基于GT-power的五冲程发动机多目标优化
时间：2023-04-24 17:30:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赖晨光,王思政,胡 博,伍朝兵,李怡俊
(1.重庆理工大学 汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室,重庆 400054;2.重庆理工大学 车辆工程学院, 重庆 400054)
近些年随着人们对于气候问题的关注,汽车排放成为了一个重要话题,各个国家相继出台了一系列严格的排放法规,促使汽车行业向电汽化发展。但是受限于目前的技术条件和电池续航里程,电动汽车的广泛普及还存在问题。增程式汽车兼顾了低排放和长续航的需求,成为了人们在汽车电气化过程中重要的过渡选择。五冲程发动机是一种通过二次膨胀冲程实现高热效率的发动机形式,其独特的工作特性使得五冲程发动机作为增程式汽车的专用发动机成为了可能[1]。近些年已有不少研究人员对五冲程发动机进行了相关研究,并将其和奥托循环发动机进行了对比,发现与奥托循环发动机相比,五冲程发动机具有更高的热效率。参考文献[2-4]通过增加五冲程发动机增压比,实现了比传统四冲程发动机更高的热效率,但是这样给五冲程发动机带来了相当高的机械应力和爆震倾向。Ailloud等[5]在米勒循环发动机和五冲程发动机的对比研究中,通过增加低压缸废气旁通道提升了五冲程发动机在低转速下的扭矩。Li等[6]运用DOE方法开展了提升五冲程发动机热效率的研究,发现气门升程、缸径行程比和膨胀比等对五冲程发动机的热效率影响较大,且在低速工况下其最大热效率比四冲程发动机提高了最多0.57%。五冲程发动机比传统的四冲程发动机有更多的气门,它们控制着气流在五冲程发动机中的合理流动,对发动机的动力性和经济性有着极大的影响。点火时间影响发动机的最大爆发压力和最大缸内温度,对发动机的动力性和污染物排放有较大影响。由于五冲程发动机的性能参数较多,受到的影响因素也较多,传统优化方法在面对此类问题时具有局限性,所以处理这类问题时需要运用更加切实可行的方法。多目标优化方法因其高效性和实用性已被广泛应用于物流工程、机械工程、通信工程等实际问题中,具有重要的研究价值[7]。目前,运用多目标优化方法对五冲程发动机的相关性能进行优化的研究还较少,为此,本文针对五冲程发动机的气门正时和点火时间,开展以动力性、经济性和污染物排放为目标的多目标优化,探索各个变量和目标之间的关系,实现多个目标性能的改善。
1.1 模型理论
1.1.1燃烧模型
Wiebe是典型燃烧速度曲线的近似,在GT-Power中被用以计算发动机模型燃烧速度[8]。
Wiebe常数:
(1)
开始燃烧:
(2)
式中:AA为“Anchor angle”;D为燃烧时间;E为Wiebe指数;CE为燃烧效率;BM为“Anchor angle”时的燃烧燃油百分数;BS为燃烧开始时已燃燃油百分数;BE为燃烧结束时已燃燃油百分数。
计算常数:
已燃中点常数:
BMC=-ln(1-BM)
(3)
已燃开始常数:
BSC=-ln(1-BS)
(4)
已燃终点常数:
BEC=-ln(1-BE)
(5)
燃烧速度:
Combust(θ)=(CE)⎣1-e-(WC)(θ-soc)(E+1)」
(6)
式中,θ为瞬时曲轴转角。
累积燃烧率的计算,其被归一化至1.0。燃烧从0.0开始(0.0%燃烧),并持续到“燃烧燃料分数的属性”指定的值,通常为1.0或100%。同时燃烧模型采用双区域燃烧模型求解,在双区域模型中,在每个时间步长中求解以下能量方程:
非燃烧区域:
(7)
式中:mu为未燃烧区工质质量;mf为燃油质量;Vu为非燃烧区工质体积;ma为空气质量;Qu为非燃烧区传热率;mf,i为喷射燃油质量;hf为燃油质量的焓;ha为空气质量的焓;eu为非燃烧区能量;p为气缸压力;hf,i为喷射燃油质量的焓。
燃烧区域:
