引言
隨著能源問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，柴油機(jī)節(jié)能已成為產(chǎn)品性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中一個(gè)十分重要的指標(biāo)。同時(shí)排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格也是柴油機(jī)行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。這兩點(diǎn)原因促進(jìn)了柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放等性能的不斷提高。柴油機(jī)性能的提高需要通過(guò)有效地組織整機(jī)的熱力過(guò)程、合理地選擇工作過(guò)程的參數(shù)及與之有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就是柴油機(jī)的性能優(yōu)化工作。過(guò)去，柴油機(jī)優(yōu)化完全通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行，導(dǎo)致工作量過(guò)大，耗費(fèi)大量的人力、物力。近年來(lái)，柴油機(jī)性能仿真在行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)解除了設(shè)計(jì)者的繁重勞動(dòng)，同時(shí)大幅度縮短研制周期。
AVL-BOOST軟件是一種基于進(jìn)排氣系統(tǒng)的一維動(dòng)力學(xué)計(jì)算的性能仿真軟件。通過(guò)該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充量過(guò)程、增壓器匹配和進(jìn)排氣管路的基本尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是該軟件中沒(méi)有附帶DOE模塊，這一問(wèn)題導(dǎo)致了該軟件無(wú)法對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行多變量和多目標(biāo)的大量試驗(yàn)研究。
為了解決這一問(wèn)題，本文采用了Isight9.0優(yōu)化軟件來(lái)控制柴油機(jī)性能優(yōu)化計(jì)算過(guò)程。
1 BOOST模型的建立
BOOST整機(jī)計(jì)算模型主要由氣缸、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、增壓器和中冷器組成。計(jì)算模型必須由試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模型標(biāo)定，否則計(jì)算結(jié)果精度太差。本次計(jì)算采用了詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型標(biāo)定，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響極大的參數(shù)（如放熱率和增壓器參數(shù)等）采用了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣就保證了計(jì)算模型具有足夠高的計(jì)算模型。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本性能參數(shù)
對(duì)于計(jì)算模型標(biāo)定，本文只抽取了缸內(nèi)壓力的標(biāo)定數(shù)據(jù)。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型
圖2 氣缸壓力（4200r/min時(shí)）
圖3 氣缸壓力（2200r/min時(shí)）
圖4 氣缸壓力（1000r/min時(shí)）
圖5 油耗率
圖中Measurement代表試驗(yàn)數(shù)據(jù)，Simulation代表計(jì)算數(shù)據(jù)。由計(jì)算模型的標(biāo)定結(jié)果可以看出計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異小于3%的工程要求。因此計(jì)算模型是可靠的，其計(jì)算精度滿(mǎn)足工程的使用要求。
2 優(yōu)化計(jì)算
2.1Isight集成BOOST
圖6 Isight集成boost
2.2壓縮比與噴油提前角的優(yōu)化
優(yōu)化目標(biāo)：油耗最低、爆壓不超標(biāo)
自變量參數(shù)：燃燒提前角、壓縮比
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8，在額定點(diǎn)隨著燃燒時(shí)刻的提前及壓縮比的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低，但是燃燒爆發(fā)壓力急劇升高。計(jì)算結(jié)果表明油耗受燃燒提前角影響比較明顯，壓縮比對(duì)爆發(fā)壓力的影響比較明顯。本機(jī)型的爆壓限值是160bar，因此綜合來(lái)考慮選取18作為最終的優(yōu)化結(jié)果。
圖7 BSFC與燃燒提前角、壓縮比關(guān)系圖
圖8 PFP與燃燒提前角、壓縮比關(guān)系圖
圖中：BSFC表示燃油消耗率；soc表示燃燒始點(diǎn)；PFP表示缸內(nèi)最高壓力。
其他工況點(diǎn)的優(yōu)化過(guò)程和額定點(diǎn)相同，不再重復(fù)。
2.3進(jìn)排氣管管徑優(yōu)化
2.3.1優(yōu)化任務(wù)介紹
優(yōu)化函數(shù)模型描述：
目標(biāo)函數(shù)：minF(x)=min（1/V） V為3個(gè)計(jì)算點(diǎn)充氣效率的均值
設(shè)計(jì)變量：進(jìn)氣管容積V1、排氣管內(nèi)徑D1
約數(shù)條件：0.015≤VI≤0.027m;0.00015≤D1≤0.0004m3
2.3.2集成過(guò)程
集成過(guò)程如圖6所示。
2.3.3參數(shù)設(shè)置（參數(shù)設(shè)置如圖9所示）
圖9 進(jìn)排氣管管徑優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
