基于GT-Power DOE的柴油機(jī)性能優(yōu)化

姜峰 王海長 胡玲玲 王春風(fēng) 胡杰

摘 要：為研究進(jìn)排氣門正時角度和進(jìn)氣歧管長度對于柴油機(jī)綜合性能的影響，利用發(fā)動機(jī)仿真軟件GT-Power對某款國產(chǎn)柴油發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)部分進(jìn)行建模，并基于臺架實(shí)驗驗證其模型準(zhǔn)確性。在額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載為90%的工況下，應(yīng)用實(shí)驗設(shè)計（design of experiments， DOE）工具，以發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣門正時角度和進(jìn)氣歧管長度作為自變量，柴油機(jī)功率、比油耗和碳煙（soot）排放率為因變量，進(jìn)行了最大功率、最小比油耗和最低碳煙排放量的多目標(biāo)優(yōu)化。結(jié)果表明：適當(dāng)縮短進(jìn)氣歧管長度可以提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣效率，提高發(fā)動機(jī)動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，增大氣門重疊角可以有效降低氣缸的泵氣損失，提升柴油機(jī)做功效率，同時降低氣缸內(nèi)溫度，從而降低碳煙的排放率。最終，各個目標(biāo)值分別實(shí)現(xiàn)了1.3%、1.0%和2.6%的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；多目標(biāo)優(yōu)化；進(jìn)氣歧管長度；氣門正時

中圖分類號：TK421.5 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.03.001

0 引言

隨著全球環(huán)境問題的日益凸顯以及人們環(huán)保意識的提高，人們對于內(nèi)燃機(jī)的功率、油耗和尾氣排放的相關(guān)要求更加嚴(yán)格。為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的市場挑戰(zhàn)，各品牌柴油機(jī)都在向著動力更強(qiáng)、油耗更低、污染更少的方向發(fā)展[1-2]。作為柴油機(jī)的關(guān)鍵組件，優(yōu)良的進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計通過提升內(nèi)燃機(jī)的容積效率，可實(shí)現(xiàn)在特定行駛工況下產(chǎn)生更加出色的扭矩和功率[3-5]，在提高柴油發(fā)動機(jī)動力性能的同時，有效降低了燃料消耗和污染物排放量[6-7]。不少研究者對發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化問題開展了深入研究，從而進(jìn)一步改善內(nèi)燃機(jī)性能。Magdas等[8]通過改變進(jìn)氣歧管長度、形狀和排氣閥門設(shè)計等參數(shù)對內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高了發(fā)動機(jī)的吸氣效率和排放性能。劉飛等[9]應(yīng)用湍流模型，分析排氣系統(tǒng)的內(nèi)流場特性，對排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，對排氣系統(tǒng)內(nèi)外壁的熱負(fù)荷特性、振動特性等進(jìn)行了仿真分析，為發(fā)動機(jī)性能的提升提供重要的設(shè)計基礎(chǔ)。胡春明等[10]針對一款無人機(jī)用活塞發(fā)動機(jī)，運(yùn)用GT-Power與Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，使用自適應(yīng)遺傳算法對進(jìn)氣歧管長度、直徑、空濾器后腔容積和排氣歧管長度等變量進(jìn)行優(yōu)化，提高了發(fā)動機(jī)的各項性能。Zhang等[11]使用三維流體動力學(xué)模擬模塊CFX16.1、靜態(tài)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化軟件OptiSlang和一維仿真工具GT-Power對離心壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行氣動和力學(xué)的多目標(biāo)優(yōu)化，通過對葉輪葉片和輪轂型線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，降低了壓縮機(jī)所需轉(zhuǎn)速，減少了泵氣損失，提高了發(fā)動機(jī)效率。

本文以某款功率為160 kW的國產(chǎn)柴油發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)部分作為研究對象，運(yùn)用GT-Power軟件進(jìn)行仿真建模，并通過臺架實(shí)驗驗證模型的準(zhǔn)確性；研究分析柴油機(jī)在1 500 r/min的額定轉(zhuǎn)速、90%負(fù)載的柴油發(fā)電機(jī)常用發(fā)電工況下，運(yùn)用實(shí)驗設(shè)計（design of experiments， DOE）方法，探究柴油機(jī)進(jìn)排氣門正時和進(jìn)氣歧管長度對柴油機(jī)性能的影響，并對柴油機(jī)的綜合性能進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

