基于GT-Power DOE的柴油機性能優化

姜峰 王海長 胡玲玲 王春風 胡杰

摘 要：為研究進排氣門正時角度和進氣歧管長度對于柴油機綜合性能的影響，利用發動機仿真軟件GT-Power對某款國產柴油發電機的柴油機部分進行建模，并基于臺架實驗驗證其模型準確性。在額定轉速為1 500 r/min、負載為90%的工況下，應用實驗設計（design of experiments， DOE）工具，以發動機進排氣門正時角度和進氣歧管長度作為自變量，柴油機功率、比油耗和碳煙（soot）排放率為因變量，進行了最大功率、最小比油耗和最低碳煙排放量的多目標優化。結果表明：適當縮短進氣歧管長度可以提高發動機進氣壓力和進氣效率，提高發動機動力性和燃油經濟性，增大氣門重疊角可以有效降低氣缸的泵氣損失，提升柴油機做功效率，同時降低氣缸內溫度，從而降低碳煙的排放率。最終，各個目標值分別實現了1.3%、1.0%和2.6%的優化。

關鍵詞：柴油機；多目標優化；進氣歧管長度；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

隨著全球環境問題的日益凸顯以及人們環保意識的提高，人們對于內燃機的功率、油耗和尾氣排放的相關要求更加嚴格。為應對日益嚴峻的市場挑戰，各品牌柴油機都在向著動力更強、油耗更低、污染更少的方向發展[1-2]。作為柴油機的關鍵組件，優良的進排氣系統設計通過提升內燃機的容積效率，可實現在特定行駛工況下產生更加出色的扭矩和功率[3-5]，在提高柴油發動機動力性能的同時，有效降低了燃料消耗和污染物排放量[6-7]。不少研究者對發動機進排氣系統的優化問題開展了深入研究，從而進一步改善內燃機性能。Magdas等[8]通過改變進氣歧管長度、形狀和排氣閥門設計等參數對內燃機的進排氣系統進行優化，提高了發動機的吸氣效率和排放性能。劉飛等[9]應用湍流模型，分析排氣系統的內流場特性，對排氣系統的結構進行優化設計；根據優化設計結果，對排氣系統內外壁的熱負荷特性、振動特性等進行了仿真分析，為發動機性能的提升提供重要的設計基礎。胡春明等[10]針對一款無人機用活塞發動機，運用GT-Power與Simulink進行聯合仿真，使用自適應遺傳算法對進氣歧管長度、直徑、空濾器后腔容積和排氣歧管長度等變量進行優化，提高了發動機的各項性能。Zhang等[11]使用三維流體動力學模擬模塊CFX16.1、靜態結構，優化軟件OptiSlang和一維仿真工具GT-Power對離心壓氣機葉輪進行氣動和力學的多目標優化，通過對葉輪葉片和輪轂型線進行參數優化，降低了壓縮機所需轉速，減少了泵氣損失，提高了發動機效率。

本文以某款功率為160 kW的國產柴油發電機的柴油機部分作為研究對象，運用GT-Power軟件進行仿真建模，并通過臺架實驗驗證模型的準確性；研究分析柴油機在1 500 r/min的額定轉速、90%負載的柴油發電機常用發電工況下，運用實驗設計（design of experiments， DOE）方法，探究柴油機進排氣門正時和進氣歧管長度對柴油機性能的影響，并對柴油機的綜合性能進行多目標優化。

1 仿真模型建立與驗證

本文研究的160 kW柴油發電機由柴油機和發電機兩部分組成，柴油機部分運用了廢氣渦輪增壓和閉式循環水冷卻技術，額定轉速為1 500 r/min，額定功率為180 kW，排量為7.8 L。表1是該款柴油發電機柴油機部分的相關參數。

本研究運用GT-Power進行建模，仿真模型主要包括渦輪增壓系統、進排氣系統、氣缸模塊和曲軸箱模塊。氣缸模塊的建立主要包括：氣缸工作環境條件和氣缸幾何模型的設置，氣缸內熱傳導模型和氣體燃燒模型等方面的設置[12]。GT-Power的仿真軟件可以通過對進排氣閥門組件中“Cam Timing Angle”參數的設定，達到對內燃機中配氣干涉相位變化的精確監控[12]。柴油機主要計算參數的設定如表2所示，圖1為柴油機一維模型圖。

