基于Taguchi算法的OP2S柴油機(jī)氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

馬少杰，樊文欣，楊偉，張盛棕，程必良

(中北大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

隨著石油、天然氣等資源越來越少，不可再生能源的消耗問題日益突出。而內(nèi)燃機(jī)作為汽車主要的動(dòng)力源，每年消耗的石油能源約占石油總消耗的70%以上。并且隨著汽車保有量的增加，環(huán)境污染問題也變得越來越嚴(yán)重[1]。為了改變這種現(xiàn)狀，國家大力提倡開發(fā)新能源，但目前的還面臨著許多技術(shù)問題與安全問題，研究現(xiàn)狀并不樂觀[2]。

在此背景之下，對(duì)置二沖程(Opposed-Piston, Two-Stroke，簡稱OP2S)柴油機(jī)進(jìn)入人們的視線。在相同活塞數(shù)的前提下，OP2S柴油機(jī)減少了氣缸數(shù)，提高了傳熱效率，并且具有較大的沖程缸徑比，效率高，可以有效減少能源浪費(fèi)，節(jié)省大量的不可再生資源[3]。除此以外，OP2S柴油機(jī)燃燒溫度低，NOx排放量少，對(duì)減少環(huán)境污染也有巨大潛力。但是，OP2S柴油機(jī)存在換氣時(shí)間短、換氣質(zhì)量差的問題，其換氣持續(xù)時(shí)間為120°～150°，而四沖程柴油機(jī)的換氣持續(xù)時(shí)間為400°～500°，OP2S柴油機(jī)的換氣時(shí)間還不及四沖程柴油機(jī)的一半。而換氣過程是OP2S柴油機(jī)工作的重要組成部分，它在很大程度上決定了缸內(nèi)可充入的新鮮氣體的質(zhì)量，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作循環(huán)，因此，解決其換氣效率低的問題顯得尤為關(guān)鍵。

目前，對(duì)OP2S柴油機(jī)氣口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究大多集中在氣口結(jié)構(gòu)對(duì)換氣過程影響的機(jī)理性和規(guī)律性研究[4-6]，對(duì)氣口參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其實(shí)用性技術(shù)方法提及并不多。本研究基于Taguchi算法，選取了影響OP2S柴油機(jī)換氣性能的主要參數(shù)，如進(jìn)氣口高度、進(jìn)氣口寬度圓周比、排氣口高度、排氣口寬度圓周比，對(duì)氣口面積進(jìn)行了優(yōu)化，以期為以后OP2S柴油機(jī)的優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 仿真設(shè)計(jì)

在GT-Power中并沒有OP2S柴油機(jī)(見圖1)的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，所以需要對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)與OP2S柴油機(jī)進(jìn)行等效處理，而OP2S柴油機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)并沒有本質(zhì)區(qū)別，所以只需要在傳統(tǒng)柴油機(jī)一個(gè)活塞的基礎(chǔ)上進(jìn)行活塞的等效位移處理即可，除此以外，噴油器噴油、活塞壓燃與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的燃燒模型一致。圖2示出OP2S柴油機(jī)左右活塞位移等效為總活塞位移的等效位移圖。

圖1 OP2S柴油機(jī)結(jié)構(gòu)簡化圖

圖2 等效活塞位移

將活塞位移等效后，基于表1的基本數(shù)據(jù)建立GT-Power仿真模型(見圖3)。模型由進(jìn)排氣環(huán)境、管道、進(jìn)排氣口、曲軸箱、氣缸、噴油器構(gòu)成，其中燃燒模型為韋伯燃燒模型，傳熱模型為Woschni傳熱模型。

表1 OP2S柴油機(jī)基本參數(shù)

圖3 一維仿真模型

模型建立之后，要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證，對(duì)此，本模型依據(jù)Neerav Abani[7]研究得到的柴油機(jī)缸壓和放熱率數(shù)據(jù)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(見圖4)。結(jié)果顯示，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，因而該OP2S柴油機(jī)仿真模型是可靠的，可以用于下一步的分析研究。

圖4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.2 表征參數(shù)的確定

一維模型建立完成后，需要對(duì)試驗(yàn)參數(shù)與評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行確定。本研究選取進(jìn)排氣口高度與寬度圓周比作為表征的參數(shù)；由于OP2S柴油機(jī)的換氣過程較為復(fù)雜，目前并沒有單一的參數(shù)可以全面表征其換氣系統(tǒng)的性能，所以將評(píng)價(jià)參數(shù)確定為平均指示壓力、給氣比、掃氣效率。其中，平均指示壓力可以表征其動(dòng)力性能，給氣比可以表征掃氣泵的做功情況，掃氣效率可以表征掃氣效果[8]。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)排氣口寬度圓周比大多集中在0.70左右，寬度圓周比越大，氣口面積越大，但寬度圓周比若超過0.80就會(huì)影響氣缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，最終將寬度圓周比的取值范圍定為0.70～0.77。而對(duì)于進(jìn)排氣口高度的選擇，進(jìn)行了88組的仿真試驗(yàn)，最終將進(jìn)、排氣口的高度分別確定為23～27 mm和33～37 mm，此范圍與前人研究范圍不同，更能反映接近最佳氣口高度之后的參數(shù)變化規(guī)律。據(jù)此設(shè)計(jì)的四因素三水平的因素位級(jí)表見表2。

