基于GT-Power的增壓柴油機進排氣系統參數敏感性分析

王尚學，曹 晶，陳晉兵，張志軍

（中國北方發動機研究所，天津300400）

基于GT-Power的增壓柴油機進排氣系統參數敏感性分析

王尚學，曹 晶，陳晉兵，張志軍

（中國北方發動機研究所，天津300400）

為進一步明確增壓柴油機進排氣系統優化仿真過程中尋優變量的選擇方向，采用一維性能分析軟件GT-Power中自帶的DOE功能，對影響發動機整機仿真結果（動力性、燃油經濟性和可靠性）的15個進排氣系統特征參數進行了敏感性分析，并完成了各參數敏感度的排序和比較。分析結果表明，進排氣系統阻力是進排氣系統設計中的2個重要控制量。與進氣管路結構參數相比，排氣管路結構參數對各項指標的影響更敏感，而且其中的渦輪出口連接管直徑、排氣總管直徑和長度是3個主要設計參數。

GT-Power進排氣系統參數敏感性分析

1 前言

進排氣系統是發動機的主要系統之一。由于發動機的進排氣系統所包括的特征參數太多，而且各參數對整機性能的影響程度不同，再加上各參數之間的交互作用，使得增壓柴油機進排氣系統的設計、改進和優化過程，以及進排氣系統與整機的匹配過程所考慮的因素過多，導致工作量十分巨大，所以需要建立各參數與整機性能指標的聯系。為此，在整機性能仿真模型的基礎上進行進排氣系統特征參數的敏感性分析，以通過較少參數的調整、較小結構的變動實現性能優化的目的，進而縮短設計周期，降低設計成本。

2 敏感性與仿真模型

2.1 敏感性定義

參數的敏感性表征是，在某客觀背景下，目標函數隨相關參數在一定范圍內變化所對應的變化率的比值，用公式可以表示為

式中，ind為性能指標；Δind為性能指標的變化量；par為特征參數；Δpar為特征參數的變化量。

敏感性分析是基于優化目標來進行的[1]。優化模型結構的整體包括設計變量、目標函數和約束條件。

2.2 性能仿真模型的建立

以某V6增壓柴油機為例建立整機的GT-Power性能仿真模型。該V6增壓柴油機的主要技術參數見表1。

表1 柴油機主要技術參數

圖1為GT-Power性能軟件建立的V型6缸增壓柴油機工作過程仿真模型。根據試驗結果對模型進行校準（如圖2所示），保證仿真模型的正確性和仿真結果的可靠性。

3 進排氣系統特征參數設置

針對上述V型6缸增壓柴油機模型，按照氣體工質流經部件的順序，歸納了其進排氣系統的特征參數，并按性質進行分類，包括：

圖1 V6增壓柴油機GT-Power性能仿真模型

圖2 標定工況缸內壓力的標定

（1）替代參數——進氣節流閥直徑（D1）、渦輪進口當量直徑（D2）。為了便于計算，在壓氣機后的進氣管路部分增加了一個絕熱的節流閥，通過調節節流閥的開度來控制中冷器的壓力損失。調節渦輪進口當量直徑D2的大小可以實現渦前排氣背壓的變化，從而可以間接調節壓氣機的增壓比。

（2）結構參數——壓氣機與中冷器連接管的直徑（D3）和長度（L3）、中冷器與穩壓腔連接管的直徑（D4）和長度（L4）、穩壓腔橫截面的當量直徑（D5）、進氣歧管的直徑（D6）、排氣歧管的直徑（D7）、排氣總管的直徑（D8）和長度（L8）、渦后排氣管路的直徑（D9）和長度（L9）。由于進、排氣歧管的長度受發動機整體空間布置的限制，所以一般不作為被優化的結構參數。

（3）調整參數——進氣凸輪正時（θ進）、排氣凸輪正時（θ排）。在保持原凸輪型線不變的前提下，對進、排氣門開閉時刻的研究可以轉換為只研究凸輪頂點對應的相位，即：進氣凸輪正時和排氣凸輪正時的定義為凸輪升程最高點和上止點之間的凸輪轉角。

