基于DoE技術的增壓柴油機高壓循環EGR系統優化設計

鄒永湘 倪計民 張 棟 石秀勇 陳 泓

（同濟大學）

1 前言

EGR技術是通過將部分廢氣引入進氣系統以改變發動機缸內充量成分，從而降低發動機NOx生成量，是現階段控制柴油機NOx排放的重要技術路線[1]。

本文使用仿真軟件BOOST建立某款增壓柴油機一維流動模型，并應用試驗設計（DoE）技術，對文丘里管式高壓循環EGR系統進行結構優化，提升EGR系統工作能力，使EGR率絕對值在全工況范圍內相對于優化前提高1%～3%。

2 研究樣機

研究樣機為某公司一款3L輕型載貨汽車的柴油機，為2氣門、4缸、四沖程、立式、直列水冷、電控直噴、渦輪增壓柴油機。原機主要技術參數見表1。

表1 原機主要技術參數

3 柴油機EGR系統模型的建立

3.1 一維流動模型建立

根據研究樣機的基本結構參數，在對樣機流動過程進行分析的基礎上，應用AVL BOOST軟件建立柴油機原機一維仿真計算模型，如圖1所示。在建模過程中，燃燒模型選用Vibe模型，增壓器模型選用Full Model全參數模型，傳熱模型選用Woschni 1978模型。

分析認為，燃燒模型和增壓器模型的選用對研究結果具有重要影響，因此需要對建模過程中燃燒模型和增壓器模型的應用過程進行詳細考慮。

3.1.1 Vibe燃燒模型的應用

在BOOST軟件中，Vibe燃燒參數主要包括燃燒起始角、燃燒持續期和燃燒室形狀影響因子。通過BOOST軟件內置的Burn功能模塊，以柴油機基本結構參數和原機缸內壓力試驗數據為輸入條件，可以精確計算Vibe燃燒模型的燃燒參數，能夠滿足研究內容的仿真計算精度和要求。

3.1.2 增壓器Full Model全參數模型的應用

在BOOST軟件中，增壓器全參數模型的應用主要包括壓氣機Map圖和渦輪機Map圖的建立。壓氣機Map圖的參數包括增壓器轉速、壓氣機效率、壓氣機空氣流量和增壓比；渦輪機Map圖的參數包括膨脹比、渦輪機流量和渦輪機效率。在增壓器全參數模型建立過程中，根據增壓器的試驗數據，分別對壓氣機和渦輪機輸入相應的Map圖，以保證增壓器全參數模型應用的準確性，進而滿足研究內容的計算精度要求。

3.2 模型標定

原機模型標定結果如圖2所示。從圖2可以看出，所建模型的計算結果曲線與試驗結果曲線的趨勢吻合，各項誤差均在7%以內，可滿足模擬計算的精度要求。

3.3 高壓循環EGR系統流動模型

為了減少NOx排放以滿足國Ⅳ排放標準，對原發動機進行EGR技術改型。在原機模型試驗驗證基礎上，建立帶有高壓循環EGR系統的柴油機流動模型，如圖3所示。

根據EGR控制策略，選取13工況法中除外特性和怠速工況以外的9個點作為計算工況點，即1 900 r/min（記為 A）、2 300 r/min（記為 B）、2 700 r/min（記為 C）轉速下 25%、50%、75%負荷工況，用 A25、A50、A75、B25、B50、B75、C25、C50、C75 來表示。

通過計算發現增壓柴油機采用高壓循環EGR系統時，在部分工況下EGR引出點氣體壓力低于引入點壓力，從而產生負EGR率，最大負EGR率可達-5.4%。引入點與引出點的壓差及EGR率如圖4所示。

為了解決該問題，在EGR引入位置安裝文丘里管進行增壓氣體的減壓，以保證必要的正EGR率[2]。

4 基于DoE的結構布置優化

為提高EGR系統的工作能力，并使EGR技術對發動機動力性和燃油經濟性造成的不利影響最小化，采用DoE技術對文丘里管式高壓循環EGR系統結構布置方案進行多目標優化設計。DoE優化設計流程如圖5所示。

4.1 因素定義

4.1.1 設計參數定義

文丘里管式高壓循環EGR系統的主要結構參數有：

a. 文丘里管喉口直徑D；

b. 文丘里管漸縮段錐角S；

c. 文丘里管漸擴段錐角K；

d. 文丘里管混合段長度L；

e.EGR閥到引入點的距離E。

通過2水平析因設計[3]，利用優化軟件SPSS對設計參數進行敏感性分析。基于顯著性t檢驗的結果，綜合分析上述結構參數對新鮮空氣進氣量和EGR率的影響效應，最終選取D、L和E作為主要設計因素進行優化設計。設計參數定義如表2所列。

表2 設計參數定義 mm

4.1.2 優化目標定義

定義優化目標為發動機9個工況下的新鮮空氣進氣量和EGR率（即共18個目標），使各工況下的新鮮空氣進氣量和EGR率盡可能大，并以提高中高轉速及中高負荷的新鮮空氣進氣量和EGR率為主要目的[4]。

4.2 試驗方案設計

3個設計參數均選取5個水平 （最大，3/4，1/2，1/4，最小）進行方案設計，若進行全因子試驗，則需進行5×5×5=125次計算，為減少仿真次數，選取田口試驗設計法[5]進行試驗設計。