1 仿真模型建立與驗證

本文研究的160 kW柴油發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分組成，柴油機(jī)部分運(yùn)用了廢氣渦輪增壓和閉式循環(huán)水冷卻技術(shù)，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定功率為180 kW，排量為7.8 L。表1是該款柴油發(fā)電機(jī)柴油機(jī)部分的相關(guān)參數(shù)。

本研究運(yùn)用GT-Power進(jìn)行建模，仿真模型主要包括渦輪增壓系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸模塊和曲軸箱模塊。氣缸模塊的建立主要包括：氣缸工作環(huán)境條件和氣缸幾何模型的設(shè)置，氣缸內(nèi)熱傳導(dǎo)模型和氣體燃燒模型等方面的設(shè)置[12]。GT-Power的仿真軟件可以通過對進(jìn)排氣閥門組件中“Cam Timing Angle”參數(shù)的設(shè)定，達(dá)到對內(nèi)燃機(jī)中配氣干涉相位變化的精確監(jiān)控[12]。柴油機(jī)主要計算參數(shù)的設(shè)定如表2所示，圖1為柴油機(jī)一維模型圖。

為進(jìn)一步評價所建立柴油機(jī)模型的可靠性，研究團(tuán)隊進(jìn)行了相關(guān)臺架實(shí)驗。選取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的額定轉(zhuǎn)速，使用電子調(diào)速器，通過改變柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)的供油量，從而實(shí)現(xiàn)在恒定轉(zhuǎn)速下測定不同扭矩下的功率、比油耗以及不同功率下的比油耗和小時油耗的實(shí)驗值，并與相同條件下的仿真值進(jìn)行對比。圖2和圖3分別為不同扭矩下的功率、比燃油消耗（比油耗）實(shí)驗值與仿真值曲線，以及不同功率下比油耗、小時油耗實(shí)驗值與仿真值曲線。由圖2和圖3可知相關(guān)實(shí)驗值與仿真值擬合效果較好，最大誤差為4.6%，滿足內(nèi)燃機(jī)仿真模型中瞬態(tài)模型誤差值不高于10.0%、穩(wěn)態(tài)模型誤差值不高于5.0%的要求，可以認(rèn)為模型的可靠性滿足設(shè)計基本要求，可以運(yùn)用該模型進(jìn)行下一步研究。

2 多目標(biāo)優(yōu)化

以盡可能低的燃油消耗率獲得最高的功率和最低的污染物排放率是發(fā)電機(jī)保持核心競爭力的根本要素。本文柴油發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)部分在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載為90%的常用發(fā)電工況下，實(shí)驗測定功率為165 kW，扭矩為1 050.18 N·m，比油耗為214.69 g/（kW·h），碳煙（soot）排放率為3.72 g/m3。為進(jìn)一步提高柴油機(jī)的整體性能，運(yùn)用GT-Power附帶的DOE工具對仿真模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。DOE方法為：通過對相關(guān)參數(shù)在其定義域內(nèi)進(jìn)行采樣分析，并運(yùn)用數(shù)值擬合工具表征相關(guān)參數(shù)與目標(biāo)值之間的數(shù)值關(guān)系，進(jìn)而通過對關(guān)鍵變量的合理控制完成對優(yōu)化指標(biāo)的優(yōu)化。該方法去除了常規(guī)產(chǎn)品優(yōu)化過程中繁雜的實(shí)驗步驟，可以在較短時間內(nèi)完成對目標(biāo)產(chǎn)品的優(yōu)化[13]。

2.1 目標(biāo)變量顯著性檢驗

通過對柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，良好的進(jìn)排氣氣流組織分布狀態(tài)可以有效提高柴油機(jī)的性能表現(xiàn)，對柴油機(jī)的進(jìn)、排氣門正時角度和進(jìn)氣歧管長度值進(jìn)行優(yōu)化可以有效提升柴油機(jī)的綜合性能。將獲得最高功率并實(shí)現(xiàn)最低的比油耗和碳煙排放量作為優(yōu)化目標(biāo)，在不改變氣門開啟時長的條件下，進(jìn)行柴油機(jī)氣門開啟時正時角度和進(jìn)氣歧管長度的多參數(shù)優(yōu)化過程。綜合考量柴油機(jī)缸內(nèi)氣體正常燃燒的界限和柴油機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，設(shè)定柴油機(jī)氣門正時角度與進(jìn)氣歧管長度數(shù)值范圍如表3所示。

