的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，噴嘴包括噴嘴體和可以在噴嘴體的孔中克服關(guān)閉力進(jìn) 行軸向移動(dòng)的噴嘴針，噴嘴針在其燃燒室側(cè)的端面上具有閥門密封表 面，為了控制到引入內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的至少一個(gè)噴口的通流橫截面， 噴嘴針以該閥門密封表面與噴嘴體的閥座表面共同作用。噴嘴裝入噴 嘴保持體中，眾所周知，噴射管路連接在噴嘴保持體的上端部上。在噴嘴體內(nèi)的壓力室中，燃料作用在噴嘴針的斜肩上，并且克服關(guān)閉力 打開該噴嘴針，該關(guān)閉力通常液壓地或者通過彈簧力引起。常見的噴嘴例如是所謂的孔式噴嘴(Lochdtise )，例如在DE 198 41 192 Al中公開的，該孔式噴嘴優(yōu)選地以直接噴射裝入發(fā)動(dòng)機(jī)?？资絿?嘴的孔在噴嘴體中以盲孔的形式進(jìn)行構(gòu)造，孔式噴嘴經(jīng)常以噴嘴頂中 多于12個(gè)孔進(jìn)行制造?？资絿娮熳罱K的造型通常在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中確 定。在此，不同的噴嘴方案必須在例如孔數(shù)目、孔直徑、孔長度、孔 之間的角度以及孔與氣缸軸線的角度方面對(duì)功率、特別是燃料消耗以 及有害物質(zhì)排放以及更多方面的影響進(jìn)行試驗(yàn)。噴嘴的構(gòu)造對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒具有決定性的影響。在孔式噴嘴方 面，特別是噴嘴孔的數(shù)目、直徑、位置和幾何造型以及盲孔中的高壓 對(duì)于噴射流的形成來說是重要的。但此外，隨著盲孔體積的增加也提 高了碳?xì)浠衔?HC )和顆粒(例如炭黑)的排放以及還有燃料消耗。 此外已知，太大的盲孔體積會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的污染以及提高氣缸 導(dǎo)軌的磨損。此外，噴嘴在機(jī)械、熱以及液壓方面承受高載荷。因此，對(duì)于例 如在噴嘴頂上以及在針座中的功能要求，必須遵守關(guān)于構(gòu)件強(qiáng)度方面 的i殳計(jì)規(guī)定。已經(jīng)公開了用于設(shè)計(jì)噴射閥的數(shù)學(xué)方法，在該方法中幾何構(gòu)造包 括由變量空間中不同的例如上面所描述的參數(shù)構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)f (x)形式的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中目標(biāo)函數(shù)值通過多個(gè)計(jì)算步驟迭代計(jì)算獲 得，其中在每個(gè)計(jì)算步驟中，計(jì)算隨機(jī)參量的取決于目標(biāo)函數(shù)f (X) 的并且以隨機(jī)的差分方程為基礎(chǔ)的增長。然后，將以這種數(shù)值方法計(jì) 算獲得的最佳目標(biāo)函數(shù)值以及所屬的參數(shù)用于噴嘴的設(shè)計(jì)。由于關(guān)系的高度復(fù)雜性，這樣一種連續(xù)的處理方法經(jīng)常不會(huì)成功。發(fā)明內(nèi)容由此出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)是說明一種用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)噴嘴的方 法，該噴嘴的構(gòu)造至少在減少有害物質(zhì)排放、改善磨損特性以及減少 燃料消耗方面是優(yōu)化的。該任務(wù)通過按權(quán)利要求1所述的用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)噴嘴的方法得到 解決。