基于模型的E85 乙醇汽油發動機DVVT 優化

李承運 楊 美 孫建軍 方會詠 李 偉 羅 珒 趙福成

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著石化能源的不斷消耗，石油的儲量日漸減少，資源變得日益緊張，尤其是對于中國這種資源消耗型大國，資源問題尤其嚴重。加之目前排放標準的日益嚴格，汽車行業急需尋找能夠替代汽油的、生產方便的、可再生的且排放更少的燃料。乙醇具有可再生性、生產原材料易于獲取、抗爆震性能優良和低污染物排放等優點，是一種優良的汽油發動機代用生物燃料[1]。有數據顯示，相比于傳統的92#汽油，我國成品汽油構成中，只有20%是乙醇汽油。但是，乙醇汽油可以顯著降低CO、HC 和NOx排放。劉圣華等通過試驗研究得出，使用乙醇汽油，可以使CO 和NOx排放分別降低15%和5%[2]；王春杰等經研究發現，使用乙醇汽油后，整車的CO、HC 和NOx排放分別下降了30%、18%和10%[3]。更重要的是，使用乙醇汽油，不要求改變原汽車發動機結構，因此具有廣泛的推廣應用潛力。

本文以一臺普通量產的三缸直噴增壓水冷汽油機為基礎，在不做任何硬件結構改動的前提下，針對燃油經濟性和氣體污染物排放進行E85 乙醇汽油的燃燒優化。采用基于模型的優化思想對可變進排氣門正時（DVVT）進行優化，不僅可以準確得到針對乙醇汽油的最佳進排氣正時參數，同時顯著縮短了試驗周期。

1 試驗裝置和試驗方法

在一臺量產的15TD 直噴增壓汽油機上，采用E85 乙醇汽油（用85%體積分數的工業乙醇與15%體積分數的92# 汽油均勻混合而成），依據整車WLTC 試驗循環，提煉出發動機常用部分負荷工況，開展正時優化試驗。發動機的主要技術參數如表1所示。

表1 發動機主要技術參數

臺架試驗系統布置如圖1 所示。測功機為HORIBA 瞬態測功機，檢測和控制發動機轉速和轉矩的變化，確保工況穩定；采用AVL IndiCom 燃燒分析儀對缸內燃燒實時監控，并記錄相關燃燒參數；采用HORIBA 瞬態排放設備監控優化過程中發動機的原始排放變化，包括CO、THC、NOx等有害污染物排放變化。

圖1 發動機臺架試驗布置示意圖

為了縮短試驗時間，此次DVVT 優化試驗采用了基于試驗設計（DOE）和基于模型的優化方法，比傳統方法可節約50%的臺架標定時間。本文中涉及到的DOE 和標定優化均采用MATLAB 中的基于模型標定工具箱（model based calibration tools）實現。最后，將優化正時后的油耗數據導入CRUSE 進行整車燃油經濟性仿真，評估優化效果。

2 基于模型的DVVT 優化

基于模型的優化技術是以DOE 理論為基礎，通過對試驗數據擬合回歸找出數據間的數學關系，建立發動機的輸入輸出數學模型，然后據此數學模型對發動機的標定參數進行優化。圖2 為典型的基于統計學建立的發動機數學模型示意圖。

圖2 發動機數學模型示意圖

具體到本文的DVVT 優化，首先建立發動機的油耗、排放等性能參數與DVVT 關系的數學模型，然后基于該數學模型進行DVVT 優化。基于模型的優化方法包含的主要步驟有：試驗設計即DOE、臺架測試、建立數學模型、基于模型優化和優化結果臺架驗證。

本試驗中，發動機采用的凸輪軸方案為：進氣氣門最大升程為8.5 mm，排氣氣門最大升程為8.57 mm，基礎重疊角為34°CA（1 mm 氣門升程），進氣正時物理調節范圍為-37.5～12.5 °CA（相對排氣上止點，下同），排氣正時物理調節范圍為-11.5～18.5°CA。氣門重疊角如圖3 所示。

圖3 發動機氣門重疊角

2.1 基于DOE 的DVVT 優化

根據WLTC 試驗循環，篩選出24 個試驗工況進行優化，具體工況如表2 所示。

表2 臺架試驗部分負荷工況列表

目前，常用的采樣點分布算法[4-5]包括最優DOE算法和空間填充（Space-Filling）算法。按優化目標不同，最優DOE 算法又分為D-Opimal、V-Optimal 和A-Optimal。這3 種算法更適用于多項式建模。空間填充算法強調在試驗次數和建模可靠性之間求得平衡，事先不需要選定模型，不需要對系統有所了解就可以設計試驗。空間填充算法依據最大化最小間距（maximize minimal distance）原則，利用多維空間的2點間距，用擴展勾股定理計算，如公式（1）所示。

式中：n 為空間維度，即參數數目，分別為2 點的第i維坐標。

用擴展勾股定理計算相鄰兩點間的距離，使試驗空間中2 點間距的最小值最大化，從而實現樣本的均勻分布。本文的正時優化試驗采用空間填充算法實現試驗樣本最優分布。

本試驗中所用的發動機可變進排氣門正時調節范圍如下：可變進氣門正時（IVVT，即進氣VVT）調節范圍為50°CA，可變排氣門正時（EVVT，即排氣VVT）調節范圍為30°CA。按照傳統矩陣掃點方法，每5°CA 定義為一個水平，每個工況至少要做77 組臺架試驗才能挑選出最優組合。采用Space-Filling算法，只需22 組數據即可實現優化目的。通過Space-Filling 算法計算的DOE 正時散點分布如圖4所示。