為了消除不均勻采樣引起的系統(tǒng)誤差，本研究運(yùn)用拉丁超立方法進(jìn)行均勻采樣。選取500個樣本點(diǎn)進(jìn)行仿真計算，通過相關(guān)性分析R2檢驗法和顯著性分析檢驗進(jìn)、排氣門正時角度和進(jìn)氣歧管長度3個自變量與柴油機(jī)功率、比油耗和碳煙排放率3個目標(biāo)變量之間的擬合優(yōu)度和顯著性水平。最后通過基于帕累托最優(yōu)（Pareto optimality）的多目標(biāo)規(guī)劃對柴油機(jī)的綜合性能進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 優(yōu)化模型擬合優(yōu)度分析

對各優(yōu)化參數(shù)值與目標(biāo)值之間的數(shù)值關(guān)系通過最小二乘法進(jìn)行擬合，并運(yùn)用R2檢驗法對各參數(shù)和目標(biāo)值之間的擬合優(yōu)度加以考察。對于數(shù)值間回歸關(guān)系的評價，相較于其他評價方法，R2檢驗法具有精度高、運(yùn)算量小的優(yōu)勢[14]。圖4為3個優(yōu)化目標(biāo)值各自擬合優(yōu)度的R2檢驗直方圖。由R2檢驗結(jié)果可以看出各優(yōu)化目標(biāo)值的擬合優(yōu)度都在0.98以上，模型擬合優(yōu)度良好，可對目標(biāo)變量進(jìn)行顯著性分析。

2.1.2 優(yōu)化模型目標(biāo)變量顯著性分析

運(yùn)用實(shí)驗設(shè)計工具對優(yōu)化模型中各優(yōu)化參數(shù)與目標(biāo)值之間的顯著性分布進(jìn)行描述，獲得3個優(yōu)化參數(shù)（進(jìn)、排氣門正時角度、進(jìn)氣歧管長度）與3個目標(biāo)值（功率、比油耗、碳煙排放量）之間的主效應(yīng)圖，如圖5所示。對比3張主效應(yīng)圖可以發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)的進(jìn)、排氣門正時角度對優(yōu)化的3個目標(biāo)值都有較大的影響，對于柴油機(jī)的功率都呈負(fù)相關(guān)，比油耗都呈正相關(guān)，與碳煙排放量、進(jìn)排氣門正時分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)。柴油機(jī)進(jìn)排氣門正時角度主要控制氣缸內(nèi)工作氣流的狀態(tài)，進(jìn)排氣門開閉時刻的不同將產(chǎn)生不同的氣缸背壓，背壓影響柴油機(jī)進(jìn)排氣效率，并進(jìn)一步影響到柴油機(jī)的綜合性能[15]。進(jìn)氣歧管長度值對于優(yōu)化的3個目標(biāo)值影響較小，原因在于進(jìn)氣歧管長度值主要影響柴油機(jī)進(jìn)氣量和進(jìn)氣壓力值，相比進(jìn)排氣門正時，控制氣缸內(nèi)工作氣流狀態(tài)直接影響柴油機(jī)的綜合性能，進(jìn)氣歧管長度值對于柴油機(jī)的性能表現(xiàn)影響較小。柴油機(jī)進(jìn)、排氣門正時角度之間的交互作用對于3個優(yōu)化目標(biāo)具有一定的影響，主要在于進(jìn)氣門晚關(guān)與排氣門早開在柴油機(jī)工作循環(huán)中產(chǎn)生一個氣門重疊角，此時柴油機(jī)進(jìn)、排氣門處于同時開啟狀態(tài)，新鮮進(jìn)氣對廢氣的掃氣作用可以進(jìn)一步提高柴油機(jī)的泵氣效率，同時起到降低氣缸內(nèi)溫度的作用，減少柴油機(jī)碳煙排放量，從而提高柴油機(jī)的綜合性能。綜上可知，3個自變量對于3個優(yōu)化目標(biāo)值均具有一定程度的影響。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