本發(fā)明是用于優(yōu)化噴嘴的全新的方法，用該方法可以對(duì)所有種類 的噴嘴關(guān)于相應(yīng)的要求和邊界條件進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)施例中考慮具有盲孔的特殊的多孔噴嘴，該盲孔具有一列(圖1 )或多列(圖2)上下相互錯(cuò)開布置的噴口。所執(zhí)行的算法是粒子群優(yōu)化算法的由本申請(qǐng)人開發(fā)的多標(biāo)準(zhǔn)的版 本。粒子群算法是來自于人工智能領(lǐng)域的一類用于優(yōu)化的類似自然的 隨機(jī)方法。該算法基于粒子的群體(參數(shù)組作為可能的解)，這些粒 子像一群鳥一樣在搜索空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)相互影響(參見丄Kennedy， R.Eberhart: Particle Swarm Optimization 。 Proc.IEEE Int.Conf. on Neural Networks, 1995，第1942-1948頁)。粒子群優(yōu)化(PSO)的目標(biāo)是全面地找到所研究的函數(shù)即目標(biāo)函 數(shù)f (x)的最佳值-該最佳值根據(jù)定義可以是最大值或最小值。但不 應(yīng)該-像通常在開頭所描述的數(shù)值方法中一樣-找到某個(gè)局部的最佳 值，而是找到整個(gè)搜索空間的、也就是解空間的全局的最佳值。PSO的參數(shù)(粒子)在計(jì)算開始時(shí)隨機(jī)地并且/或者人為決定地分 布到整個(gè)解空間上，參數(shù)以此在變量空間中具有相應(yīng)的位置。為了初 始化，為粒子配屬同樣隨機(jī)的和/或人為決定的速度矢量。此外，對(duì)于優(yōu)化算法的每個(gè)其它步驟，每個(gè)粒子遵循鄰近粒子的 位置以及其自己的至今最好的位置。通過比較運(yùn)算從每個(gè)單個(gè)粒子的 個(gè)體最好的解中選出群的最佳解。由此，群作為整體傾向于定位最好
的粒子的方向。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)目/獨(dú)立參數(shù)的數(shù)目/目標(biāo)函數(shù)f (X)的未知量的數(shù)目，粒子在解空間中的定向是n-維的。目標(biāo)函數(shù)可以如此公式化，使得具有自己權(quán)重的多個(gè)目標(biāo)參量統(tǒng) 一在其中。然后，目標(biāo)函數(shù)稱為質(zhì)量函數(shù)。目標(biāo)參量相應(yīng)于數(shù)學(xué)上可 獲得的具體的要求，例如噴嘴中有待減小到最小程度的盲孔體積，該 盲孔體積在函數(shù)中取決于幾何參數(shù)。在這里強(qiáng)調(diào)，該優(yōu)化算法是很快的并且目標(biāo)明確的并且因此是很 有效的。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，粒子群優(yōu)化可以應(yīng)用在幾乎任意的并且甚至是 不連續(xù)的函數(shù)上，因?yàn)榱Ｗ尤簝?yōu)化不用求導(dǎo)。因此，粒子群優(yōu)化是非 常耐用的?？偨Y(jié)PSO是耐用的并且快速的優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法可以在幾 乎任意的多維的數(shù)學(xué)函數(shù)中找到全局的最佳值。通過公式化具有加權(quán) 的目標(biāo)參量的質(zhì)量函數(shù)，可以處理多標(biāo)準(zhǔn)的方法。該算法要求一系列的調(diào)節(jié)參量，用這些調(diào)節(jié)參量可以影響算法的 特性?；谝郧暗慕?jīng)驗(yàn)值確定這些調(diào)節(jié)參量。


