基于GT-Power的增压柴油机进排气系统参数敏感性分析

王尚学，曹 晶，陈晋兵，张志军

（中国北方发动机研究所，天津300400）

基于GT-Power的增压柴油机进排气系统参数敏感性分析

王尚学，曹 晶，陈晋兵，张志军

（中国北方发动机研究所，天津300400）

为进一步明确增压柴油机进排气系统优化仿真过程中寻优变量的选择方向，采用一维性能分析软件GT-Power中自带的DOE功能，对影响发动机整机仿真结果（动力性、燃油经济性和可靠性）的15个进排气系统特征参数进行了敏感性分析，并完成了各参数敏感度的排序和比较。分析结果表明，进排气系统阻力是进排气系统设计中的2个重要控制量。与进气管路结构参数相比，排气管路结构参数对各项指标的影响更敏感，而且其中的涡轮出口连接管直径、排气总管直径和长度是3个主要设计参数。

GT-Power进排气系统参数敏感性分析

1 前言

进排气系统是发动机的主要系统之一。由于发动机的进排气系统所包括的特征参数太多，而且各参数对整机性能的影响程度不同，再加上各参数之间的交互作用，使得增压柴油机进排气系统的设计、改进和优化过程，以及进排气系统与整机的匹配过程所考虑的因素过多，导致工作量十分巨大，所以需要建立各参数与整机性能指标的联系。为此，在整机性能仿真模型的基础上进行进排气系统特征参数的敏感性分析，以通过较少参数的调整、较小结构的变动实现性能优化的目的，进而缩短设计周期，降低设计成本。

2 敏感性与仿真模型

2.1 敏感性定义

参数的敏感性表征是，在某客观背景下，目标函数随相关参数在一定范围内变化所对应的变化率的比值，用公式可以表示为

式中，ind为性能指标；Δind为性能指标的变化量；par为特征参数；Δpar为特征参数的变化量。

敏感性分析是基于优化目标来进行的[1]。优化模型结构的整体包括设计变量、目标函数和约束条件。

2.2 性能仿真模型的建立

以某V6增压柴油机为例建立整机的GT-Power性能仿真模型。该V6增压柴油机的主要技术参数见表1。

表1 柴油机主要技术参数

图1为GT-Power性能软件建立的V型6缸增压柴油机工作过程仿真模型。根据试验结果对模型进行校准（如图2所示），保证仿真模型的正确性和仿真结果的可靠性。

3 进排气系统特征参数设置

针对上述V型6缸增压柴油机模型，按照气体工质流经部件的顺序，归纳了其进排气系统的特征参数，并按性质进行分类，包括：

图1 V6增压柴油机GT-Power性能仿真模型

图2 标定工况缸内压力的标定

（1）替代参数——进气节流阀直径（D1）、涡轮进口当量直径（D2）。为了便于计算，在压气机后的进气管路部分增加了一个绝热的节流阀，通过调节节流阀的开度来控制中冷器的压力损失。调节涡轮进口当量直径D2的大小可以实现涡前排气背压的变化，从而可以间接调节压气机的增压比。

（2）结构参数——压气机与中冷器连接管的直径（D3）和长度（L3）、中冷器与稳压腔连接管的直径（D4）和长度（L4）、稳压腔横截面的当量直径（D5）、进气歧管的直径（D6）、排气歧管的直径（D7）、排气总管的直径（D8）和长度（L8）、涡后排气管路的直径（D9）和长度（L9）。由于进、排气歧管的长度受发动机整体空间布置的限制，所以一般不作为被优化的结构参数。

（3）调整参数——进气凸轮正时（θ进）、排气凸轮正时（θ排）。在保持原凸轮型线不变的前提下，对进、排气门开闭时刻的研究可以转换为只研究凸轮顶点对应的相位，即：进气凸轮正时和排气凸轮正时的定义为凸轮升程最高点和上止点之间的凸轮转角。

