李興義，　黎一鍇，　劉福水

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

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基于代理模型的氣門大小對(duì)功率影響的研究

李興義，黎一鍇，劉福水

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

針對(duì)某型號(hào)高增壓柴油機(jī)，利用基于代理模型的數(shù)據(jù)擬合方法，研究了不同工況下功率隨氣門大小變化的規(guī)律，并得到每個(gè)工況下最優(yōu)功率和相應(yīng)的進(jìn)排氣門尺寸.研究結(jié)果表明：在研究范圍內(nèi)，對(duì)于排氣背壓較低的工況，同工況下進(jìn)氣門增大使得功率增大，排氣門增大使得功率先增大后減小；排氣背壓逐漸升高時(shí)，功率逐漸減小，最優(yōu)功率點(diǎn)的進(jìn)排氣門直徑比增大.對(duì)于排氣背壓很高的工況，進(jìn)、排氣門增大均會(huì)使得功率先增大后減小.

增壓柴油機(jī); 進(jìn)排氣門；代理模型；功率

和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油機(jī)具有熱效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，因此，柴油機(jī)自發(fā)明以來應(yīng)用愈廣，各方面都取得了十分顯著的進(jìn)步.隨著近幾年空氣不斷惡化，節(jié)能減排理念深入人心，柴油機(jī)要想繼續(xù)發(fā)展，必須提高熱效率來提高經(jīng)濟(jì)性和排放性；另一方面，柴油機(jī)廣泛應(yīng)用的同時(shí)出現(xiàn)很多苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景，比如高原低氣壓燃燒，高強(qiáng)度高壓燃燒，這些場(chǎng)景下功率響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化.燃燒過程中，高效的進(jìn)排氣過程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能作用十分顯著，而進(jìn)排氣門是進(jìn)排氣過程中重要的一環(huán)，因此針對(duì)增壓型柴油機(jī)進(jìn)排氣門大小對(duì)功率影響的研究是十分必要的.因此,文中采取仿真分析與代理模型擬合相結(jié)合的方法，對(duì)單一工況以及變工況時(shí)進(jìn)排氣門大小與功率的關(guān)系進(jìn)行研究分析[1-4].

1　研究工具和方法

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與仿真模型

文章中所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在 1132Z 模擬增壓?jiǎn)胃讬C(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行.圖1為單缸機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖.利用該試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試分析了模型機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性和進(jìn)排氣系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，為下一步仿真模型的建立和校驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

圖1　單缸機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于Ricardo WAVE平臺(tái)搭建了單缸機(jī)性能仿真模型,模型結(jié)構(gòu)如圖2，根據(jù)上述單缸試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)該仿真模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及分系統(tǒng)模型的選取和校核工作，詳細(xì)步驟不再贅述.

圖2　WAVE仿真模型

模型構(gòu)建完成之后，需要用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證來保證模型的精確性，通用的校核方法是校核缸壓曲線與放熱率曲線，另外額外校核了一些參數(shù)，校核結(jié)果如表1、圖3和圖4所示.

校核結(jié)果證明構(gòu)建的WAVE模型精確度良好，可以用來進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真工作.

表1　WAVE模型參數(shù)校核

圖3　缸壓曲線校核

圖4　放熱率曲線校核

1.2代理模型與分析方法[5-7]

仿真計(jì)算具有經(jīng)濟(jì)成本低，精確度好等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)研究工作中占據(jù)著十分重要的地位.然而仿真計(jì)算也存在著明顯的不足，就是當(dāng)研究范圍較廣，以及計(jì)算點(diǎn)較密集、計(jì)算點(diǎn)較多時(shí)，仿真計(jì)算的時(shí)間成本就會(huì)迅速上升，嚴(yán)重影響了研究效率，所以采用代理模型來進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，代替一部分仿真軟件的工作，使用代理模型分析的關(guān)鍵是在不降低精度的情況下構(gòu)造一個(gè)計(jì)算量小、計(jì)算周期短，但計(jì)算結(jié)果與仿真計(jì)算或?qū)嶒?yàn)相近的數(shù)學(xué)模型.圖5是代理模型分析的主要過程，具體定義和相關(guān)的原理參見文獻(xiàn)[6].