本發(fā)明的優(yōu)選改進(jìn)方案由從屬權(quán)利要求和下面的描述中獲得。根 據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)解釋，但本發(fā)明不限于該實(shí)施 例。附圖示出圖1是按本發(fā)明優(yōu)化的噴嘴、也就是孔式噴嘴的橫截面；圖2是具有多列、這里是兩列在噴嘴頂處圓形環(huán)繞的噴口的進(jìn)一 步按本發(fā)明優(yōu)化的孔式噴嘴的橫截面。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)噴嘴的方法，該噴嘴包括噴嘴體1 和可以在噴嘴體1的孔2中克服關(guān)閉力進(jìn)行軸向移動(dòng)的噴嘴針3，其中 噴嘴針3在其燃燒室側(cè)的端面上具有閥門密封表面4,為了控制到引入 內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的至少一個(gè)噴口 5的通流橫截面，噴嘴針以閥門密封 表面與噴嘴體1的閥座表面6共同作用，其中對(duì)于噴嘴的幾何造型來 說，在使用任意選擇獨(dú)立參數(shù)的情況下，使用粒子群優(yōu)化(PSO)形 式的數(shù)學(xué)方法并且在噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引用作為最佳獲得的標(biāo)準(zhǔn)。
以特別優(yōu)選的方式，所描述的利用PSO的優(yōu)化包括以下步驟-為幾何造型、例如所需要的噴嘴流量和噴嘴的壓力級(jí)確定預(yù)先給 定的邊界條件(噴嘴類型和參量)，-以目標(biāo)函數(shù)f ( x )的目標(biāo)參量的形式根據(jù)獨(dú)立參數(shù)的任意數(shù)量檢 測(cè)技術(shù)要求(有待優(yōu)化的參量)，例如噴嘴體的孔(盲孔)中的最大 壓力、盲孔的體積或者最小噴嘴針座角度，-從目標(biāo)參量的定義中導(dǎo)出技術(shù)要求的獨(dú)立參數(shù)(自由度)，例如 噴嘴針座角度、下面的噴嘴針座直徑、噴嘴頂角、噴射角或者噴嘴針 沖程，-以預(yù)先給定的值域的形式確定參數(shù)邊界， -將技術(shù)要求的目標(biāo)參量在質(zhì)量函數(shù)中進(jìn)行數(shù)學(xué)加權(quán)。 由對(duì)幾何、液壓、力學(xué)等的要求的數(shù)學(xué)公式化獲得質(zhì)量函數(shù)。 圖1示出了按本發(fā)明方法的第一實(shí)施例，其中有待優(yōu)化的噴嘴是 孔式噴嘴，該孔式噴嘴具有可以克服關(guān)閉力進(jìn)行軸向移動(dòng)地在噴嘴體1 的盲孔2中引導(dǎo)的噴嘴針3，該噴嘴針在其燃燒室側(cè)的端部上具有圓錐 形的閥門密封表面4，噴嘴針以該閥門密封表面與在盲孔2的向內(nèi)鄰接 的封閉的端部上的圓錐形的閥座表面6共同作用，并且該孔式噴嘴還 具有將盲孔2朝燃燒室封閉的噴嘴頂7，多個(gè)噴口 5從該噴嘴頂導(dǎo)出到 內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中。才艮據(jù)圖1和2加以i兌明，作為預(yù)先給定的邊界條件這樣說明，該條件描述并且可以自由地 預(yù)先給定噴嘴類型、其參量以及其它與應(yīng)用相關(guān)的約束，作為技術(shù)要求包括這些參量中的至少一個(gè)、多個(gè)或者全部a)盲 孔中的最大壓力(由此獲得最佳的混合氣形成)，b)最小盲孔體積(由 此獲得炭黑排放和碳?xì)浠衔锱欧乓约跋牡臏p少)，c)噴嘴孔5之 間的最小環(huán)岸寬度(由于所需要的強(qiáng)度)，d)最小噴嘴針座角度(由 于噴嘴針座的磨損)以及e)噴口 5在盲孔2中盡可能深的位置(由于 流體動(dòng)力學(xué)要求)，作為獨(dú)立參數(shù)設(shè)置下列參量中的至少一個(gè)、多個(gè)或者全部a)噴 嘴針3座角度cr， b)噴嘴針頂角ot， c)針沖程h， d)噴嘴孔直徑DL， e)盲孔直徑DE， f)下面的針座直徑DA， g)盲孔角度e， h)噴射 角k， i)噴口的噴射點(diǎn)hSP， k)盲孔高度hS， l)噴嘴孔數(shù)目n以及m )噴嘴孔直徑DL，確定的參數(shù)邊界包括值域或者離散的值，以及所有技術(shù)要求(參見上面)標(biāo)準(zhǔn)化地納入質(zhì)量函數(shù)中并且必須包 括下面條件中的至少一個(gè)a)不得低于噴嘴針尖和盲孔2的孔底之間 的最小距離，b)不得低于噴嘴針座的最小寬度，c)不得低于噴嘴孔5 之間的最小環(huán)岸寬度，d)盲孔入口處的通流橫截面在最大噴嘴針沖程 時(shí)必須大于下面的噴嘴針座棱邊處的通流橫截面，e)半座角度cj/2與 盲孔角度s的差不得低于有待確定的值，f)盲孔角度s必須小于半噴 嘴針頂角cx/2， g)在盲孔內(nèi)的噴嘴孔上棱邊到盲孔入口棱邊的距離不得低于有待確定的值，h)噴嘴針頂角Ot必須大于或者等于座角度ct以及i)針座直徑DA必須大于或者等于盲孔直徑DE。