基于Taguchi算法的OP2S柴油機氣口結構參數優化

馬少杰，樊文欣，楊偉，張盛棕，程必良

(中北大學能源動力工程學院，山西 太原 030051)

隨著石油、天然氣等資源越來越少，不可再生能源的消耗問題日益突出。而內燃機作為汽車主要的動力源，每年消耗的石油能源約占石油總消耗的70%以上。并且隨著汽車保有量的增加，環境污染問題也變得越來越嚴重[1]。為了改變這種現狀，國家大力提倡開發新能源，但目前的還面臨著許多技術問題與安全問題，研究現狀并不樂觀[2]。

在此背景之下，對置二沖程(Opposed-Piston, Two-Stroke，簡稱OP2S)柴油機進入人們的視線。在相同活塞數的前提下，OP2S柴油機減少了氣缸數，提高了傳熱效率，并且具有較大的沖程缸徑比，效率高，可以有效減少能源浪費，節省大量的不可再生資源[3]。除此以外，OP2S柴油機燃燒溫度低，NOx排放量少，對減少環境污染也有巨大潛力。但是，OP2S柴油機存在換氣時間短、換氣質量差的問題，其換氣持續時間為120°～150°，而四沖程柴油機的換氣持續時間為400°～500°，OP2S柴油機的換氣時間還不及四沖程柴油機的一半。而換氣過程是OP2S柴油機工作的重要組成部分，它在很大程度上決定了缸內可充入的新鮮氣體的質量，進而影響到發動機的整個工作循環，因此，解決其換氣效率低的問題顯得尤為關鍵。

目前，對OP2S柴油機氣口結構的優化研究大多集中在氣口結構對換氣過程影響的機理性和規律性研究[4-6]，對氣口參數的優化設計及其實用性技術方法提及并不多。本研究基于Taguchi算法，選取了影響OP2S柴油機換氣性能的主要參數，如進氣口高度、進氣口寬度圓周比、排氣口高度、排氣口寬度圓周比，對氣口面積進行了優化，以期為以后OP2S柴油機的優化提供參考。

1 試驗設計

1.1 仿真設計

在GT-Power中并沒有OP2S柴油機(見圖1)的發動機模塊，所以需要對傳統柴油機與OP2S柴油機進行等效處理，而OP2S柴油機與傳統柴油機的結構并沒有本質區別，所以只需要在傳統柴油機一個活塞的基礎上進行活塞的等效位移處理即可，除此以外，噴油器噴油、活塞壓燃與傳統內燃機的燃燒模型一致。圖2示出OP2S柴油機左右活塞位移等效為總活塞位移的等效位移圖。

圖1 OP2S柴油機結構簡化圖

圖2 等效活塞位移

將活塞位移等效后，基于表1的基本數據建立GT-Power仿真模型(見圖3)。模型由進排氣環境、管道、進排氣口、曲軸箱、氣缸、噴油器構成，其中燃燒模型為韋伯燃燒模型，傳熱模型為Woschni傳熱模型。

表1 OP2S柴油機基本參數

圖3 一維仿真模型

模型建立之后，要對其進行標定驗證，對此，本模型依據Neerav Abani[7]研究得到的柴油機缸壓和放熱率數據，對仿真結果進行驗證(見圖4)。結果顯示，仿真結果與試驗數據基本吻合，因而該OP2S柴油機仿真模型是可靠的，可以用于下一步的分析研究。

圖4 仿真結果與試驗結果對比

1.2 表征參數的確定

一維模型建立完成后，需要對試驗參數與評價參數進行確定。本研究選取進排氣口高度與寬度圓周比作為表征的參數；由于OP2S柴油機的換氣過程較為復雜，目前并沒有單一的參數可以全面表征其換氣系統的性能，所以將評價參數確定為平均指示壓力、給氣比、掃氣效率。其中，平均指示壓力可以表征其動力性能，給氣比可以表征掃氣泵的做功情況，掃氣效率可以表征掃氣效果[8]。

1.3 正交試驗設計

大量文獻數據顯示，進排氣口寬度圓周比大多集中在0.70左右，寬度圓周比越大，氣口面積越大，但寬度圓周比若超過0.80就會影響氣缸的結構強度，因此，最終將寬度圓周比的取值范圍定為0.70～0.77。而對于進排氣口高度的選擇，進行了88組的仿真試驗，最終將進、排氣口的高度分別確定為23～27 mm和33～37 mm，此范圍與前人研究范圍不同，更能反映接近最佳氣口高度之后的參數變化規律。據此設計的四因素三水平的因素位級表見表2。

