戴曉旭，谷家鑫，于洪濤，賀燕銘，黃　華，田安民

（北京汽車動(dòng)力總成有限公司技術(shù)中心，北京　101106）

Dai Xiaoxu，Gu Jiaxin，Yu Hongtao，He Yanming，Huang Hua，Tian Anmin

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正交設(shè)計(jì)法在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中的應(yīng)用

戴曉旭，谷家鑫，于洪濤，賀燕銘，黃華，田安民

（北京汽車動(dòng)力總成有限公司技術(shù)中心，北京101106）

Dai Xiaoxu，Gu Jiaxin，Yu Hongtao，He Yanming，Huang Hua，Tian Anmin

摘要：基于一臺(tái)2.0L四缸渦輪增壓汽油機(jī)，在設(shè)定的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣門提前角（VVTi，Variable Valve Timing-in）、排氣門推遲角（VVTo，Variable Valve Timing-out）、廢氣再循環(huán)（EGR，Exhaust Gas Recirculation）率、點(diǎn)火提前角（SA，Spark advanced Angle）和空燃比（AFR，Air Fuel Ratio），進(jìn)行渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)最佳的缸內(nèi)燃燒和最低的燃油消耗與排放；同時(shí)，利用正交設(shè)計(jì)法分別對VVTi、VVTo以及EGR率排列組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步試驗(yàn)。結(jié)果表明：對于3因子4水平的系統(tǒng)試驗(yàn)，利用正交設(shè)計(jì)法可以減少50％～75％的試驗(yàn)次數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，制動(dòng)平均有效壓力（BMEP，Brake Mean Effective Pressure）為500kPa，理論空燃比和最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（MBT，Maximum Brake Torque）點(diǎn)火角工況下，與正交設(shè)計(jì)法中的試驗(yàn)組相比，當(dāng)VVTi為40°CA，VVTo為30°CA，EGR率為8％時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性最佳，此時(shí)的燃油消耗率為265.39g/(k×Wh)，但燃燒穩(wěn)定性會(huì)受到一定影響，同時(shí)燃燒持續(xù)期會(huì)延長。此時(shí)，HC排放有所增加，CO和NOx排放降低。

關(guān)鍵詞：可變氣門正時(shí)；EGR率；正交設(shè)計(jì)法；燃燒；排放

0　引　言

化石燃料的不斷消耗和環(huán)境污染作為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問題已經(jīng)引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-2]。近幾年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，我國汽車保有量已經(jīng)相當(dāng)可觀。汽車給人們生活帶來便利的同時(shí)，也消耗了大量的短期內(nèi)不可再生的化石燃料。不僅是我國，石油危機(jī)正在不斷威脅著世界各國[3]。與此同時(shí)，汽車尾氣中的主要污染排放物一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOx）等已經(jīng)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。

目前國內(nèi)外的研究主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，旨在降低化石燃料的消耗，提高燃燒效率并降低有害排放。文中綜合運(yùn)用了可變氣門正時(shí)、廢氣再循環(huán)和渦輪增壓3種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，在一定的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下，通過調(diào)節(jié)VVTi、VVTo、EGR率、SA和AFR，在正交設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)上對部分試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化組合，進(jìn)行渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)最佳的缸內(nèi)燃燒和最低的燃油消耗與排放。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)是2.0L直列、四缸渦輪增壓汽油機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的測控系統(tǒng)主要包括：AVL Schneider INDY S22-2型測功機(jī)，主要用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷；恒溫進(jìn)氣系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的溫度和濕度；AVL7351CST型燃油流量計(jì)計(jì)算燃油消耗量；AVL 753CH型燃油溫度控制器控制燃油溫度；缸壓數(shù)據(jù)采集及燃燒分析系統(tǒng)主要包括：Kistler 2614A1型曲軸轉(zhuǎn)角傳感器、AVL GH13Z-24型火花塞式缸壓傳感器以及AVL INDI MODUL 621型燃燒分析儀?；鸹ㄈ礁讐簜鞲衅鞣謩e安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)第1和第3缸上，通過Kistler 5064型電荷放大器進(jìn)行信號放大。加裝在曲軸前端的曲軸轉(zhuǎn)角傳感器和缸壓傳感器分別通過屏蔽電纜與燃燒分析儀連接，利用AVL INDICOM2.4b燃燒分析軟件連續(xù)對發(fā)動(dòng)機(jī)200個(gè)工作循環(huán)的缸壓和曲軸轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。ETAS ES630.1型空燃比分析儀通過檢測發(fā)動(dòng)機(jī)原始尾氣的寬域氧傳感器測量實(shí)際的空燃比。排放分析系統(tǒng)主要包括AVL GH0755型前置過濾器和AVL AMA i60 R1C型排放分析儀，前者主要用于加熱和干燥發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣采樣，后者測量發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中HC、CO與NOx的體積分?jǐn)?shù)。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在充分暖機(jī)后進(jìn)行，試驗(yàn)室的恒溫進(jìn)氣系統(tǒng)將進(jìn)氣溫度控制在(25±1)℃，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和機(jī)油的溫度為(90±1)℃。通過臺(tái)架控制將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定在2000r/min，通過與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通信的計(jì)算機(jī)，調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，使BMEP為500kPa左右。AFR設(shè)定為理論空燃比，之后分別調(diào)節(jié)VVTi和VVTo。進(jìn)氣門和排氣門的相位變化范圍為0～30°CA，變化的步長均為10°CA。調(diào)節(jié)EGR閥的開度，實(shí)現(xiàn)所需的不同EGR率。為了保證穩(wěn)定的缸內(nèi)燃燒，本試驗(yàn)工況下EGR率的變化范圍為0％～8％，變化的步長為2％～4％。EGR率α定義為