针对上述增压柴油机进排气系统的15个特征参数，设置各参数的变化范围（见表2）；其中特征参数的变化区间是根据实际整机性能目标的优化要求确定的[2-3]。

出于运算时间的考虑，DOE的类型不用传统的Full-Factorial方法，而是采用GT-Power软件自带DOE功能中的D-Optimal Latin Hypercube方法[4]，设计了特征参数的200组试验，见表3（为节省篇幅，文中仅列出部分参数）。

表2 进排气系统参数的设置

表3 进排气系统参数组合

4 目标函数的确定

参数的敏感性与将要评价的目标密切相关，它是评价某一方案优劣程度的标准。对不同的目标函数，就有一组相对应的设计变量。根据不同的设计要求，其目标函数可以不同。如军用动力，其主要性能目标之一是输出功率最大，在优化设计中应把动力性指标作为目标函数；而民用动力，则要把经济性和排放性指标作为研究的首要任务。因此，只有目标函数确定之后，研究影响参数的敏感性才有意义。基于本次所讨论的V6发动机的应用领域和主要设计工况，文中将分别以整机标定工况下的动力性、经济性和可靠性指标为目标函数，进行进排气系统各参数对其影响的敏感性分析。

5 特征参数敏感性分析

首先通过对上述所有参数组合进行整机性能计算，得到相应的仿真结果；之后针对不同的目标函数，利用非线性回归对这些数据进行拟合，将离散数据用连续函数表达出来，即得到关于所有特征参数的目标函数。图3给出了在无其它任何约束条件下进排气系统特征参数对有效输出功率的影响效应的比较。

在图3的影响效应图中，直线的斜率表征设计参数对目标函数影响的大小和影响规律的方向性；而图4的影响当量因子图则可以定量地说明参数对目标函数影响敏感性的大小和相关性[4]。由图3和图4可知，（1）在与整机输出功率呈正相关的特征参数中，进气节流阀直径（D1）对功率的敏感性最大，压气机与中冷器连接管的长度（L3）对功率的敏感性最小；（2）在与整机输出功率呈负相关的特征参数中，涡轮进口当量直径（D2）对功率的敏感性最大，涡后排气管路长度（L9）对功率的敏感性最小。但综合所有对整机输出功率影响的特征参数中，敏感性最大的是涡轮进口当量直径（D2），敏感性最小的是涡后排气管路长度（L9）。

同理，进排气系统不同特征参数对整机的燃油消耗率、爆发压力和排温影响的敏感性大小及影响程度见图5～图10。

根据上述增压柴油机进排气系统特征参数对不同性能指标的影响效应分析，进行各参数的敏感性排序，如表4所示。

由表4可知，进气节流阀直径D1和涡轮进口当量直径D2是进排气系统设计中的2个重要控制量。二者的变化将直接影响整机性能的优劣，这与发动机试验得到的结论相同[5-6]。这是因为D1决定了中冷器的压力降，而中冷器的阻力是构成整个进气系统阻力的主要部分，它会严重影响整机充气效率和进气量，进而影响燃油有效热效率的高低，最终整机的性能指标；而D2表征涡轮进口的当量直径，主要影响涡轮可用能量利用的多少，D2越小，则意味着更多的排气能量进入涡轮，从而使增压器转速提高，不但提高了压气机的增压压力，使得发动机的进气量和爆压都增大，最终体现为整机动力性的提高。但D2越小使得涡前排气背压升高，这会增加整机的泵气损失，反而使整机的燃油消耗率显著升高。进排气凸轮正时对不同性能指标的敏感性差别却比较大。如排气凸轮正时对涡前排温的敏感性较大，而对功率、油耗和爆压的敏感性较小；进气管路结构参数对所考查的各项性能指标的敏感性都不太大，而排气管路结构参数的敏感性则比较大。所以在增压柴油机进排气系统的设计过程中，应优先考虑排气管路结构参数的设计。