(8)
式(8)中的下标b表示燃烧区域。在非燃烧区能量方程的右边有4个项,分别表述了压力、传热、燃烧和注入燃料焓的增加。第3项(燃烧)包含瞬时燃料消耗速率或燃烧速度(dmf/dt)[9]。
1.1.2传热模型
Woschni函数[10]被用来计算气缸中的传热系数。基本公式如下:
(9)
式中:hc为传热系数;B为气缸直径;p为气缸压力;T为气缸温度;K1=3.014 26;K2=0.05。
平均气流速度:
(10)
在WoschniGT模型中:
C1=2.28+3.9LL=
1.2 五冲程发动机介绍
五冲程发动机是一种特殊的发动机形式,其在四冲程发动机的基础上增加了二次膨胀冲程气缸和气流传输管道。一般称四冲程气缸为高压缸,二次膨胀冲程气缸为低压缸。高压缸和低压缸通过中间气流传输管道连接,管道两边通过气门控制气流进出。五冲程发动机工作时2个高压缸相隔曲轴转角360°轮流将废气排进低压缸进行二次膨胀,充分利用四冲程气缸排出的废气进行再做功,实现发动机热效率的提升。五冲程发动机有三缸和四缸2种,四缸五冲程发动机由2个高压缸和2个相通的低压缸组成,图1是四缸五冲程发动机结构示意图[11]。
此次研究运用GT-SUITE中的GT-Power 软件进行发动机建模,模型主要由气缸模块、进排气系统、涡轮增压系统和曲轴箱模块组成。GT-Power,拥有丰富的半经验和理论模型,已大量应用在工程研究领域,对于发动机的各个组成部分都可以进行详细地模拟,确保仿真结果的可靠性。本次研究的五冲程发动机是基于某企业提供的四缸发动机改进而来,四缸发动机一维模型通过实验参数对标搭建。
2.1 四冲程发动机
表1是四缸发动机的相关参数。图2是四缸发动机气门升程曲线。
表1 某四缸发动机的相关参数
图2 某四缸发动机气门升程曲线
为保证仿真结果的正确性,笔者进行了模型对标。图3和图4分别是四缸发动机在部分转速和扭矩下比燃油消耗率和功率的仿真值和实验值曲线。由图3可知,比燃油消耗率的误差范围都在8%以内,具有较好的拟合精度。观察图4发现,当负荷为180 N·m,发动机转速在 1 400 r/min时功率产生最大误差,推究其原因可能是GT-Power 中的发动机进气量是根据温度和压力直接计算得到,两者都是给定的数值,和试验环境相比具有一定差别。同时,由于仿真条件下的排气温度和压力都是通过预测Wiebe燃烧模型的3个参数得到,和实际工作中的发动机存在一定差异,所以仿真结果在某些工况下会出现误差变大的情况。
为进一步确保仿真结果的正确性,在研究过程中对比了四缸发动机在中高转速下缸压和放热率曲线的仿真值和实验值。图5为3 000 r/min的四缸发动机缸压实验值与仿真值曲线,可以看出在最大压力处实验值比仿真值低了0.2 MPa,但是从整体上看,缸压仿真曲线和实验曲线具有一致性。
图3 燃油消耗率的仿真值与试验值曲线
图4 功率的仿真值与试验值曲线
图5 3 000 r/min缸压实验值和仿真值曲线
图6是3 000 r/min放热率实验值和仿真值曲线,可以看到放热率曲线的实验值在排气和进气阶段波动较大,在进气阶段略高于仿真值。缸压和放热率的实验值和仿真值之间虽然具有一定差异,但是整体趋势基本相同,可以认为模型精度基本满足要求,可在此模型上进行下一步研究。
图6 3 000 r/min放热率实验值和仿真值曲线
通过仿真分析得到如图7所示的四缸发动机的功率、扭矩和比燃油消耗率曲线。从图中可知,四缸发动机在2 000 r/min得到最低燃油消耗率,为236 g/(kW·h);在4 500 r/min得到最大扭矩,为176 N·m;在5 500 r/min得到最大功率,为94 kW。
图7 四缸发动机的功率、扭矩和比燃油消耗率曲线
2.2 五冲程发动机
为保证模型的可靠性在前面四缸发动机模型的基础上,参照Kéromnès建立五冲程发动机模型的方法建立本次研究所采用的五冲程发动机[12]。改内部两气缸为低压缸,同时增加了气流传输管道和涡轮系统。其他参数同上述四缸发动机基本相同,总膨胀比在加入低压缸后变为了19.2。