針對上述增壓柴油機進排氣系統的15個特征參數，設置各參數的變化范圍（見表2）；其中特征參數的變化區間是根據實際整機性能目標的優化要求確定的[2-3]。

出于運算時間的考慮，DOE的類型不用傳統的Full-Factorial方法，而是采用GT-Power軟件自帶DOE功能中的D-Optimal Latin Hypercube方法[4]，設計了特征參數的200組試驗，見表3（為節省篇幅，文中僅列出部分參數）。

表2 進排氣系統參數的設置

表3 進排氣系統參數組合

4 目標函數的確定

參數的敏感性與將要評價的目標密切相關，它是評價某一方案優劣程度的標準。對不同的目標函數，就有一組相對應的設計變量。根據不同的設計要求，其目標函數可以不同。如軍用動力，其主要性能目標之一是輸出功率最大，在優化設計中應把動力性指標作為目標函數；而民用動力，則要把經濟性和排放性指標作為研究的首要任務。因此，只有目標函數確定之后，研究影響參數的敏感性才有意義。基于本次所討論的V6發動機的應用領域和主要設計工況，文中將分別以整機標定工況下的動力性、經濟性和可靠性指標為目標函數，進行進排氣系統各參數對其影響的敏感性分析。

5 特征參數敏感性分析

首先通過對上述所有參數組合進行整機性能計算，得到相應的仿真結果；之后針對不同的目標函數，利用非線性回歸對這些數據進行擬合，將離散數據用連續函數表達出來，即得到關于所有特征參數的目標函數。圖3給出了在無其它任何約束條件下進排氣系統特征參數對有效輸出功率的影響效應的比較。

在圖3的影響效應圖中，直線的斜率表征設計參數對目標函數影響的大小和影響規律的方向性；而圖4的影響當量因子圖則可以定量地說明參數對目標函數影響敏感性的大小和相關性[4]。由圖3和圖4可知，（1）在與整機輸出功率呈正相關的特征參數中，進氣節流閥直徑（D1）對功率的敏感性最大，壓氣機與中冷器連接管的長度（L3）對功率的敏感性最小；（2）在與整機輸出功率呈負相關的特征參數中，渦輪進口當量直徑（D2）對功率的敏感性最大，渦后排氣管路長度（L9）對功率的敏感性最小。但綜合所有對整機輸出功率影響的特征參數中，敏感性最大的是渦輪進口當量直徑（D2），敏感性最小的是渦后排氣管路長度（L9）。

同理，進排氣系統不同特征參數對整機的燃油消耗率、爆發壓力和排溫影響的敏感性大小及影響程度見圖5～圖10。

根據上述增壓柴油機進排氣系統特征參數對不同性能指標的影響效應分析，進行各參數的敏感性排序，如表4所示。

由表4可知，進氣節流閥直徑D1和渦輪進口當量直徑D2是進排氣系統設計中的2個重要控制量。二者的變化將直接影響整機性能的優劣，這與發動機試驗得到的結論相同[5-6]。這是因為D1決定了中冷器的壓力降，而中冷器的阻力是構成整個進氣系統阻力的主要部分，它會嚴重影響整機充氣效率和進氣量，進而影響燃油有效熱效率的高低，最終整機的性能指標；而D2表征渦輪進口的當量直徑，主要影響渦輪可用能量利用的多少，D2越小，則意味著更多的排氣能量進入渦輪，從而使增壓器轉速提高，不但提高了壓氣機的增壓壓力，使得發動機的進氣量和爆壓都增大，最終體現為整機動力性的提高。但D2越小使得渦前排氣背壓升高，這會增加整機的泵氣損失，反而使整機的燃油消耗率顯著升高。進排氣凸輪正時對不同性能指標的敏感性差別卻比較大。如排氣凸輪正時對渦前排溫的敏感性較大，而對功率、油耗和爆壓的敏感性較小；進氣管路結構參數對所考查的各項性能指標的敏感性都不太大，而排氣管路結構參數的敏感性則比較大。所以在增壓柴油機進排氣系統的設計過程中，應優先考慮排氣管路結構參數的設計。