為進一步評價所建立柴油機模型的可靠性，研究團隊進行了相關臺架實驗。選取柴油機轉速為1 500 r/min的額定轉速，使用電子調速器，通過改變柴油機燃油供給系統的供油量，從而實現在恒定轉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驗值，并與相同條件下的仿真值進行對比。圖2和圖3分別為不同扭矩下的功率、比燃油消耗（比油耗）實驗值與仿真值曲線，以及不同功率下比油耗、小時油耗實驗值與仿真值曲線。由圖2和圖3可知相關實驗值與仿真值擬合效果較好，最大誤差為4.6%，滿足內燃機仿真模型中瞬態模型誤差值不高于10.0%、穩態模型誤差值不高于5.0%的要求，可以認為模型的可靠性滿足設計基本要求，可以運用該模型進行下一步研究。

2 多目標優化

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電機保持核心競爭力的根本要素。本文柴油發電機的柴油機部分在轉速為1 500 r/min、負載為90%的常用發電工況下，實驗測定功率為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。為進一步提高柴油機的整體性能，運用GT-Power附帶的DOE工具對仿真模型進行多目標優化。DOE方法為：通過對相關參數在其定義域內進行采樣分析，并運用數值擬合工具表征相關參數與目標值之間的數值關系，進而通過對關鍵變量的合理控制完成對優化指標的優化。該方法去除了常規產品優化過程中繁雜的實驗步驟，可以在較短時間內完成對目標產品的優化[13]。

2.1 目標變量顯著性檢驗

通過對柴油機的結構進行研究發現，良好的進排氣氣流組織分布狀態可以有效提高柴油機的性能表現，對柴油機的進、排氣門正時角度和進氣歧管長度值進行優化可以有效提升柴油機的綜合性能。將獲得最高功率并實現最低的比油耗和碳煙排放量作為優化目標，在不改變氣門開啟時長的條件下，進行柴油機氣門開啟時正時角度和進氣歧管長度的多參數優化過程。綜合考量柴油機缸內氣體正常燃燒的界限和柴油機整體結構設計的限制，設定柴油機氣門正時角度與進氣歧管長度數值范圍如表3所示。

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

2.1.1 優化模型擬合優度分析

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

2.1.2 優化模型目標變量顯著性分析

運用實驗設計工具對優化模型中各優化參數與目標值之間的顯著性分布進行描述，獲得3個優化參數（進、排氣門正時角度、進氣歧管長度）與3個目標值（功率、比油耗、碳煙排放量）之間的主效應圖，如圖5所示。對比3張主效應圖可以發現，柴油機的進、排氣門正時角度對優化的3個目標值都有較大的影響，對于柴油機的功率都呈負相關，比油耗都呈正相關，與碳煙排放量、進排氣門正時分別呈負相關和正相關。柴油機進排氣門正時角度主要控制氣缸內工作氣流的狀態，進排氣門開閉時刻的不同將產生不同的氣缸背壓，背壓影響柴油機進排氣效率，并進一步影響到柴油機的綜合性能[15]。進氣歧管長度值對于優化的3個目標值影響較小，原因在于進氣歧管長度值主要影響柴油機進氣量和進氣壓力值，相比進排氣門正時，控制氣缸內工作氣流狀態直接影響柴油機的綜合性能，進氣歧管長度值對于柴油機的性能表現影響較小。柴油機進、排氣門正時角度之間的交互作用對于3個優化目標具有一定的影響，主要在于進氣門晚關與排氣門早開在柴油機工作循環中產生一個氣門重疊角，此時柴油機進、排氣門處于同時開啟狀態，新鮮進氣對廢氣的掃氣作用可以進一步提高柴油機的泵氣效率，同時起到降低氣缸內溫度的作用，減少柴油機碳煙排放量，從而提高柴油機的綜合性能。綜上可知，3個自變量對于3個優化目標值均具有一定程度的影響。