通過對相關(guān)參數(shù)的顯著性檢驗分析發(fā)現(xiàn)3個變量對3個目標(biāo)值均具有顯著影響，共同影響柴油機(jī)的各項性能指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)功率、比油耗和碳煙排放率3項指標(biāo)的優(yōu)化，在控制柴油機(jī)1 500 r/min的額定轉(zhuǎn)速條件下，將柴油機(jī)功率最大、比油耗和碳煙排放量最小設(shè)為目標(biāo)值，運(yùn)用基于帕累托（Pareto）最優(yōu)理論的多目標(biāo)優(yōu)化方法優(yōu)化柴油機(jī)3項性能指標(biāo)。

圖6為對柴油機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化后獲得的功率與碳煙排放率、比油耗與碳煙排放率、功率與比油耗的帕累托圖。

對比以上3張帕累托圖中的帕累托前沿點(diǎn)分布可知，比油耗與碳煙排放量、功率大致呈反比例關(guān)系，功率與碳煙排放量大致呈正比例關(guān)系，優(yōu)化過程中的碳煙排放量指標(biāo)與功率、比油耗指標(biāo)呈相互矛盾狀態(tài)。所以，多目標(biāo)優(yōu)化程序難以獲得1個契合3個優(yōu)化指標(biāo)的最優(yōu)解，只獲得了87組帕累托最優(yōu)解，部分帕累托最優(yōu)解如表4所示。分析優(yōu)化結(jié)果可知，以碳煙排放量為主要優(yōu)化目標(biāo)獲得的優(yōu)化效果最差，對應(yīng)的3個目標(biāo)值優(yōu)化效果都不理想，而以功率和比油耗作為主要優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化效果較好。經(jīng)過綜合考慮，在獲得的87組帕累托最優(yōu)解中選擇進(jìn)氣門開啟時正時角度為224.76 °CA、排氣門開啟時正時角度為125.85 °CA、進(jìn)氣歧管長度為104.65 mm的1組Pareto最優(yōu)解作為該柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化方案。為了便于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將上述3個參數(shù)進(jìn)行向上取整，即優(yōu)化方案調(diào)整為：進(jìn)氣門開啟時正時角度為225 °CA、排氣門開啟時正時角度為126 °CA、進(jìn)氣歧管長度為105 mm。

將優(yōu)化方案代入柴油機(jī)模型進(jìn)行模擬仿真，由計算結(jié)果可知柴油機(jī)優(yōu)化后的3項性能指標(biāo)為：功率167.24 kW，比油耗212.54 g/（kW·h），碳煙排放量3.62 g/m3。對比實(shí)驗測定的柴油機(jī)性能參數(shù)可知柴油機(jī)功率、比油耗和碳煙排放率3個目標(biāo)值分別實(shí)現(xiàn)了1.3%、1.0%和2.6%的優(yōu)化。

由圖7的氣缸P-V曲線可知，優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管長度縮短了45 mm，使得柴油機(jī)單位時間內(nèi)的進(jìn)氣量增加，從而提高柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力，其峰值壓力提高了4.5%，同時由P-V曲線所形成圖形的面積（即燃?xì)庠趦?nèi)燃機(jī)一個工作循環(huán)中于單個氣缸內(nèi)所做的功）增加了1.1%，改善了柴油機(jī)的進(jìn)氣效率，提高了柴油機(jī)的動力表現(xiàn)和燃油經(jīng)濟(jì)性，但是缸內(nèi)壓力的提升也將導(dǎo)致氣缸工作溫度的增加，進(jìn)而促使碳煙排放量的增加。對于該問題本次優(yōu)化方案中通過增加柴油機(jī)進(jìn)、排氣門重疊角加以改進(jìn)。觀察圖8可知，增加進(jìn)、排氣門重疊角使得氣缸內(nèi)進(jìn)排氣門處于同時開啟狀態(tài)的持續(xù)時間增加，新鮮進(jìn)氣對廢氣的掃氣過程使得氣缸的冷卻作用得到進(jìn)一步增強(qiáng)，從而降低氣缸內(nèi)工作溫度，其峰值溫度降低了2.7%。在進(jìn)一步提高柴油機(jī)的泵氣效率的同時降低氣缸內(nèi)溫度，從而降低內(nèi)燃機(jī)的碳煙排放量，提高柴油機(jī)的排放性能。