圖5　代理模型分步驟

選取進(jìn)、排氣門的尺寸為自變量，結(jié)合現(xiàn)有缸蓋的數(shù)據(jù)，確定自變量的取值范圍見表2.

表2　自變量取值范圍

采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)法布點(diǎn)，拉丁超立方法取點(diǎn)的方法，共生成30個(gè)樣本點(diǎn)，見圖6.并將選取的點(diǎn)帶入構(gòu)建好的WAVE模型進(jìn)行仿真計(jì)算.

圖6　初始樣本點(diǎn)的選取結(jié)果

為了模擬不同進(jìn)排氣狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，通過固定進(jìn)氣壓力，改變排氣背壓的方式來實(shí)現(xiàn)不同工況，工況設(shè)置如表2所示，選取范圍包括了低排氣背壓和高排氣背壓的工況，后期的研究表明4 bar處存在極值點(diǎn)，所以在4 bar附近額外添加2個(gè)工況.

表2　模擬工況的設(shè)置

使用WAVE仿真模型計(jì)算樣本點(diǎn)在7個(gè)工況下的性能參數(shù).基于210組數(shù)值計(jì)算結(jié)果，通過量綱歸一化處理，在標(biāo)準(zhǔn)化的變量空間分別建立多項(xiàng)式響應(yīng)面代理模型(PRS)、輻射神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型(RBNN)、Kriging模型(KRG)和加權(quán)平均值近似響應(yīng)模型(WAS).選取PRESS作為代理模型的誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)，表達(dá)式為

(1)

綜合4種模型的擬合結(jié)果見表3.可以看出，WAS模型的擬合效果優(yōu)于其他模型.因此，選擇該模型的擬合結(jié)果對(duì)目標(biāo)變量做進(jìn)一步分析.

表3　各個(gè)代理模型的PRESS誤差值

2　結(jié)果與分析

2.1同一工況下進(jìn)排氣門對(duì)功率的影響

使用代理模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，每個(gè)工況擬合10 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以工況3為例，在進(jìn)排氣壓力均為3.5 bar時(shí)，擬合點(diǎn)情況如圖7、8所示.

圖7　進(jìn)氣門與功率關(guān)系圖

圖8　排氣門與功率關(guān)系圖

通過帶寬來分析進(jìn)排氣門對(duì)功率的影響.進(jìn)氣門的帶寬越寬，證明在該進(jìn)氣門狀態(tài)下，排氣門對(duì)功率的影響越大；帶寬越窄，則說明排氣門影響越小.同理，排氣門的帶寬越寬，證明在該排氣門狀態(tài)下，進(jìn)氣門對(duì)功率的影響越大；帶寬越窄，說明進(jìn)氣門影響越小.

圖7可以看出，進(jìn)氣門的帶寬較窄.圖8可以看出，排氣門的帶寬較寬.這表示，在該工況下，功率受進(jìn)氣門這一參數(shù)影響更為明顯，而受排氣門影響相對(duì)較弱.帶寬比上相應(yīng)的自變量取值范圍可以得到單位自變量變化造成的功率變化. 經(jīng)計(jì)算，該工況下進(jìn)氣門平均每增加1 mm，功率增加0.4 kW；排氣門平均每增加1 mm，功率增加0.125 kW.

為了更直觀的觀察進(jìn)排氣門直徑變化對(duì)功率的影響規(guī)律，將該工況下的擬合數(shù)據(jù)使用等高圖來表示如圖9.

圖9中等高線數(shù)值為功率大小，可以看出，在進(jìn)排氣壓力都為3.5 bar的工況下，進(jìn)氣門直徑和對(duì)功率影響為正相關(guān)關(guān)系，即進(jìn)氣門越大，功率越大；排氣門在增大的過程中，功率先增大后減小.根據(jù)進(jìn)、排氣門方向的等高線密度，可以看出進(jìn)氣門方向上等高線梯度變化較排氣氣門方向更大，可得進(jìn)氣門變化的過程中，功率隨之變化也較大，所以在該狀態(tài)下，進(jìn)氣門直徑對(duì)功率的影響大于排氣門直徑的影響.