表2 因素位級(jí)表

2 Taguchi算法優(yōu)化效果分析

2.1 均值分析

Taguchi算法是一種以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用少量數(shù)據(jù)得到最優(yōu)參數(shù)組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。它具有3個(gè)靜態(tài)特性，分別是望大特性、望小特性、望目特性，可根據(jù)這3個(gè)特性計(jì)算Taguchi的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)——信噪比。根據(jù)計(jì)算公式的不同，信噪比也可以分為望大信噪比、望小信噪比、望目信噪比。在試驗(yàn)中，掃氣效率與給氣比可看作百分率，而田口算法將百分率采用變量代換轉(zhuǎn)化為望小特性來處理[9]，所以也可將百分率特性劃歸望小特性看待。因此給氣比與掃氣效率可采用望小特性信噪比進(jìn)行計(jì)算：

(1)

而平均指示壓力可采用望大信噪比進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：n為試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)；yi為第i次模擬仿真得到的評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)據(jù)。因此，可將S/N1作為給氣比望小值的信噪比，S/N2作為掃氣效率望小值的信噪比，S/N3作為平均指示壓力的望大值信噪比，據(jù)此設(shè)計(jì)的四因素三水平的正交試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果見表3。根據(jù)表3可計(jì)算得出S/N1，S/N2，S/N3在各試驗(yàn)因素和水平下的平均信噪比，分別為3.099 931，3.475 164，117.650 302，可與各自相對(duì)的參數(shù)作對(duì)比。而各因素和水平下的平均信噪比見表4～表6。

表3 正交試驗(yàn)及信噪比計(jì)算結(jié)果

表4 給氣比平均信噪比分析

表5 掃氣效率平均信噪比分析

表6 平均指示壓力信噪比分析

由于信噪比值越大，OP2S柴油機(jī)的換氣性能越好，因此，由表4可以看出給氣比平均信噪比最大的方案為A1B3C1D2,即進(jìn)氣口高度為23 mm，排氣口高度為37 mm，進(jìn)氣口寬度圓周比為0.73，排氣口寬度圓周比為0.75。由表5可以看出掃氣效率平均信噪比最大的方案為A1B3C1D2,即進(jìn)氣口高度為23 mm，排氣口高度為37 mm，進(jìn)氣口寬度圓周比為0.73，排氣口寬度圓周比為0.75。平均指示壓力平均信噪比最大的方案為A3B1C2D1(見表6)，即進(jìn)氣口高度為27 mm，排氣口高度為33 mm，進(jìn)氣口寬度圓周比為0.75，排氣口寬度圓周比為0.73。

2.2 極差分析

極差越大，說明該因素對(duì)換氣效果的影響越顯著，根據(jù)極差分析可以得出四個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度順序，極差公式即為各試驗(yàn)因素的最大平均信噪比減去最小平均信噪比。由表7可以看出，試驗(yàn)因素對(duì)給氣比的影響順序由大到小依次為進(jìn)氣口高度，排氣口高度，排氣口寬度圓周比，進(jìn)氣口寬度圓周比；對(duì)掃氣效率的影響順序由大到小依次為進(jìn)氣口高度，排氣口高度，排氣口寬度圓周比，進(jìn)氣口寬度圓周比；對(duì)平均指示壓力的影響順序由大到小依次為排氣口高度，進(jìn)氣口高度，排氣口寬度圓周比，進(jìn)氣口寬度圓周比。

表7 極差分析

2.3 試驗(yàn)因素對(duì)信噪比影響占比分析

利用信噪比的總體平均值以及各因素各水平的平均信噪比可以算出各試驗(yàn)因素對(duì)換氣性能影響的占比[10]：

(3)

式中：T為評(píng)價(jià)參數(shù)信噪比；x為試驗(yàn)因素；m(T)為信噪比平均值；mx(Ti)為某一水平下的信噪比平均值。各參數(shù)對(duì)換氣性能的影響占比見表8。由表8可以看出，各單因素對(duì)給氣比、掃氣效率、平均指示壓力的影響順序與極差分析一致。通過信噪比的均值分析可以對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，而進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)需考慮各因素對(duì)換氣性能各個(gè)因素信噪比的影響占比。在表8中可以明顯看到排氣口高度對(duì)平均指示壓力的影響顯著，因此排氣口高度選定為33 mm；進(jìn)氣口高度的影響占比很小，綜合考慮給氣比與掃氣效率，將進(jìn)氣口高度定為25 mm；而寬度圓周比雖然有一定的改善效果，但過大的寬度圓周比會(huì)影響氣缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此將進(jìn)排氣口的寬度圓周比均定為0.75。

表8 各參數(shù)對(duì)換氣性能的影響占比

3 結(jié)束語

采用Taguchi算法對(duì)OP2S柴油機(jī)的氣口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)氣口高度為25 mm、排氣口高度為33 mm、進(jìn)排氣口寬度圓周比為0.75時(shí)，既可以保持氣缸的結(jié)構(gòu)剛度，又可以取得良好的換氣性能，此時(shí)，OP2S柴油機(jī)的給氣比為0.714 2，掃氣效率為0.683 6，平均指示壓力為0.777 3。