因此，按本發(fā)明的方法包括通過數(shù)學(xué)優(yōu)化算法使質(zhì)量函數(shù)最小 化，同時(shí)導(dǎo)出噴嘴的最佳參數(shù)。示出的按本發(fā)明優(yōu)化的實(shí)施例示例性地在圖1中示出了具有一個(gè) 孔列的孔式噴嘴，并且在圖2中示出了具有兩個(gè)孔列的孔式噴嘴，該 孔式噴嘴具有以下形式的優(yōu)化參數(shù)噴嘴針座角度a大約84° ，噴嘴針頂角a大約100° ，噴嘴針沖程h大約0.5mm,噴嘴孔直徑DL大約(Umm，盲孔直徑DE大約3mm,下面的針座直徑DA大約3.5mm，關(guān)于噴嘴針軸線的盲孔角度s為0° ，噴射角k大約75° ，盲孔高度hS大約0.3mm，噴射點(diǎn)hSP大約O.lmm以及噴嘴孔數(shù)目n = 13。根據(jù)技術(shù)要求的執(zhí)行的加權(quán)，可以借助于優(yōu)化的噴嘴獲得關(guān)于以 前的噴嘴的以下改善盲孔壓力提高了大約10%，盲孔體積可以減少 大約60%以及環(huán)岸寬度減少大約7%。如此開發(fā)的噴嘴關(guān)于所列的要求是在技術(shù)要求方面經(jīng)常相反的參 數(shù)的最佳值。以此確保裝備了所示出的噴嘴的內(nèi)燃機(jī)的突出之處在于
最小的有害物質(zhì)排放、微小的磨損以及最小的燃料消耗。同時(shí)，所示 出的噴嘴的開發(fā)過程是目標(biāo)更加明確的，并且由此更快并且更可靠。 所示出的優(yōu)化方法普遍地適合所有數(shù)學(xué)上確定的高維優(yōu)化任務(wù)。附圖標(biāo)記列表1 噴嘴體2 孑L (盲孔)3 噴嘴針4 閥門密封表面5 噴口 (噴嘴孔)6 閥座表面7 噴嘴頂DL 噴嘴孔直徑DE 盲孔直徑DA 下面的針座直徑k 噴射角h 噴嘴針沖程a 座角度ot 噴嘴針頂角e 盲孔角度(關(guān)于噴嘴軸線)hS 盲孔高度hSP 噴射點(diǎn)ii 噴嘴孔數(shù)目
權(quán)利要求
1. 用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)噴嘴的方法，該噴嘴包括噴嘴體(1)和可以在噴嘴體(1)的孔(2)中克服關(guān)閉力進(jìn)行軸向移動(dòng)的噴嘴針(3)， 其中，噴嘴針(3)在其燃燒室側(cè)的端面上具有閥門密封表面(4)， 為了控制到引入內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的至少一個(gè)噴口 (5)的通流橫截面， 噴嘴針以閥門密封表面與噴嘴體(1)的閥座表面(6)共同作用，其 特征在于，對(duì)于噴嘴的幾何造型來說，在使用任意選擇獨(dú)立參數(shù)的情 況下，使用粒子群優(yōu)化(PSO)形式的數(shù)學(xué)方法并且在設(shè)計(jì)噴嘴的結(jié)構(gòu)時(shí)引用作為優(yōu)化計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。
2. 按權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述PSO包括以下步驟-為幾何造型、例如所需要的噴嘴流量和噴嘴的壓力級(jí)確定預(yù)先給 定的邊界條件(噴嘴類型和參量)，-以目標(biāo)函數(shù)f ( x )的目標(biāo)參量的形式根據(jù)獨(dú)立參數(shù)的任意數(shù)量檢 測(cè)技術(shù)要求(有待優(yōu)化的參量)，例如噴嘴體的孔(盲孔)中的最大 壓力、盲孔的體積或者最小噴嘴針座角度，-從目標(biāo)參量的定義中導(dǎo)出技術(shù)要求的獨(dú)立參數(shù)(自由度)，例如 噴嘴針座角度、下面的噴嘴針座直徑、噴嘴頂角、噴射角或者噴嘴針 沖程，-以預(yù)先給定的值域的形式確定參數(shù)邊界， -將技術(shù)要求的目標(biāo)參量在質(zhì)量函數(shù)中進(jìn)行數(shù)學(xué)加權(quán)。