3 結(jié)論

通過GT-Power仿真軟件搭建了某款國產(chǎn)柴油發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)部分的仿真模型，以柴油機(jī)進(jìn)、排氣門正時角度和進(jìn)氣歧管長度作為自變量，柴油機(jī)功率、比油耗和碳煙排放量為優(yōu)化目標(biāo)，在柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載為90%的常用發(fā)電工況下，運(yùn)用DOE工具進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，結(jié)論如下：

1）通過最小二乘法構(gòu)建自變量與目標(biāo)值間的響應(yīng)模型后，模型R2檢驗值均大于0.98，顯示出較強(qiáng)的擬合優(yōu)度；通過DOE工具進(jìn)行顯著性檢驗可知，柴油機(jī)進(jìn)、排氣門正時角度與進(jìn)氣歧管長度對柴油機(jī)性能的影響均具有較強(qiáng)的顯著性，且柴油機(jī)進(jìn)、排氣門正時角度2個參數(shù)間具有較強(qiáng)的交互性，進(jìn)排氣門正時角度之間的交互作用通過影響柴油機(jī)氣門疊開角進(jìn)而改變柴油機(jī)綜合性能，通過合理設(shè)計柴油機(jī)進(jìn)、排氣門正時角度和進(jìn)氣歧管長度可以有效地提高柴油機(jī)性能。

2）通過模型的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果可知，適當(dāng)減小柴油機(jī)進(jìn)氣歧管長度可以增大氣缸單位時間內(nèi)的進(jìn)氣量，提高內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)壓力和工作循環(huán)中氣缸所做的功，從而在獲得更高功率的同時實(shí)現(xiàn)更小的油耗，但隨著缸內(nèi)壓力的提高，氣缸工作溫度也相應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致碳煙排放量增加。通過適當(dāng)增加柴油機(jī)氣門疊開角，充分利用新鮮進(jìn)氣對廢氣的掃氣作用，在有效降低氣缸的泵氣損失的同時降低氣缸內(nèi)溫度，從而降低碳煙排放量，提升柴油機(jī)的排放性能。

3）經(jīng)過模型的多目標(biāo)優(yōu)化過程后，該款柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載為90%工況下的功率、比油耗、碳煙排放量3個目標(biāo)值均得到了優(yōu)化：功率提高1.3%，比油耗降低1.0%，碳煙排放量降低2.6%。優(yōu)化方案為：進(jìn)氣門開啟時正時角度為225 °CA、排氣門開啟時正時角度為126 °CA、進(jìn)氣歧管長度為105 mm。

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Diesel engine performance optimization based on GT-Power DOE

JIANG Feng1， WANG Haichang1， HU Lingling*1， WANG Chunfeng2， HU Jie1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545616， China; 2. Guangxi Yuchai Machinery Group Co.， Ltd.， Yulin 537005， China）

Abstract： To study the effect of intake and exhaust valve timing angle and intake manifold length on the comprehensive performance of diesel engine， the modeling of diesel engine part of a domestic diesel generator was carried out by using the engine simulation software GT-Power， and accuracy of the model was verified based on bench test. Under the working condition of rated speed of 1 500 r/min and load of 90%， the engine intake and exhaust valve timing angle and intake manifold length were taken as the independent variables， and the diesel engine power， specific fuel consumption and soot emission rate as the dependent variables by using the design of experiments tool， the multi-objective optimization of maximum power， minimum specific fuel consumption and minimum soot emission was carried out. The results showed that appropriately shortening the length of the intake manifold could improve the intake pressure and intake efficiency， power and fuel economy of the engine; increasing the overlap angle of the valve could effectively reduce the loss of pump gas of the cylinder， improve diesel engine working efficiency， and reduce the temperature in the cylinder， thereby reducing the soot emission rate. As a result， the target values were optimized by 1.3%， 1.0% and 2.6%， respectively.

Keywords： diesel engine; multi-objective optimization; intake manifold length; valve timing

（責(zé)任編輯：于艷霞，黎 婭）

收稿日期：2023-08-23；修回日期：2023-10-12

基金項目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（桂科AB24010298，桂科AB24010293）資助

第一作者：姜峰，博士，高級工程師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化，E-mail：18277202672@163.com

*通信作者：胡玲玲，碩士，講師，研究方向：新能源動力技術(shù)，E-mail：19535887@qq.com