圖9　進(jìn)排氣門與功率的等高線圖

結(jié)合進(jìn)氣量與PMEP的變化規(guī)律，進(jìn)一步分析進(jìn)排氣門大小變化對(duì)功率影響的機(jī)理.進(jìn)氣量與PMEP的等高圖如圖10、11所示.

圖10　進(jìn)排氣門與進(jìn)氣量的等高圖

如圖10為進(jìn)氣量的等高線，單位是kg/h；圖11為PMEP絕對(duì)值的等高線,單位是bar.可以看出當(dāng)進(jìn)氣門增大時(shí)，進(jìn)氣量增大，PMEP減??；當(dāng)排氣門增大時(shí)，進(jìn)氣量減小，PMEP減小.

綜上得，進(jìn)氣門尺寸增大使得進(jìn)氣阻力減小，因此進(jìn)氣量隨之增大，導(dǎo)致充量系數(shù)增加；另一方面，進(jìn)氣門增大使得進(jìn)氣量增大，此時(shí)缸壓上升，排氣過程中缸內(nèi)壓力和排氣背壓的壓差上升使得泵氣壓力減小，所以泵氣損失減小.結(jié)合上一章的分析可得，充量系數(shù)增大同時(shí)泵氣損失減小，有效功率因此增大.

圖11　進(jìn)排氣門與PMEP的等高線圖

排氣門尺寸增大時(shí)，排氣阻力減小，因此泵氣壓力減小，使得泵氣損失減?。涣硪环矫?，當(dāng)排氣門尺寸減小時(shí)，根據(jù)伯努利方程，排氣門處的氣體速度會(huì)有所增加，所以氣體沖量增加，在進(jìn)氣門打開時(shí)排氣門尚未關(guān)閉，而此時(shí)大沖量氣體由于慣性會(huì)繼續(xù)對(duì)換氣過程有促進(jìn)作用，使得進(jìn)氣量增加，充量系數(shù)增大.結(jié)合上一章的分析可得，排氣門的增大過程是泵氣損失和充量系數(shù)同時(shí)減小的過程，功率取決于二者的共同影響，因此先增大后降低.

根據(jù)工程實(shí)際，認(rèn)為進(jìn)排氣門直徑和近似相等，并定義進(jìn)、排氣門直徑比為R.在進(jìn)排氣門直徑和為76 mm時(shí)，將功率與R值的關(guān)系如圖12.

圖12　功率與R值的關(guān)系

圖中最高點(diǎn)處功率為86.5 kW，進(jìn)氣門直徑為40.7 mm，排氣門直徑為35.3 mm，R為1.15.可以看出當(dāng)前工況下，進(jìn)排氣門和為76 mm時(shí)，最優(yōu)功率點(diǎn)在R為1.15時(shí)取到，最大功率為86.5 kW.

2.2不同一工況下進(jìn)排氣門對(duì)功率的影響

經(jīng)過與上一節(jié)類似的多次計(jì)算，現(xiàn)給出排氣壓力變化時(shí)，進(jìn)排氣門對(duì)功率的變化情況，針對(duì)單工況的類似規(guī)律便不再贅述.

每個(gè)工況下進(jìn)排氣門單位變化對(duì)功率的影響和排氣壓力之間的關(guān)系如圖13.

圖13　自變量單位變化對(duì)功率的影響和排氣壓力的關(guān)系

隨著排氣壓力不斷增大，排氣門單位變化對(duì)功率影響越來越小并始終小于進(jìn)氣門單位變化對(duì)功率的影響；而且隨著排氣壓力越來越大，進(jìn)氣門大小變化對(duì)功率的影響也在不斷減弱.

為了研究排氣壓力不斷升高時(shí)功率隨進(jìn)排氣門的變化規(guī)律，觀察5個(gè)工況下，進(jìn)排氣門和為76的R值與功率關(guān)系如圖14，圓點(diǎn)處為該工況下功率最高點(diǎn)，可以看出在排氣背壓為4.5 bar時(shí)，最優(yōu)R值由上升轉(zhuǎn)為下降.