圖4 Space-Filling 算法計算的正時散點圖

2.2 開展臺架試驗

采用E85 燃油，在熱機工況下進行部分負荷正時優化試驗，軌壓采用原始ECU 標定數據，點火提前角控制在AI50 為6～10°CA 或者爆震邊界，空燃比控制在理論空燃比附近，DVVT 按照DOE 列表進行調整。若發動機燃燒時平均指示壓力循環波動率（IMEPCov）大于10%，則跳過該DVVT 組合，進入下一組合。

2.3 建立發動機數學模型以及模型評估

將24 個工況的臺架試驗數據導入MBC 工具箱，建立point-by-point 模型，如圖5 所示。該模型采用混合多項式進行擬合，得到發動機油耗、排放、燃燒穩定性與正時之間的對應關系。

圖5 發動機的數學模型結構圖

發動機排放數學模型在用于優化之前需要進行性能評估。常用的評價指標有均方根誤差（root-meansquare error,RMSE），決定系數（coefficient of determination）r2、自適應確定系數、預測確定系數[6]。

決定系數r2表征模型與測試數據的擬合精確度。r2越接近1，表示模型參考價值越高，通常要求此值大于0.90。自適應確定系數用于評判模型的自由度數目（模型項數）是否合適。當r2與的數值相近且接近1，表明模型擬合較好，并且模型階數設置合理，通常要求此值（）大于0.90。預測確定系數表征模型的預測能力,越接近1，表明模型預測能力強，通常要求此值大于0.90。由于實際測量中會引入各種設備的測量誤差、發動機工況波動散差、隨機誤差等，需要在模型評價時剔除一些偏差過大的實際測量數據，以提高模型的精度和預測能力。圖6為2 000 r/min@0.4 MPa 工況下油耗模型的評價結果。可知，評價指標優良，模型具有足夠的預測能力。其它工況的模型依此方法逐一改進。

圖6 多項式擬合模型評價結果

2.4 基于模型的DVVT 優化

將24 個工況的數學模型導入CAGE 工具箱，開展油耗和排放優化。優化遵循多目標優化的折中（tradeoff）原則[7]，即以油耗為主要優化目標，兼顧氣體排放最低和燃燒穩定性最優。折中優化過程示意圖如圖7 所示。

圖7 多目標折中優化

經過優化后的各工況DVVT 參數，依據平順性要求生成MAP 如圖8 所示。

圖8 優化后的DVVT MAP 圖

3 優化前后試驗結果對比與分析

將優化后的正時參數刷寫進ECU，進行臺架測試。測試結果顯示，相比原始正時參數，優化正時后，多數部分負荷工況的油耗都有一定的下降。表3 為優化正時前后油耗差異，用優化后的油耗減去優化前的油耗，即得到油耗的降低程度。

表3 優化正時前后油耗差異 g/（kW·h）

從表3 可以看出，優化后，油耗下降。原因主要有以下幾點：

1）表4 為優化正時前后氣門重疊角差異，即用優化后的氣門重疊角減去優化前的氣門重疊角。

表4 優化正時前后氣門重疊角差異 °CA

可以發現：在中小負荷，優化后的氣門重疊角明顯增加。這樣可以有效減少泵氣損失，進而降低油耗。由于E85 乙醇汽油的含氧量較高，所以即使在大氣門重疊角導致殘余廢氣過多的情況下，缸內混合氣仍然可以穩定燃燒；在大負荷，優化后的氣門重疊角較優化前小，主要體現在優化后的進氣VVT 較優化前更加接近初始位置。一方面由于進氣門開啟較晚，會導致進氣歧管壓力增加，可減少泵氣損失；另一方面，進氣門晚開，可以保證大負荷情況下缸內殘余廢氣少，有利于改善燃燒效率，從而降低油耗。

2）使用乙醇汽油后，由于乙醇汽油的蒸發潛熱大，蒸發時吸收的熱量多，所以更容易降低氣缸內溫度，抑制爆震現象發生[8]。在中大負荷，相對于原始ECU 數據，優化后的點火提前角可以更接近理想點火提前角（AI50 處于6～10°CA），從而實現降低油耗的目的。

3）使用E85 乙醇汽油后，由于排氣溫度降低，發動機在大負荷時混合氣無需進行加濃。相比原始ECU 數據，優化后的空燃比（lambda）全部在理論空燃比附近，大負荷油耗降低。

將優化后的油耗數據導入AVL 的CRUSE 軟件，進行燃油經濟性仿真，對比優化正時前后的油耗降低情況。整車模型采用吉利博越車型，匹配7 速DCT 變速箱，采用WLTC 試驗循環考核經濟性。仿真結果對比顯示，經過正時優化后的整車燃油經濟性較優化前改善約2.6%。

4 結論

1）通過采用基于模型的方法優化DVVT 參數，不僅很好地達到了試驗目的，而且還有效縮短了近60%的臺架試驗周期，節約了可觀的成本。

2）通過整車仿真計算可知，不用對發動機做任何硬件改動，僅通過優化正時參數，就得到了2.6%的經濟性改善，達到了預期的效果。

3）通過此次正時優化試驗，進一步掌握了E85燃油在部分負荷的燃燒特性，為下一步的全面標定優化工作奠定了良好的基礎。

4）鑒于E85 乙醇汽油良好的抗爆震性能，建議增加發動機的壓縮比，進一步發揮乙醇汽油的節油潛力。

5）經實際測試，E85 乙醇汽油中含氧量高達29%。同等發動機工況下，相比使用普通汽油，使用乙醇汽油后，進氣量可以減少約29%。這樣可以考慮使用更小流量、更小慣量的渦輪增壓器，進一步提高發動機響應速度和燃油經濟性。

6）E85 乙醇汽油可以在米勒循環發動機、阿特金森循環發動機上進行匹配嘗試，可以最大限度地發揮2 種循環的節油效果，且保證發動機的動力性損失最小。