表2 因素位級表

2 Taguchi算法優化效果分析

2.1 均值分析

Taguchi算法是一種以正交試驗為基礎，利用少量數據得到最優參數組合的優化設計方法。它具有3個靜態特性，分別是望大特性、望小特性、望目特性，可根據這3個特性計算Taguchi的重要評價指標——信噪比。根據計算公式的不同，信噪比也可以分為望大信噪比、望小信噪比、望目信噪比。在試驗中，掃氣效率與給氣比可看作百分率，而田口算法將百分率采用變量代換轉化為望小特性來處理[9]，所以也可將百分率特性劃歸望小特性看待。因此給氣比與掃氣效率可采用望小特性信噪比進行計算：

(1)

而平均指示壓力可采用望大信噪比進行計算：

(2)

式中：n為試驗重復次數；yi為第i次模擬仿真得到的評價參數數據。因此，可將S/N1作為給氣比望小值的信噪比，S/N2作為掃氣效率望小值的信噪比，S/N3作為平均指示壓力的望大值信噪比，據此設計的四因素三水平的正交試驗方案及仿真結果見表3。根據表3可計算得出S/N1，S/N2，S/N3在各試驗因素和水平下的平均信噪比，分別為3.099 931，3.475 164，117.650 302，可與各自相對的參數作對比。而各因素和水平下的平均信噪比見表4～表6。

表3 正交試驗及信噪比計算結果

表4 給氣比平均信噪比分析

表5 掃氣效率平均信噪比分析

表6 平均指示壓力信噪比分析

由于信噪比值越大，OP2S柴油機的換氣性能越好，因此，由表4可以看出給氣比平均信噪比最大的方案為A1B3C1D2,即進氣口高度為23 mm，排氣口高度為37 mm，進氣口寬度圓周比為0.73，排氣口寬度圓周比為0.75。由表5可以看出掃氣效率平均信噪比最大的方案為A1B3C1D2,即進氣口高度為23 mm，排氣口高度為37 mm，進氣口寬度圓周比為0.73，排氣口寬度圓周比為0.75。平均指示壓力平均信噪比最大的方案為A3B1C2D1(見表6)，即進氣口高度為27 mm，排氣口高度為33 mm，進氣口寬度圓周比為0.75，排氣口寬度圓周比為0.73。

2.2 極差分析

極差越大，說明該因素對換氣效果的影響越顯著，根據極差分析可以得出四個試驗因素對三個評價指標的影響程度順序，極差公式即為各試驗因素的最大平均信噪比減去最小平均信噪比。由表7可以看出，試驗因素對給氣比的影響順序由大到小依次為進氣口高度，排氣口高度，排氣口寬度圓周比，進氣口寬度圓周比；對掃氣效率的影響順序由大到小依次為進氣口高度，排氣口高度，排氣口寬度圓周比，進氣口寬度圓周比；對平均指示壓力的影響順序由大到小依次為排氣口高度，進氣口高度，排氣口寬度圓周比，進氣口寬度圓周比。

表7 極差分析

2.3 試驗因素對信噪比影響占比分析

利用信噪比的總體平均值以及各因素各水平的平均信噪比可以算出各試驗因素對換氣性能影響的占比[10]：

(3)

式中：T為評價參數信噪比；x為試驗因素；m(T)為信噪比平均值；mx(Ti)為某一水平下的信噪比平均值。各參數對換氣性能的影響占比見表8。由表8可以看出，各單因素對給氣比、掃氣效率、平均指示壓力的影響順序與極差分析一致。通過信噪比的均值分析可以對單一目標進行優化，而進行多目標優化時需考慮各因素對換氣性能各個因素信噪比的影響占比。在表8中可以明顯看到排氣口高度對平均指示壓力的影響顯著，因此排氣口高度選定為33 mm；進氣口高度的影響占比很小，綜合考慮給氣比與掃氣效率，將進氣口高度定為25 mm；而寬度圓周比雖然有一定的改善效果，但過大的寬度圓周比會影響氣缸的結構強度，因此將進排氣口的寬度圓周比均定為0.75。

表8 各參數對換氣性能的影響占比

3 結束語

采用Taguchi算法對OP2S柴油機的氣口結構進行了優化。研究結果表明，當進氣口高度為25 mm、排氣口高度為33 mm、進排氣口寬度圓周比為0.75時，既可以保持氣缸的結構剛度，又可以取得良好的換氣性能，此時，OP2S柴油機的給氣比為0.714 2，掃氣效率為0.683 6，平均指示壓力為0.777 3。