五冲程发动机的基本结构和工作原理与传统的四冲程发动机相似,在搭建一维仿真模型时,燃烧模型仍然采用Wiebe函数、热传递模型采用常规的Woschni经验函数。由于其低压气缸不同于四冲程气缸的工作过程,考虑到低压气缸中气体的特殊流动和高温,增加了低压气缸中的对流传热系数。与此同时,五冲程发动机模型的点火提前角、空燃比保持与上述四缸发动机一致,分别为8°和14.7°,图8是五冲程发动机一维模型结构示意图。五冲程发动机的气门升程曲线保持和四缸发动机一致,表2为以每缸点火时间为基准,气门最大升程凸轮角为参考的该五冲程发动机的气门正时表。
图8 五冲程发动机一维模型结构示意图
表2 气门正时表
通过观察图9可知,五冲程发动机的功率、扭矩和燃油经济性为1 000～4 000 r/min,相比原四冲程发动机有大幅的提升。但是当转速超过 4 500r/min时,由于二次膨胀冲程带来的性能提升不足以抵消机械损失,五冲程发动机的燃油经济性和扭矩出现显著降低,相比原四缸发动机更差。针对单点控制式增程系统,需要发动机工作在最高效工况下,以实现能耗最低,五冲程发动机独特的工作特性适合作为增程式汽车的专用发动机。为满足一般增程式汽车对功率的需求,以功率为60 kW的发电机为例,五冲程发动机在 2 500 r/min时比燃油消耗率最低,为223 g/(kW·h)、功率为 47 kW、扭矩为185 N·m、NOx排放为25.4g/(kW·h);在3 000 r/min时功率为62 kW、比燃油消耗率为228 g/(kW·h)、NOx排放为 25.4 g/(kW·h)。为满足增程式汽车对于发电功率的需求,选择在3 000r/min工况下对五冲程发动机进行目标为功率最高、燃油消耗率和NOx排放最低的多目标优化,以实现热效率的最大化。
图9 五冲程发动机功率、扭矩和比燃油消耗率曲线
运用GT-power自带的DOE工具对五冲程发动机一维仿真模型进行多目标优化,省去了实验环境下大量的人力和财力,能够在短期内实现对于产品的设计和优化。DOE通过选定变量和范围进行采样分析,探索出各个变量和目标之间的关系,通过关键参数的控制实现对目标的优化。
3.1 选定变量的显著性分析
通过研究五冲程发动机的结构发现,五冲程发动机相较于四冲程发动机有更多的气门,控制着气流进出发动机。良好的气流组织对于五冲程发动机的性能有着至关重要的作用,通过优化高压缸/低压缸各个气门的正时角度和点火时间可以有效提升五冲程发动机的动力性和燃油经济性。为满足增程式汽车在发电时对于扭矩的需求,以扭矩不低于190 N·m为限制条件,以功率最大、燃油消耗率和NOx排放最低为目标,对五冲程发动机高/低压缸的进排气正时角度和点火时间进行多目标优化。考虑到燃烧的合理性和避免爆震,将点火时间限制在6°～10°CA。气门正时角度的取值范围如表3所示。
表3 气门正时角度的取值范围
为避免不均匀采样导致的优化结果错误,研究运用拉丁超立方采样选取了2 000个样本点,对每个样本点进行了仿真计算,并通过后面的显著性分析总结了5个变量和3个目标之间的影响关系。
3.1.1模型拟合优度检验
通过最小二乘法构建了自变量和目标之间的响应关系,并运用R2检验方法对拟合效果进行评价。R2检验方法适用于回归关系的评价,相比其他多种评价方法具有一定优势[13]。图10是4个目标和5个变量之间的R2检验评价直方图,从R2检验结果可以看到拟合值都在0.94以上,拟合效果较好,可以进行下一步显著性分析。
图10 R2检验评价直方图
3.1.2参数显著性分析