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述有待優(yōu)化的噴嘴是孔式噴嘴，該孔式噴嘴具有可以克服關(guān)閉力進(jìn)行軸向移動(dòng)地在 噴嘴體(1)的盲孔(2)中引導(dǎo)的噴嘴針(3)，該噴嘴針在其燃燒室 側(cè)的端部上具有圓錐形的閥門密封表面(4)，噴嘴針以該閥門密封表 面與在盲孔(2)的向內(nèi)鄰接的封閉的端部上的圓錐形的閥座表面(6) 共同作用，并且該孔式噴嘴還具有將盲孔(2)朝燃燒室封閉的噴嘴頂 (7)，由該噴嘴頂將多個(gè)噴口 (5)引出到內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中。
4. 按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，作為預(yù)先給定的邊界條件這樣說明，該條件描述并且可以自由地 預(yù)先給定噴嘴類型、其參量以及其它與應(yīng)用相關(guān)的約束，作為技術(shù)要求包括這些參量中的至少一個(gè)、多個(gè)或者全部a)盲 孔中的最大壓力(由此獲得最佳的混合氣形成)，b)最小盲孔體積(由 此獲得炭黑排放和碳?xì)浠衔锱欧乓约跋牡臏p少)，c)噴嘴孔(5) 之間的最小環(huán)岸寬度(由于所需要的強(qiáng)度)，d )最小噴嘴針座角度(由 于噴嘴針座的磨損)以及e)噴口 (5)在盲孔(2)中盡可能深的位置 (由于流體動(dòng)力學(xué)要求)，作為獨(dú)立參數(shù)設(shè)置下列參量中的至少一個(gè)、多個(gè)或者全部a)噴 嘴針(3)座角度(cj ) ， b)噴嘴針頂角(a ) ， c)針沖程(h) ， d) 噴嘴孔直徑(DL) ， e)盲孔直徑(DE) ， f)下面的針座直徑(DA)， g)盲孔角度(s ) ， h)噴射角(k ) ， i)噴口的噴射點(diǎn)(hSP) ， k) 盲孔高度(hS) ， I)噴嘴孔數(shù)目(n)以及m)噴嘴孔直徑(DL),確定的參數(shù)邊界包括值域或者離散的值，以及所有技術(shù)要求(參見上面)標(biāo)準(zhǔn)化地納入質(zhì)量函數(shù)中并且必須包 括下面條件中的至少一個(gè)a)不得低于噴嘴針尖和盲孔(2)的孔底 之間的最小距離，b)不得低于噴嘴針座的最小寬度，c)不得低于噴 嘴孔(5)之間的最小環(huán)岸寬度，d)盲孔入口處的通流橫截面在最大 噴嘴針沖程時(shí)必須大于下面的噴嘴針座棱邊處的通流橫截面，e)半座 角度(a/2)與盲孔角度(e )的差不得低于有待確定的值，f)盲孔 角度(s )必須小于半噴嘴針頂角(a/2) ， g)在盲孔內(nèi)的噴嘴孔上 棱邊到盲孔入口棱邊的距離不得低于有待確定的值，h)噴嘴針頂角 (a )必須大于或者等于座角度(cj )以及i)針座直徑(DA)必須 大于或者等于盲孔直徑(DE)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)噴嘴的方法，該噴嘴包括噴嘴體(1)和可以在噴嘴體(1)的孔(2)中克服關(guān)閉力進(jìn)行軸向移動(dòng)的噴嘴針(3)，其中，噴嘴針(3)在其燃燒室側(cè)的端面上具有閥門密封表面(4)，為了控制到引入內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的至少一個(gè)噴口(5)的通流橫截面，噴嘴針以閥門密封表面與噴嘴體(1)的閥座表面(6)共同作用，其中對(duì)于噴嘴的幾何造型來說，在使用任意選擇獨(dú)立參數(shù)的情況下，使用粒子群優(yōu)化(PSO)形式的數(shù)學(xué)方法并且在設(shè)計(jì)噴嘴的結(jié)構(gòu)時(shí)引用作為優(yōu)化計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)F02M61/16GK101144449SQ200710153670
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者H·亞爾辛, H·哈伯蘭德, H·格羅塞-洛謝 申請(qǐng)人:曼柴油機(jī)歐洲股份公司