圖14　不同排氣壓力下，R值與功率的關(guān)系

為了保證結(jié)果的精確性，在4 bar附近加算兩個(gè)工況即工況4和工況6，排氣背壓分別為3.75 bar和4.25 bar.綜合加算點(diǎn)數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)，得到排氣壓力和最優(yōu)R值的關(guān)系如圖15.

圖15　排氣壓力和最優(yōu)R值

在研究的范圍內(nèi)，當(dāng)進(jìn)氣壓力為3.5 bar不變，排氣壓力增大時(shí)，最優(yōu)功率的進(jìn)排氣直徑比會(huì)先增大，到4 bar左右會(huì)出現(xiàn)極值點(diǎn)，然后，當(dāng)排氣壓力繼續(xù)增大到4.5 bar時(shí)，最優(yōu)R值會(huì)稍微下降.當(dāng)排氣壓力升高時(shí)，最優(yōu)功率點(diǎn)的排氣門尺寸先減小，然后，在4.5 bar時(shí)會(huì)增大.各個(gè)工況下的最優(yōu)功率情況見表4，隨著排氣壓力的增大，最功率逐漸減小.

從表4發(fā)現(xiàn)4.5 bar時(shí)，最優(yōu)進(jìn)氣門尺寸開始減小，最優(yōu)排氣門尺寸開始增大.這是因?yàn)楫?dāng)排氣背壓十分高且大于進(jìn)氣壓力時(shí)，在進(jìn)排氣門同時(shí)開啟的重疊期，會(huì)有排氣門處的廢氣回流到進(jìn)氣門處阻礙進(jìn)氣流動(dòng)，當(dāng)進(jìn)氣門尺寸縮小時(shí)，進(jìn)氣速度變大，所以，廢氣回流對(duì)氣體的阻礙便減小，一定程度上有利于進(jìn)氣，可以提高充量系數(shù).同理，排氣門增大可以減小排氣回流的沖量，也可以減小廢氣回流對(duì)進(jìn)氣的阻礙，提高充量系數(shù).也因此出現(xiàn)排氣背壓4.5 bar時(shí)R值不升反而降低的現(xiàn)象.

表4　各工況下最優(yōu)功率情況

3　結(jié)　論

1)在排氣背壓不太高時(shí)，進(jìn)氣門直徑和對(duì)功率影響為正相關(guān)關(guān)系.進(jìn)氣門越大，充量系數(shù)越大，功率越大；排氣門在增大的過程是充量系數(shù)和泵氣損失同時(shí)減小的過程，功率會(huì)先增大后減小.

2)在排氣背壓較進(jìn)氣壓力大很多時(shí)，由于廢氣回流的阻礙，最優(yōu)功率的進(jìn)氣門尺寸會(huì)出現(xiàn)減小的趨勢(shì).

3)隨著排氣背壓的升高，功率越來越低，最優(yōu)功率處的進(jìn)排氣門比值R會(huì)先升高，當(dāng)排氣背壓較進(jìn)氣壓力高很多時(shí)，R值出現(xiàn)下降.

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Surrogate-based Investigation in Influence of Valve Sizes on Engine Power Output

LI Xing-yi,LI Yi-kai,LIU Fu-shui

(School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing，100081)

By means of the data fitting method based on a surrogate model, the law of its power change with the valve size was investigated under different work conditions for a high-turbocharged diesel engine. The optimal power output and its corresponding size of the intake and exhaust valve were obtained under each working condition. The results showed that, for the conditions with the lower exhaust back pressure, the power output increased with increase of the intake valve size but the increase of the exhausted valve size made the power output increase at first and then decrease. As the exhaust back pressure increased, the power output gradually decreased and the diameter ratio of the intake and exhaust valve increased at the optimal power point. Under the conditions with higher exhaust back pressure, the increase of the intake and exhaust valve size would make the power output increase at first and then decrease.

turbo charged diesel engine; intake and exhausted valve; surrogate model; power

1009-4687(2016)02-0011-06

2015-12-16

李興義(1988-),男,碩士.

TK421.3

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