图3 特征参数对功率的影响效应比较

图4 特征参数对功率的影响度当量因子比较

图5 特征参数对燃油消耗率的影响效应比较

图6 特征参数对燃油消耗率的影响度当量因子比较

图7 特征参数对爆发压力的影响效应比较

图8 特征参数对爆发压力的影响度当量因子比较

图9 特征参数对排温的影响效应比较

图10 特征参数对排温的影响度当量因子比较

表4 不同参数对性能指标的敏感性排序

进一步对影响排气系统结构参数的敏感性进行比较，如表5所示（由表4提取）。由表5可以清楚地看到，排气管路的结构参数对功率、油耗、爆压和排温的敏感性顺序几乎相同；并且涡后管路直径、排气总管直径和长度对各项指标的敏感性都比较大，所以是排气系统的重要设计参数；而排气歧管直径和涡后管路长度的影响则比较小，因此在设计中可以置后考虑。

应当注意的是，表4和表5给出的参数敏感性结果只是针对给定的基准参数及变化区间内的计算值。当基准参数或变化区间调整时，它们的相对影响度是不同的。尤其是进排气凸轮正时、排气歧管直径、涡轮进口当量直径等在超过一定数值时，其影响趋势可能发生变化。

6 结论

本文是基于GT-Power仿真模型来进行某增压柴油机进排气系统特征参数敏感性分析的，通过仿真计算得到如下结论：

（1）GT-Power软件可以评价发动机系统特征参数的敏感性和对某一指标影响规律的方向性，并能够完成多参数敏感性的排序。

（2）进排气系统的各个特征参数对性能指标影响的敏感性不同，某一特征参数对不同性能指标的敏感性也不同。

（3）中冷器阻力大小和涡轮进口当量直径是进排气系统设计中的2个重要控制量，二者的变化将直接影响整机性能的优劣；与进气管路结构参数的敏感性相比，排气管路结构参数的敏感性则更大，而且涡后排气管路的直径、涡前排气总管的直径和长度又是排气管路的3个主要设计参数。

1 Montgomery D T,Reitz R D.Optimization of Heavy-Duty Diesel Engine Operating Parameters Using A Response Surface Method[C].SAE 2000-01-1962.

2朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].山西：兵器工业第七O研究所，1997.

3 Gregory J,Hampson.Using GT-Power to Perform Sensitivity Analysis on Engine Models[C].2001 GT-Power Users Conference.

4 GT-Suite User's Manual.Gamma Technology.Inc.

5牛军，梁永森等.进气阻力对柴油机性能影响的试验研究[J].车用发动机，2010；4（189）：79－82.

6习爱民，梁卫话，刘镇.进排气背压对涡轮增压柴油机工作过程影响的研究[J].车用发动机，2008（增刊）：129-131.

Parameters Sensitivity Analysis of Intake and Exhaust System for Turbocharged Diesel Engine Based on GT-Power

Wang Shangxue,Cao Jing,Chen Jinbing,Zhang Zhijun
（China North Engine Research Institute,Tianjin 300400,China）

To determine the direction of optimization variables in optimizing simulation of the intake and exhaust system of a turbocharged diesel engine,the sensitivity analysis of 15 characteristic parameters of intake and exhaust system that affect the complete engine performance(power performance,fuel economy and reliability)is made by using DOE tool in GT-Power,and comparison of different parameter sensitivity to performance index is conducted,getting a sensitivity taxis.The analysis results show that intake resistance and exhaust resistance are more important control variables in the intake and exhaust system design process, and the structure parameters of the exhaust system are much more sensitive to all performance indexes than those of the intake system.In addition,the parameters such as the diameter of pipe connected to turbine outlet,as well as the length and diameter of exhaust pipe are three dominate design parameters that affect performance indexes in the structure parameters of the exhaust system.

GT-Power,intake and exhaust system,parameters,sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.004

来稿日期：2013-07-21基金项目：国家863计划项目（2012AA111709）

王尚学（1981-），男，工学硕士，副研究员，主要研究方向为发动机总体性能。