均勻設計在共軌柴油機性能優化中的應用

徐哲

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

均勻設計在共軌柴油機性能優化中的應用

徐哲

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

運用均勻設計的方法，在共軌燃油噴射柴油機的性能試驗中，同時調整共軌壓力和噴射定時，優化了燃油消耗率和最高燃燒壓力。

柴油機共軌壓力噴射定時性能優化均勻設計

1 前言

高壓共軌燃油噴射系統在柴油機上的應用日益廣泛，它能夠在寬廣工況范圍內，既保持燃油噴射壓力在需要的水平，同時又可以對噴射定時和噴射量進行柔性控制。充分利用共軌系統這一特點，能使柴油機獲得更低的排放和更好的性能[1]。

已有相當多的報告介紹了對共軌壓力和噴射定時的研究[2]。大多數報告中的試驗安排每次只變動一個參數，而保持其余參數不變。這種試驗方法對各個參數之間沒有相互作用的情況是有效的，而對有相互作用的情況就有可能漏掉好的試驗組合。試驗中發現，對于柴油機的許多性能指標比如最高燃燒壓力和燃油消耗率等來說，共軌壓力和噴射定時之間存在明顯的相互作用。因此需要更好的試驗方法來揭示它們之間的關系。

本文僅研究共軌壓力和噴射定時兩個參數對柴油機性能的影響，每個參數有多個不同的取值。如果進行全面試驗，會出現很多搭配方式，增加試驗次數，從而增加開發成本和時間。希望通過較少的試驗次數就能找出參數之間的最優搭配，這就需要試驗設計的幫助。

2 試驗方法和試驗裝置

2.1 試驗方法

試驗設計（Design of Experim ents，DOE）就是在試驗范圍內挑選有代表性點的一種方法。它對試驗進行科學合理的安排，使得試驗數據具有良好的統計性質，以達到最好的試驗效果。試驗設計中把考察的試驗條件或者參數稱為試驗因素，把因素的具體取值稱為水平。

均勻設計（Uniform Design，UD）作為試驗設計的一個分支，是考慮試驗點在試驗范圍內的均勻分散性的一種方法[3]。均勻設計由我國方開泰研究員和王元院士在20世紀70年代共同提出，它的優點是當因素數量或水平數量較多時，所需要的試驗次數不多。目前均勻設計已經廣泛應用于新型材料、石油化工等領域[4~5]。共軌柴油機性能和排放優化試驗過程中，需要考慮的影響因素眾多，試驗工作量比較大，均勻設計很適合共軌柴油機性能的優化試驗[6]。但是均勻設計的試驗結果一般不能做直觀分析，需要用回歸的方法對試驗數據做統計分析，以得到最優的試驗條件。

2.2 試驗裝置和工況

試驗是在一臺采用高壓共軌系統的直噴式柴油機上進行的，該柴油機的主要技術參數列在表1中，柴油機許用的最高燃燒壓力不超過14MPa。

表1 試驗柴油機主要技術規格

測試設備主要有：AVL公司AFM44/4Z/4801電力測功機，AVL公司AVL735油耗儀，Kistler公司6125B爆發壓力傳感器。

試驗選擇4個工況進行了研究，見表2。工況1到工況4分別代表了高速高負荷、高速低負荷、低速高負荷和低速中負荷工況，這4個工況都處于非排放控制區，希望通過試驗設計得到較低的有效燃油消耗率ge和適當的最高燃燒壓力pz。

表2 試驗工況

3 試驗結果與分析

3.1 高速高負荷工況

高速高負荷工況即表2中的工況1。該工況原狀態的共軌壓力為130 MPa、噴射定時為6℃A BTDC，試驗中它們的水平取值范圍：

共軌壓力x1：105~135 MPa；

噴射定時x2：4~7℃A（上止點前）。

這2個試驗因素在各自的試驗范圍內取4個水平，如果進行全部試驗就需要16次，而我們希望只通過8次試驗就可以找到其中的最佳方案。選用均勻設計表U8(24)，其中“U”表示均勻設計，8表示要做8次試驗，2表示有2個因素，4表示每個因素有4個水平，見表3。表中x1列里的1、2、3、4分別代表因素x1的水平1、水平2、水平3和水平4，與工況1的取值范圍結合起來就分別對應噴射壓力105、115、125和135 MPa；相應有x2列里的1、2、3、4分別代表噴射定時4、5、6和7℃A。