2.3.4優(yōu)化結(jié)果分析
優(yōu)化策略選用模擬退火算法，變量Vl、D1的迭代優(yōu)化過(guò)程如圖10~圖13所示。
圖10 V1優(yōu)化歷程
圖11 D1優(yōu)化歷程
圖12 目標(biāo)優(yōu)化歷程
圖13 優(yōu)化結(jié)果
圖中：V1表示進(jìn)氣管容積大小，D1表示排氣管管徑大小。
優(yōu)化結(jié)果：標(biāo)定點(diǎn)充氣效率增加了0.11010，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)充氣效率提高了0.48%，低速點(diǎn)充氣效率提高了0.28%。
2.4氣門(mén)定時(shí)優(yōu)化
氣門(mén)定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣過(guò)程的影響很大。通過(guò)氣門(mén)定時(shí)的優(yōu)化可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣系數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失，進(jìn)而達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率和排放性能的影響。
2.4.1優(yōu)化任務(wù)介紹
優(yōu)化函數(shù)模型描述：
目標(biāo)函數(shù)：minF(x)=min（1/V） V為3個(gè)計(jì)算點(diǎn)充氣效率的均值
設(shè)計(jì)變量：IVO、IVC、EVO、EVC
約數(shù)條件：氣門(mén)不和活塞發(fā)生干涉
2.4.2集成過(guò)程
集成過(guò)程和圖6類(lèi)似，不再重復(fù)。
2.4.3參數(shù)設(shè)置
參數(shù)設(shè)置如圖14所示，對(duì)優(yōu)化目標(biāo)采用了離散變量的形式，這樣做的目的主要是減少優(yōu)化次數(shù)，縮短優(yōu)化計(jì)算時(shí)間。
圖14 氣門(mén)定時(shí)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
2.4.4優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化策略選用了多島遺傳算法，優(yōu)化過(guò)程迭代了242步收斂，如圖15~圖20所示。
圖15 IVC優(yōu)化歷程
圖16 IVO優(yōu)化歷程
圖17 EVC優(yōu)化歷程
圖18 EVO優(yōu)化歷程
圖19 V2優(yōu)化歷程
圖20 優(yōu)化結(jié)果
圖中：IVO代表進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟角，IVC代表進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角，EVO代表排氣門(mén)開(kāi)啟角，EVC代表排氣門(mén)關(guān)閉角。
優(yōu)化結(jié)果：4200rpm充氣效率降低1.06%，2200rpm充氣效率提高5.98%，1000rpm充氣效率提高6.02%。
2.5優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)了新的氣門(mén)升程方案。新設(shè)計(jì)的氣門(mén)定時(shí)方案和優(yōu)化的結(jié)果有一點(diǎn)差異，主要是兼顧氣門(mén)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。新舊兩種方案的性能對(duì)比如圖21所示，可以看出新設(shè)計(jì)方案大幅度地提高了中低速段的充氣效率。
圖21 計(jì)算方案優(yōu)化結(jié)果
3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證
通過(guò)優(yōu)化可以看出進(jìn)排氣管徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影響很小，而氣門(mén)定時(shí)對(duì)充氣效率的影響很大。因此按照優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)了凸輪軸，試驗(yàn)結(jié)果如圖22所示，從圖中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化結(jié)果的趨勢(shì)一致。
圖22 優(yōu)化結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證
4 結(jié)論
1)通過(guò)ISIGHT對(duì)Boost的集成，實(shí)現(xiàn)了熱力學(xué)計(jì)算的自動(dòng)化優(yōu)化，降低了工程師的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，為發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和性能提升提供了指導(dǎo)。
2)ISICHT軟件為柴油機(jī)的優(yōu)化提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，使得復(fù)雜的優(yōu)化變得簡(jiǎn)單可行。
3)ISIGHT集成一維軟件進(jìn)行優(yōu)化耗時(shí)較少，在工程上能接受。本文中的進(jìn)排氣管優(yōu)化共迭代52步(大約耗時(shí)12h)，氣門(mén)定時(shí)優(yōu)化共迭代242步（大約耗時(shí)36h）。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴(lài)品牌。
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本文標(biāo)題：應(yīng)用Isight集成Boost對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化
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