圖3 特征參數對功率的影響效應比較

圖4 特征參數對功率的影響度當量因子比較

圖5 特征參數對燃油消耗率的影響效應比較

圖6 特征參數對燃油消耗率的影響度當量因子比較

圖7 特征參數對爆發壓力的影響效應比較

圖8 特征參數對爆發壓力的影響度當量因子比較

圖9 特征參數對排溫的影響效應比較

圖10 特征參數對排溫的影響度當量因子比較

表4 不同參數對性能指標的敏感性排序

進一步對影響排氣系統結構參數的敏感性進行比較，如表5所示（由表4提取）。由表5可以清楚地看到，排氣管路的結構參數對功率、油耗、爆壓和排溫的敏感性順序幾乎相同；并且渦后管路直徑、排氣總管直徑和長度對各項指標的敏感性都比較大，所以是排氣系統的重要設計參數；而排氣歧管直徑和渦后管路長度的影響則比較小，因此在設計中可以置后考慮。

應當注意的是，表4和表5給出的參數敏感性結果只是針對給定的基準參數及變化區間內的計算值。當基準參數或變化區間調整時，它們的相對影響度是不同的。尤其是進排氣凸輪正時、排氣歧管直徑、渦輪進口當量直徑等在超過一定數值時，其影響趨勢可能發生變化。

6 結論

本文是基于GT-Power仿真模型來進行某增壓柴油機進排氣系統特征參數敏感性分析的，通過仿真計算得到如下結論：

（1）GT-Power軟件可以評價發動機系統特征參數的敏感性和對某一指標影響規律的方向性，并能夠完成多參數敏感性的排序。

（2）進排氣系統的各個特征參數對性能指標影響的敏感性不同，某一特征參數對不同性能指標的敏感性也不同。

（3）中冷器阻力大小和渦輪進口當量直徑是進排氣系統設計中的2個重要控制量，二者的變化將直接影響整機性能的優劣；與進氣管路結構參數的敏感性相比，排氣管路結構參數的敏感性則更大，而且渦后排氣管路的直徑、渦前排氣總管的直徑和長度又是排氣管路的3個主要設計參數。

1 Montgomery D T,Reitz R D.Optimization of Heavy-Duty Diesel Engine Operating Parameters Using A Response Surface Method[C].SAE 2000-01-1962.

2朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].山西：兵器工業第七O研究所，1997.

3 Gregory J,Hampson.Using GT-Power to Perform Sensitivity Analysis on Engine Models[C].2001 GT-Power Users Conference.

4 GT-Suite User's Manual.Gamma Technology.Inc.

5牛軍，梁永森等.進氣阻力對柴油機性能影響的試驗研究[J].車用發動機，2010；4（189）：79－82.

6習愛民，梁衛話，劉鎮.進排氣背壓對渦輪增壓柴油機工作過程影響的研究[J].車用發動機，2008（增刊）：129-131.

Parameters Sensitivity Analysis of Intake and Exhaust System for Turbocharged Diesel Engine Based on GT-Power

Wang Shangxue,Cao Jing,Chen Jinbing,Zhang Zhijun
（China North Engine Research Institute,Tianjin 300400,China）

To determine the direction of optimization variables in optimizing simulation of the intake and exhaust system of a turbocharged diesel engine,the sensitivity analysis of 15 characteristic parameters of intake and exhaust system that affect the complete engine performance(power performance,fuel economy and reliability)is made by using DOE tool in GT-Power,and comparison of different parameter sensitivity to performance index is conducted,getting a sensitivity taxis.The analysis results show that intake resistance and exhaust resistance are more important control variables in the intake and exhaust system design process, and the structure parameters of the exhaust system are much more sensitive to all performance indexes than those of the intake system.In addition,the parameters such as the diameter of pipe connected to turbine outlet,as well as the length and diameter of exhaust pipe are three dominate design parameters that affect performance indexes in the structure parameters of the exhaust system.

GT-Power,intake and exhaust system,parameters,sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.004

來稿日期：2013-07-21基金項目：國家863計劃項目（2012AA111709）

王尚學（1981-），男，工學碩士，副研究員，主要研究方向為發動機總體性能。