表3 均勻設計表8(24)

表3 均勻設計表8(24)

試驗號x1x21 4 1 2 3 2 3 2 3 4 1 2 5 1 4 6 2 1 7 4 3 8 3 4

試驗安排和試驗結果見表4。假設該工況原狀態的燃油消耗率等于“1”，各方案得到的燃油消耗率用相對于原狀態的百分比表示。

表4 工況1試驗設計與結果

由于無法通過直觀分析得到最佳試驗結果，需要借助回歸分析的幫助?，F在已有成熟的回歸分析軟件，如SAS軟件、MINITAB軟件等[7]，可以得到回歸方程如下：

應該注意調整決定系數的大小，R-Sq（調整）值大說明回歸的效果好，反之說明回歸的效果不好。對于爆發壓力pz的R-Sq（調整）等于99.8%，燃油耗率ge的R-Sq（調整）等于99.3%，說明這2個回歸方程的總體效果是很好的。

每個因素（包括因素的組合）對結果影響的顯著性可以從回歸系數表中反映出來。由于篇幅限制，僅列出了工況1的pz的回歸系數表，參見表5。

表5 pz回歸系數表

表5中的P值表示了各個變量的顯著性概率。P值范圍介于0到1之間。P值越小，錯誤地否定原假設的概率就越小，則該變量的顯著性越高。對于工況1的pz，共軌壓力和噴射定時以及它們各自的平方，這些變量的P值都大于0.2，但是共軌壓力和噴射定時的交互作用，即表5中的x1x2的P值為0.116，是所有變量中最顯著的。因此共軌壓力和噴射定時的交互作用對pz有主要影響。

該柴油機許用的最高爆發壓力pz為14 MPa，在爆發壓力pz不超過此限值的情況下，燃油耗率ge越低越好。取x1=130，x2=5，通過計算預測pz和ge分別等于13.75 MPa和100.49%。試驗驗證pz和ge分別為13.68 MPa和100.92%。預測值和試驗值很接近，說明回歸方程可信。

圖1表示了優化前后實測值的比較，爆發壓力pz從14.2MPa降到13.7MPa，而燃油耗率ge則增加了0.92%。

圖1 工況1優化前后的結果對比

3.2 高速低負荷工況

高速低負荷工況即表2中的工況2。該工況原狀態共軌壓力為80MPa、噴射定時為9℃A，試驗中將它們的水平取值范圍定為：

共軌壓力x1：65~110MPa；

噴射定時x2：7~13℃A（上止點前）。

同樣選用均勻設計表U8(24)，見表3。試驗方案和試驗結果參見表6。

表6 工況2試驗設計與結果

用回歸分析方法得到方程如下：

爆發壓力pz的R-Sq（調整）等于97.8%，回歸效果好；燃油耗率ge的R-Sq（調整）等于82.7%，回歸效果略差，需要試驗驗證。取x1=85，x2=11時，通過計算預測值pz=9.13 MPa和ge= 99.16%，試驗結果為pz=9.24MPa和ge=98.31%。爆發壓力pz的預測值和試驗值很接近，而燃油耗率ge則差距略大。

圖2為高速低負荷工況優化前后實測值的比較。優化前的爆發壓力pz余量很大，而燃油耗率ge較高。通過優化，pz從8.68 MPa提高到9.24 MPa，而燃油耗率ge為原來的98.31%。

圖2 工況2調整前后的結果對比

3.3 低速高負荷工況

高速低負荷工況即表2中的工況3。該工況原狀態共軌壓力為115 MPa、噴射定時為6℃A，試驗中將它們的水平取值范圍定為：

共軌壓力x1：70~115MPa；

噴射定時x2：4~7℃A（上止點前）。

同樣選用均勻設計表U8(24)，見表3。試驗方案和試驗結果參見表7。

用回歸分析方法得到方程如下：

爆發壓力pz的R-Sq（調整）等于99.7%，ge的R-Sq（調整）等于92.0%，這2個回歸方程的回歸效果較好。取x1=85，x2=4時，通過計算預測值pz=12.53 MPa和ge=97.92%，試驗結果為pz= 12.42 MPa和ge=98.03%，預測值和試驗值十分接近。