2.2 優化結果

通過對相關參數的顯著性檢驗分析發現3個變量對3個目標值均具有顯著影響，共同影響柴油機的各項性能指標。為實現對柴油機功率、比油耗和碳煙排放率3項指標的優化，在控制柴油機1 500 r/min的額定轉速條件下，將柴油機功率最大、比油耗和碳煙排放量最小設為目標值，運用基于帕累托（Pareto）最優理論的多目標優化方法優化柴油機3項性能指標。

圖6為對柴油機進行多目標優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分布可知，比油耗與碳煙排放量、功率大致呈反比例關系，功率與碳煙排放量大致呈正比例關系，優化過程中的碳煙排放量指標與功率、比油耗指標呈相互矛盾狀態。所以，多目標優化程序難以獲得1個契合3個優化指標的最優解，只獲得了87組帕累托最優解，部分帕累托最優解如表4所示。分析優化結果可知，以碳煙排放量為主要優化目標獲得的優化效果最差，對應的3個目標值優化效果都不理想，而以功率和比油耗作為主要優化目標的優化效果較好。經過綜合考慮，在獲得的87組帕累托最優解中選擇進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、進氣歧管長度為104.65 mm的1組Pareto最優解作為該柴油機進排氣系統的優化方案。為了便于柴油機結構的設計，將上述3個參數進行向上取整，即優化方案調整為：進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、進氣歧管長度為105 mm。

將優化方案代入柴油機模型進行模擬仿真，由計算結果可知柴油機優化后的3項性能指標為：功率167.24 kW，比油耗212.54 g/（kW·h），碳煙排放量3.62 g/m3。對比實驗測定的柴油機性能參數可知柴油機功率、比油耗和碳煙排放率3個目標值分別實現了1.3%、1.0%和2.6%的優化。

由圖7的氣缸P-V曲線可知，優化后的進氣歧管長度縮短了45 mm，使得柴油機單位時間內的進氣量增加，從而提高柴油機的缸內壓力，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（即燃氣在內燃機一個工作循環中于單個氣缸內所做的功）增加了1.1%，改善了柴油機的進氣效率，提高了柴油機的動力表現和燃油經濟性，但是缸內壓力的提升也將導致氣缸工作溫度的增加，進而促使碳煙排放量的增加。對于該問題本次優化方案中通過增加柴油機進、排氣門重疊角加以改進。觀察圖8可知，增加進、排氣門重疊角使得氣缸內進排氣門處于同時開啟狀態的持續時間增加，新鮮進氣對廢氣的掃氣過程使得氣缸的冷卻作用得到進一步增強，從而降低氣缸內工作溫度，其峰值溫度降低了2.7%。在進一步提高柴油機的泵氣效率的同時降低氣缸內溫度，從而降低內燃機的碳煙排放量，提高柴油機的排放性能。

3 結論

通過GT-Power仿真軟件搭建了某款國產柴油發電機的柴油機部分的仿真模型，以柴油機進、排氣門正時角度和進氣歧管長度作為自變量，柴油機功率、比油耗和碳煙排放量為優化目標，在柴油機額定轉速為1 500 r/min、負載為90%的常用發電工況下，運用DOE工具進行多目標優化研究，結論如下：

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

2）通過模型的多目標優化結果可知，適當減小柴油機進氣歧管長度可以增大氣缸單位時間內的進氣量，提高內燃機的缸內壓力和工作循環中氣缸所做的功，從而在獲得更高功率的同時實現更小的油耗，但隨著缸內壓力的提高，氣缸工作溫度也相應增加，進而導致碳煙排放量增加。通過適當增加柴油機氣門疊開角，充分利用新鮮進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溫度，從而降低碳煙排放量，提升柴油機的排放性能。

3）經過模型的多目標優化過程后，該款柴油機在額定轉速為1 500 r/min、負載為90%工況下的功率、比油耗、碳煙排放量3個目標值均得到了優化：功率提高1.3%，比油耗降低1.0%，碳煙排放量降低2.6%。優化方案為：進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：廣西重點研發計劃項目（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：內燃機性能優化，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，E-mail：19535887@qq.com