為了實(shí)現(xiàn)最佳的燃燒效率，爆發(fā)出最大的壓力，一般認(rèn)為缸內(nèi)50％的燃料完全燃燒釋放熱量所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（AI50，Angle Indication50）即上止點(diǎn)后（ATDC，After Top Dead Center）8～10°CA時(shí)可實(shí)現(xiàn)MBT。因此，SA盡量控制在MBT點(diǎn)附近。當(dāng)然如果在MBT點(diǎn)之前發(fā)生爆震，那么SA的調(diào)整就限定在爆震邊界以內(nèi)。在改變VVTi、VVTo、EGR率以及SA的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷會(huì)發(fā)生變化，因此還需要對節(jié)氣門開度進(jìn)行最終調(diào)整，保證所有試驗(yàn)工況點(diǎn)的BMEP均為500kPa。除此之外，為了保證穩(wěn)定的缸內(nèi)燃燒，平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（COVimep，Coefficient of Variation indicated mean effective pressure）在任何工況下都不能超過3％。

該試驗(yàn)研究的主要目的是通過調(diào)節(jié)多個(gè)試驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的缸內(nèi)燃燒和最低的燃油消耗。主要的控制參數(shù)包括n、BMEP、AFR、SA、VVTi、VVTo以及EGR率。其中n和AFR為確定值，一旦達(dá)到目標(biāo)值即可；BMEP和SA需要根據(jù)其他控制條件的變化稍作修正；VVTi、VVTo以及EGR率這3個(gè)參數(shù)如果按照常規(guī)方法，需要通過排列組合進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)。對于這種多變量因子組合，且各變量有多個(gè)水平的尋求單一目標(biāo)的試驗(yàn)而言，可以通過正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)[4]。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)利用正交設(shè)計(jì)的基本方法優(yōu)化試驗(yàn)組合，利用3因子4水平的正交表，簡記為L16（43）。3因子分別為VVTi、VVTo、EGR率。4水平分別為VVTi或VVTo：0°CA、10°CA、20°CA和30°CA；EGR率：0％、2％、4％和8％；燃油消耗率（BSFC，Brake Specific Fuel Consumption）為單一的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，見表1。K值為同一因子對應(yīng)的4個(gè)不同水平的BSFC值之和的平均值，該值表示4個(gè)水平各自的影響力，該值越大對應(yīng)的燃油消耗率也越高。R表示極差數(shù)，極差數(shù)越大說明該因子對試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。以該試驗(yàn)為例，如果這3個(gè)因子，4個(gè)水平完全按照排列組合，需要進(jìn)行64次試驗(yàn)，而利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，可以將試驗(yàn)次數(shù)縮減到16次，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法可以在大幅縮減試驗(yàn)次數(shù)的同時(shí)，更加科學(xué)地覆蓋盡可能多的試驗(yàn)，這對于節(jié)約性能開發(fā)的時(shí)間和降低人力成本作用顯著。

表1　正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)

2.1油耗率分析

由表1可以看出，當(dāng)VVTi和VVTo分別為0°CA、10°CA、20°CA和30°CA時(shí)，對應(yīng)試驗(yàn)組BSFC的平均值隨著氣門重疊角的不斷增大，大致呈逐漸降低的趨勢。由此說明，該工況下氣門重疊角的增大有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，當(dāng)EGR率分別為0％、2％、4％和8％時(shí)，對應(yīng)4個(gè)試驗(yàn)組K1、K2、K3和K4分別為273.33g/(kW×h)、274.50g/(kW×h)、271.96g/(kW×h)和267.60g/(kW×h)，說明廢氣的引入，同樣有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗。另外，對于VVTi、VVTo和EGR率，三者對應(yīng)的極差數(shù)R分別為3.31、4.68和6.90，這說明對于BSFC而言，影響力最大因子是EGR率，其次是VVTo，最后是VVTi。當(dāng)3個(gè)因子都處于最大水平時(shí)，對應(yīng)的油耗率均較小。因此，可以考慮進(jìn)一步優(yōu)化這3個(gè)因子的水平，探索更加優(yōu)良的燃油經(jīng)濟(jì)性。