通过DOE构建的拟合模型对变量和目标进行显著性分析,获得5个变量(点火时间、高/低压缸进排气门正时)和3个目标(功率、比燃油消耗率和NOx排放)之间的主效应,如图11(a)、(b)和(c)。由图可知,低压缸排气正时对3个目标值的影响最大,且与功率呈正相关,与比燃油消耗率和NOx排放呈负相关。由于增加了低压气缸,发动机背压增大,低压缸排气门的早开和晚关影响着发动机背压的大小,背压影响发动机进气性能,从而影响到发动机的各项性能[14]。高压缸排气门正时对于功率和油耗的影响很大,而对NOx排放影响不大,这是由于NOx排放主要受发动机缸内燃烧产生的高温影响[15],高压缸排气门主要控制的是废气的流动,对于缸内的燃烧影响较小。相反,点火时间对NOx排放影响很大,对于功率和燃油消耗率影响很小,这是由于点火提前会使得发动机缸内燃烧提前,产生更高的温度,增加了NOx的数量。低/高压缸的进气正时对于3个目标都具有一定的影响,除高压缸进气正时与功率呈负相关外,两者与3个目标基本呈正相关。故通过分析知道5变量对于3个目标都有不同程度的影响。
图11 5个变量和3个目标间的主效应直方图
3.2 优化结果
通过显著性分析可以发现5个变量对3个目标有着不同程度的影响,共同决定发动机性能的好坏。为实现发动机优异的动力性、经济性和排放性,在保证足够的扭矩下,将功率最大值,比燃油消耗率和NOx排放最小值设为目标值,运用多目标优化方法进行五冲程发动机参数优化。
图12(a)、(b)和(c)分别是优化后得到的功率和燃油消耗率、功率和NOx排放、燃油消耗率和NOx排放的帕累托前沿图。
图12 帕累托前沿
观察这3张图可以发现,燃油消耗率和功率及NOx排放基本成反比,功率和NOx排放基本成正比。由于本优化问题中发动机的动力性目标、经济性目标和排放性目标不可能同时达到最佳,因此,优化结果无法得到一个绝对最优解,只得到312组Pareto最优解。从分析结果看,优化后以NOx排放最低的优化效果最差,其燃油消耗率和功率都较差。而以最大功率和最低燃油消耗率作为条件的优化效果较好,综合考虑选择点火提前角为7°CA,高压缸进气正时230°CA、高压缸排气122°CA、低压缸进气正时26°CA和低压缸排气正时234°CA的一组 Pareto 最优解作为该五冲程发动机的优化方案。
将得到的变量优化结果放入GT-power中进行验证,通过仿真分析得到优化后的五冲程发动机各项性能参数分别是:功率为64 kW;扭矩为206 N·m;比燃油消耗率为222.29 g/(kW·h);NOx为25.28 g/(kW·h)。从而可以知道功率,比燃油消耗率和NOx分别优化了3.26%、2.50%和0.47%。
通过观察图13高压缸压力曲线可以看见,优化后的点火提前角提前了1°使得缸内压力增大,并且最高爆发压力点提升了7.03%,提高了发动机的动力性,但是随着缸内压力的提升缸内燃烧温度也将增加,进而导致了NOx排放的增加。从图14低压缸压力曲线可以知道,优化后的低压缸缸内最大压力低于原始五冲程发动机低压缸缸内压力,这是由于优化后的气门重叠角增大,使得五冲程发动机的高压缸在排气进入低压缸时,过多充入低压缸的气流从低压缸排气门流出,从而降低了背压。图15是优化前后低压缸进排气气门处的气流质量流量曲线。从图中可以看出低压缸进气门正时提前让低压缸的进气峰值流量靠近活塞上止点,使废气有效作用功增多,排出气流带走的能量降低。
图13 高压缸P-V曲线
图14 低压缸P-V曲线
图15 优化前后气门质量流率曲线
通过搭建一维模型对比四冲程发动机和五冲程发动机的性能,发现在一定转速范围内五冲程发动机有着较高的热效率,独特的工作特性使其适合应用于增程式汽车。为提升五冲程发动机在高效工况下的动力性,经济性和排放性能,运用多目标优化方法对点火时间和气门正时角度进行了优化,结果表明,气门正时角度对五冲程发动机的性能影响较大,合理地增加高压缸和低压缸间的气门重叠角,可以有效提升五冲程发动机的性能。最终各个目标分别实现了3.26%、2.5%和0.47%的改善。多目标优化方法的应用有效提升了五冲程发动机的多项性能。
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