正交设计法在涡轮增压发动机开发中的应用

戴晓旭，谷家鑫，于洪涛，贺燕铭，黄　华，田安民

（北京汽车动力总成有限公司技术中心，北京　101106）

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



正交设计法在涡轮增压发动机开发中的应用

戴晓旭，谷家鑫，于洪涛，贺燕铭，黄华，田安民

（北京汽车动力总成有限公司技术中心，北京101106）

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

摘要：基于一台2.0L四缸涡轮增压汽油机，在设定的转速和负荷工况下，通过调节进气门提前角（VVTi，Variable Valve Timing-in）、排气门推迟角（VVTo，Variable Valve Timing-out）、废气再循环（EGR，Exhaust Gas Recirculation）率、点火提前角（SA，Spark advanced Angle）和空燃比（AFR，Air Fuel Ratio），进行涡轮增压发动机的性能开发，实现最佳的缸内燃烧和最低的燃油消耗与排放；同时，利用正交设计法分别对VVTi、VVTo以及EGR率排列组合进行优化设计，并进一步试验。结果表明：对于3因子4水平的系统试验，利用正交设计法可以减少50％～75％的试验次数。在发动机转速为2000r/min，制动平均有效压力（BMEP，Brake Mean Effective Pressure）为500kPa，理论空燃比和最大制动转矩（MBT，Maximum Brake Torque）点火角工况下，与正交设计法中的试验组相比，当VVTi为40°CA，VVTo为30°CA，EGR率为8％时，发动机的燃油经济性最佳，此时的燃油消耗率为265.39g/(k×Wh)，但燃烧稳定性会受到一定影响，同时燃烧持续期会延长。此时，HC排放有所增加，CO和NOx排放降低。

关键词：可变气门正时；EGR率；正交设计法；燃烧；排放

0　引　言

化石燃料的不断消耗和环境污染作为制约我国经济发展的问题已经引起了社会的广泛关注[1-2]。近几年来，随着汽车产业不断发展壮大，我国汽车保有量已经相当可观。汽车给人们生活带来便利的同时，也消耗了大量的短期内不可再生的化石燃料。不仅是我国，石油危机正在不断威胁着世界各国[3]。与此同时，汽车尾气中的主要污染排放物一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）等已经对生态环境造成了严重的影响。

目前国内外的研究主要集中于发动机技术，旨在降低化石燃料的消耗，提高燃烧效率并降低有害排放。文中综合运用了可变气门正时、废气再循环和涡轮增压3种发动机技术，在一定的转速和负荷工况下，通过调节VVTi、VVTo、EGR率、SA和AFR，在正交设计法的基础上对部分试验条件进行优化组合，进行涡轮增压发动机的性能开发，实现最佳的缸内燃烧和最低的燃油消耗与排放。

1　试验系统及方案

1.1试验系统

试验系统如图1所示，发动机是2.0L直列、四缸涡轮增压汽油机。发动机的测控系统主要包括：AVL Schneider INDY S22-2型测功机，主要用于控制发动机的转速和负荷；恒温进气系统控制发动机进气的温度和湿度；AVL7351CST型燃油流量计计算燃油消耗量；AVL 753CH型燃油温度控制器控制燃油温度；缸压数据采集及燃烧分析系统主要包括：Kistler 2614A1型曲轴转角传感器、AVL GH13Z-24型火花塞式缸压传感器以及AVL INDI MODUL 621型燃烧分析仪。火花塞式缸压传感器分别安装在发动机第1和第3缸上，通过Kistler 5064型电荷放大器进行信号放大。加装在曲轴前端的曲轴转角传感器和缸压传感器分别通过屏蔽电缆与燃烧分析仪连接，利用AVL INDICOM2.4b燃烧分析软件连续对发动机200个工作循环的缸压和曲轴转角等数据进行采集和处理。ETAS ES630.1型空燃比分析仪通过检测发动机原始尾气的宽域氧传感器测量实际的空燃比。排放分析系统主要包括AVL GH0755型前置过滤器和AVL AMA i60 R1C型排放分析仪，前者主要用于加热和干燥发动机的尾气采样，后者测量发动机尾气中HC、CO与NOx的体积分数。

图1　试验系统

1.2试验方案

试验在充分暖机后进行，试验室的恒温进气系统将进气温度控制在(25±1)℃，发动机冷却水和机油的温度为(90±1)℃。通过台架控制将发动机的转速恒定在2000r/min，通过与发动机ECU通信的计算机，调节节气门开度，使BMEP为500kPa左右。AFR设定为理论空燃比，之后分别调节VVTi和VVTo。进气门和排气门的相位变化范围为0～30°CA，变化的步长均为10°CA。调节EGR阀的开度，实现所需的不同EGR率。为了保证稳定的缸内燃烧，本试验工况下EGR率的变化范围为0％～8％，变化的步长为2％～4％。EGR率α定义为

为了实现最佳的燃烧效率，爆发出最大的压力，一般认为缸内50％的燃料完全燃烧释放热量所对应的曲轴转角（AI50，Angle Indication50）即上止点后（ATDC，After Top Dead Center）8～10°CA时可实现MBT。因此，SA尽量控制在MBT点附近。当然如果在MBT点之前发生爆震，那么SA的调整就限定在爆震边界以内。在改变VVTi、VVTo、EGR率以及SA的过程中，发动机的负荷会发生变化，因此还需要对节气门开度进行最终调整，保证所有试验工况点的BMEP均为500kPa。除此之外，为了保证稳定的缸内燃烧，平均指示压力的循环变动系数（COVimep，Coefficient of Variation indicated mean effective pressure）在任何工况下都不能超过3％。