通過進(jìn)一步的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速2000r/min，BMEP為500kPa時(shí)，EGR率為8％已經(jīng)是穩(wěn)定燃燒的極限，進(jìn)一步提升EGR率會(huì)使COVimep超過3％的極限值。同時(shí)VVTi和VVTo也可以進(jìn)一步加大優(yōu)化。最終，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上（COVimep≤3％），當(dāng)VVTi、VVTo和EGR率分別為40°CA、30°CA和8％時(shí)，BSFC達(dá)到了該試驗(yàn)工況下的最低值。如圖2所示，與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法的16組試驗(yàn)結(jié)果相比，最終優(yōu)化的第17組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的BSFC最低，此時(shí)的油耗率僅為265.39g/(kW×h)。這是由于廢氣引入到進(jìn)氣中，缸內(nèi)燃燒溫度會(huì)降低，使得燃燒室和缸壁的熱量損失降低，同時(shí)節(jié)氣門開度的小幅提高也會(huì)進(jìn)一步降低節(jié)流損失，最終發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率得到提升，油耗率降低。

圖2　油耗率

2.2排放分析

通過測定尾氣中HC、CO、NOx的含量，探究不同試驗(yàn)組中VVTi、VVTo和重整EGR率對渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響。由圖3可以看出，在理論空燃比和最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)火角前提下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，BMEP為500kPa時(shí)，EGR率較高的試驗(yàn)組所對應(yīng)的HC排放普遍較高。

HC排放的主要形成機(jī)理之一是激冷效應(yīng)，即缸壁表面對火焰的迅速冷卻，造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面附近的活性中心迅速結(jié)合，使得反應(yīng)速度下降，從而在壁面形成一層未燃燒的和燃燒不完全的混合氣?？p隙效應(yīng)是激冷效應(yīng)的主要表現(xiàn)形式，隨著廢氣被引入燃燒室，混合氣的氧含量降低，燃燒速度減緩，火焰焠熄距離較長。燃燒室中存在大量的縫隙，比如活塞、活塞環(huán)與氣缸之間的縫隙，火花塞電極之間的縫隙等。這些區(qū)域火焰根本不能傳播，所以在壓縮和燃燒過程中，這些區(qū)域的混合氣錯(cuò)過了主要的燃燒階段。當(dāng)缸內(nèi)壓力降低時(shí)，這些未燃?xì)怏w又回到氣缸內(nèi)溫度已經(jīng)較低的混合氣之中，從而造成了混合氣的不完全燃燒，甚至部分不燃燒，最終以HC的形式排出。與其他EGR率為8％的試驗(yàn)組相比，第17組試驗(yàn)所對應(yīng)的HC排放比較低。這是由于該組試驗(yàn)的VVTi為40°CA，VVTo為30°CA，此時(shí)氣門重疊角最大，氣缸換氣時(shí)氣流動(dòng)性顯著提高，缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)降低，因此最終生成的HC排放比較少。

圖3　HC排放

各組試驗(yàn)所對應(yīng)的CO排放如圖4所示，當(dāng)EGR率分別為0％、2％、4％和8％時(shí)，對應(yīng)試驗(yàn)組CO排放的平均值的體積分?jǐn)?shù)分別為5231×10-6、5216×10-6、4993×10-6和4400×10-6。隨著廢氣的進(jìn)入，缸內(nèi)新鮮空氣的空間被擠占，氧含量隨之降低。

圖4　CO排放

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨著EGR率的升高而降低。當(dāng)EGR率較高時(shí)，燃料和氧氣消耗都相對較少，因此，CO排放也相對較低。

如圖5所示，隨著氣門重疊角和EGR率的逐漸升高，NOx排放顯著下降。當(dāng)VVTi和VVTo均為0°CA，EGR率為0％時(shí)，NOx排放為2931×10-6；當(dāng)VVTi為40°CA，VVTo為30°CA，EGR率為8％時(shí)，NOx排放僅為386×10-6。缸內(nèi)燃燒溫度和氧含量是NOx形成的2個(gè)主要因素，燃燒后的廢氣經(jīng)過冷卻后重新進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)中，氧氣的濃度首先下降，進(jìn)入氣缸參與燃燒的廢氣主要成分是CO2和水蒸氣，CO2的化學(xué)性質(zhì)接近惰性氣體，比熱容也比較高，因此會(huì)吸收缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的部分熱量，進(jìn)而降低缸內(nèi)燃燒溫度，最終，在氧氣濃度和缸內(nèi)燃燒溫度共同降低的作用下，NOx排放得到有效抑制。

圖5　NOx排放

3　結(jié)　論

探究了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)中，VVTi、VVTo以及EGR率對缸內(nèi)燃燒和排放的影響。結(jié)合正交設(shè)計(jì)基本方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，影響B(tài)SFC的主要因子按影響力由大到小依次為EGR率、VVTo和VVTi。BSFC最低的參數(shù)組合為：VVTi為40°CA，VVTo為30°CA，EGR率為8％，油耗僅為265.39g/(kW×h)。但此工況下缸內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，COVimep會(huì)升高。另外，隨著EGR率的升高，HC排放有所升高，CO排放小幅降低，NOx排放顯著

降低。需要指出運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法未必能一次性得到最佳的試驗(yàn)結(jié)果但可以根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行少量試驗(yàn)找到最佳的試驗(yàn)條件組合及結(jié)果，從而節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)的時(shí)間和人力成本。

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收稿日期：2015-12-05

文章編號：1002-4581（2016）02-0001-05

中圖分類號：U464.171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.001