4.3 模擬計算

按照設定的試驗方案，在BOOST軟件中完成模擬計算，計算結果將作為后續數學建模工作的數據基礎。

4.4 建立數學模型

基于BOOST軟件的仿真試驗數據，在優化軟件OPTIMUS中建立設計參數D、L、E與優化目標各轉速下的新鮮空氣進氣量FA、EGR率之間的數學模型。

在OPTIMUS中分別建立RBF模型、Kriging模型、泰勒多項式模型和用戶多項式模型，分析對比各模型的回歸系數R2[6]，發現泰勒多項式模型與計算數據擬合度最好，故采用泰勒多項式模型。

4.5 基于泰勒多項式模型的優化

4.5.1 全局優化

首先采用非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithms，NSGA）進行基于數學模型的全局尋優，根據目標權重選擇最優的Pareto解：D=27.6 mm，L=43 mm，E=519 mm。

4.5.2 局部優化

局部尋優算法是將全局尋優算法的最優值作為迭代計算起點值進行尋優設計，在起點值附近進行更加精確的尋優，并提升優化工作效率，減小工作量[6]。在全局尋優的基礎上，基于泰勒多項式模型，利用NSGA算法進行局部尋優。通過對全局尋優Pareto解集分析，確定局部尋優區間如表3所列。

表3 局部尋優區間 mm

對局部尋優的Pareto解集進行分析，根據目標權重，選取最優的Pareto解：D=28.4 mm，L=46 mm，E=510 mm。

4.5.3 優化結果分析

全局優化和局部優化結果如圖6所示。

由優化結果可知，基于泰勒多項式模型的NSGA全局尋優對全工況內的新鮮空氣進氣量和EGR率都有提升，尤其是對中高轉速、中高負荷的EGR率提升最為明顯。

通過兩種尋優算法的結果對比，可得出如下結論：

a. 局部尋優算法與全局尋優算法得出的新鮮空氣進氣量與EGR率基本一致。

b. 局部尋優算法由于定位更加準確，因而得出的最優值比全局尋優算法的稍好。局部尋優相對于全局尋優，在大多數工況內EGR率有小幅度的提升，提升率為0.1%～3.0%，低負荷工況的EGR率有小幅度的降低；在全工況內，新鮮空氣流量有小幅度上升，上升幅度在1%以內。

c. 相對于初始方案，局部尋優的新鮮空氣進氣量和EGR率均有較大程度的改善，新鮮空氣進氣量上升1%～4%，EGR率絕對值上升1%～5%。

因此，以局部尋優方案作為該高壓循環EGR系統最終的結構設計方案。

4.6 仿真驗證

將局部尋優優化結果代入BOOST軟件中和泰勒多項式模型中進行計算，結果如圖7所示。

由圖7可知，數學模型所計算的優化結果數據與發動機流動分析計算的數據誤差很小，各工況的新鮮空氣進氣量和EGR率相對誤差值均在5%以內，從而驗證了基于數學模型優化結果的正確性，進而也證明了DoE優化過程的正確性。

5 優化方案對發動機性能的影響

對初始方案下、未采用文丘里管EGR系統條件下、優化方案（最優解）下的發動機流動特性數據進行對比，具體數據如圖8所示。

由圖8可知：

a. 未采用文丘里管的高壓循環EGR系統，在低轉速區域由于負EGR率的存在，使發動機充氣效率大幅下降，發動機動力性和燃油經濟性相對原機惡化嚴重；中高轉速時壓差較小，EGR率較低。

b. 初始方案喉口直徑過小，文丘里管內流速接近當地聲速而發生氣體壅塞現象，進氣阻力過大，影響發動機新鮮空氣進氣量。采用基于數學模型的尋優計算后，EGR系統優化設計方案可以降低發動機動力性和燃油經濟性的損失。相對于初始設計方案，在全工況范圍內，優化方案動力性指標提升約在1%～3%，燃油經濟性指標改善約在1%～5%。相對于未采用文丘里管的EGR發動機，在低轉速工況內，優化方案的發動機充氣效率、動力性和燃油經濟性指標提升2%～6%；在高轉速區域，由于文丘里管的節流損失，發動機充氣效率、動力性和燃油經濟性指標有2%以內的下降。

6 結束語

a. 通過2水平析因設計，得出文丘里管喉口直徑對EGR系統流動狀態影響最為顯著的結論。

b.采用DoE，技術通過科學合理的設計EGR系統仿真計算方案，正確分析模擬計算結果，能夠高效準確地實現EGR系統最優結構方案的設計。

c.文丘里管的采用大大提升了EGR系統的工作能力，優化方案的EGR率絕對值提高了5.5%～11.5%。

d. 結構設計優化方案相對于初始方案，其全工況下新鮮空氣進氣量上升1%～4%，EGR率絕對值上升1%～3%，實現了發動機動力性、燃油經濟性和排放性能的最優組合。

1 AddyMajewski W，Mafdi K Khair.Diesel Emissions And Their Control.SAE International，2006.

2 高征.車用增壓中冷柴油機4氣門及EGR系統流動過程的研究:[學位論文].上海：同濟大學，2005.

3 葉年業,劉潔,倪計民，等.車用汽油機流動過程模擬及基于DoE的配氣相位優化.內燃機工程.2011（04）.

4 倪計民.汽車內燃機原理.上海：同濟大學出版社，1997.

5 TaguchiG.,YokoyamaY.Taguchimethods.design of experiments，1993.

6 杜倩穎.DoE理論及在發動機優化設計中的應用研究:[學位論文].上海：同濟大學，2010.