表7 工況3試驗設計與結果

圖3為低速高負荷工況優化前后實測值的比較。優化前爆發壓力pz超出上限，并且燃油耗率ge偏高。通過優化，爆發壓力pz從14.52 MPa降低到12.42 MPa，燃油耗率ge也降低到原來的98.03%。

圖3 工況3調整前后的結果對比

3.4 低速中等負荷工況

低速中等負荷工況即表2中的工況4。該工況原狀態共軌壓力為80MPa、噴射定時為9℃A，試驗中將它們的水平取值范圍定為：

共軌壓力x1：40~85MPa；

噴射定時x2：6~12℃A（上止點前）。

同樣選用均勻設計表U8(24)，見表3。試驗方案和試驗結果參見表8。

用回歸分析方法得到方程如下：

爆發壓力pz的R-Sq（調整）為98.9%，回歸效果較好；燃油耗率ge的R-Sq（調整）為61.4%，回歸效果較差，需要試驗驗證。

取x1=57，x2=9.5，通過計算預測值pz=10.17 MPa和ge=99.18%，試驗結果為pz=10.16 MPa和ge=98.99%，預測值和試驗值很接近。

表8 工況4試驗設計與結果

圖4中優化前原狀態pz和ge都偏高。通過優化試驗，爆發壓力pz從10.32 MPa降低到10.16 MPa，ge也降低到原來的98.99%。

圖4 工況4調整前后的結果對比

4 結論

在柴油機性能試驗中，采用均勻設計的試驗方法，同時對共軌壓力和噴射定時進行調整，優化了燃油消耗率和最高燃燒壓力，并得到以下結論：

1）均勻設計適合于共軌柴油機的多因素多水平性能優化試驗；

2）均勻設計的試驗結果需要用回歸分析推斷出最佳試驗條件，并且要進行試驗驗證；

3）共軌壓力、噴射定時以及它們的相互作用對柴油機性能都有影響，比如燃燒壓力和燃油消耗率，影響程度大小可以從回歸系數表中得到；

4）柴油機不同工況存在著不同的共軌壓力和噴射定時的最佳組合，針對不同工況可以采取不同的調整策略，有些工況燃油消耗率低但是最高燃燒壓力超出限值，可以降低燃燒壓力略微犧牲油耗；有些工況最高燃燒壓力余量很大但是油耗偏高，可以提高最高燃燒壓力從而降低油耗；而有些工況,通過優化試驗有可能既降低了最高燃燒壓力，同時又降低了燃燒消耗率。

1 Yoshihiro Hotta,Minaji Inayoshi,et al. Achieving Low er Exhaust Em issions and Better Performance in an HSDIDiesel Engine w ith Multiple Injection[C].SAE 2005-01-0928.

2 Badam iM,Nuccio P,Trucco G.Influence of Injection Pressure on the Performance of a DI Diesel Engine w ith a Common Rail Fuel Injection System[C].SAE 1999-01-0193.

3方開泰,馬長興.正交與均勻試驗設計[M].科學出版社，2001.

4張玉環,史道濟,車建明.均勻設計在研究C/Cu復合材料耐磨損設計準則中的應用[J].數理統計與管理.1999，18(5)：5-7.

5黎元生.用均勻設計和配方優化技術提高原油破乳劑的性能[J].科技進步與對策.1998（特刊）：18-20.

6 Thomas Brooks T,Lumsden G,Blaxill H. Im proving Base Engine Calibrations for Diesel Vehicles Through the Use of DoE and Optim ization Techniques[C]. SAE 2005-01-3833.

7劉文卿.實驗設計[M].清華大學出版社，2005.

App lication of Uniform Design in Perform ance Optim ization
for a Comm on Rail Diesel Engine

Xu Zhe
(Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China)

Uniform Design method is applied to the test of common rail engine performance.Common rail pressure and injection tim ing are adjusted at the same tim e to optim ize BSFC and peak cylinder pressure of engine.Adopting Uniform Design method can drastically reduce test time and cost.

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來稿日期：2009-03-20

徐哲（1975），男，工程師，主要研究方向為發動機性能開發。