该试验研究的主要目的是通过调节多个试验参数，实现最佳的缸内燃烧和最低的燃油消耗。主要的控制参数包括n、BMEP、AFR、SA、VVTi、VVTo以及EGR率。其中n和AFR为确定值，一旦达到目标值即可；BMEP和SA需要根据其他控制条件的变化稍作修正；VVTi、VVTo以及EGR率这3个参数如果按照常规方法，需要通过排列组合进行多次重复试验。对于这种多变量因子组合，且各变量有多个水平的寻求单一目标的试验而言，可以通过正交设计法进行试验[4]。

2　试验结果及分析

试验利用正交设计的基本方法优化试验组合，利用3因子4水平的正交表，简记为L16（43）。3因子分别为VVTi、VVTo、EGR率。4水平分别为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）为单一的试验目标，见表1。K值为同一因子对应的4个不同水平的BSFC值之和的平均值，该值表示4个水平各自的影响力，该值越大对应的燃油消耗率也越高。R表示极差数，极差数越大说明该因子对试验结果的影响越大。以该试验为例，如果这3个因子，4个水平完全按照排列组合，需要进行64次试验，而利用正交试验设计法，可以将试验次数缩减到16次，利用正交试验设计法可以在大幅缩减试验次数的同时，更加科学地覆盖尽可能多的试验，这对于节约性能开发的时间和降低人力成本作用显著。

表1　正交设计试验

2.1油耗率分析

由表1可以看出，当VVTi和VVTo分别为0°CA、10°CA、20°CA和30°CA时，对应试验组BSFC的平均值随着气门重叠角的不断增大，大致呈逐渐降低的趋势。由此说明，该工况下气门重叠角的增大有利于提高发动机的燃油经济性。同时，当EGR率分别为0％、2％、4％和8％时，对应4个试验组K1、K2、K3和K4分别为273.33g/(kW×h)、274.50g/(kW×h)、271.96g/(kW×h)和267.60g/(kW×h)，说明废气的引入，同样有利于降低发动机的燃油消耗。另外，对于VVTi、VVTo和EGR率，三者对应的极差数R分别为3.31、4.68和6.90，这说明对于BSFC而言，影响力最大因子是EGR率，其次是VVTo，最后是VVTi。当3个因子都处于最大水平时，对应的油耗率均较小。因此，可以考虑进一步优化这3个因子的水平，探索更加优良的燃油经济性。

通过进一步的试验发现，当转速2000r/min，BMEP为500kPa时，EGR率为8％已经是稳定燃烧的极限，进一步提升EGR率会使COVimep超过3％的极限值。同时VVTi和VVTo也可以进一步加大优化。最终，在保证发动机缸内稳定燃烧的基础上（COVimep≤3％），当VVTi、VVTo和EGR率分别为40°CA、30°CA和8％时，BSFC达到了该试验工况下的最低值。如图2所示，与正交试验设计法的16组试验结果相比，最终优化的第17组数据所对应的BSFC最低，此时的油耗率仅为265.39g/(kW×h)。这是由于废气引入到进气中，缸内燃烧温度会降低，使得燃烧室和缸壁的热量损失降低，同时节气门开度的小幅提高也会进一步降低节流损失，最终发动机的热效率得到提升，油耗率降低。

图2　油耗率

2.2排放分析

通过测定尾气中HC、CO、NOx的含量，探究不同试验组中VVTi、VVTo和重整EGR率对涡轮增压发动机排放特性的影响。由图3可以看出，在理论空燃比和最大制动转矩点火角前提下，当发动机转速为2000r/min，BMEP为500kPa时，EGR率较高的试验组所对应的HC排放普遍较高。

HC排放的主要形成机理之一是激冷效应，即缸壁表面对火焰的迅速冷却，造成发动机燃烧室壁面附近的活性中心迅速结合，使得反应速度下降，从而在壁面形成一层未燃烧的和燃烧不完全的混合气。缝隙效应是激冷效应的主要表现形式，随着废气被引入燃烧室，混合气的氧含量降低，燃烧速度减缓，火焰焠熄距离较长。燃烧室中存在大量的缝隙，比如活塞、活塞环与气缸之间的缝隙，火花塞电极之间的缝隙等。这些区域火焰根本不能传播，所以在压缩和燃烧过程中，这些区域的混合气错过了主要的燃烧阶段。当缸内压力降低时，这些未燃气体又回到气缸内温度已经较低的混合气之中，从而造成了混合气的不完全燃烧，甚至部分不燃烧，最终以HC的形式排出。与其他EGR率为8％的试验组相比，第17组试验所对应的HC排放比较低。这是由于该组试验的VVTi为40°CA，VVTo为30°CA，此时气门重叠角最大，气缸换气时气流动性显著提高，缸内的残余废气系数降低，因此最终生成的HC排放比较少。

图3　HC排放

各组试验所对应的CO排放如图4所示，当EGR率分别为0％、2％、4％和8％时，对应试验组CO排放的平均值的体积分数分别为5231×10-6、5216×10-6、4993×10-6和4400×10-6。随着废气的进入，缸内新鲜空气的空间被挤占，氧含量随之降低。

图4　CO排放

另外，发动机燃油消耗率随着EGR率的升高而降低。当EGR率较高时，燃料和氧气消耗都相对较少，因此，CO排放也相对较低。

如图5所示，随着气门重叠角和EGR率的逐渐升高，NOx排放显著下降。当VVTi和VVTo均为0°CA，EGR率为0％时，NOx排放为2931×10-6；当VVTi为40°CA，VVTo为30°CA，EGR率为8％时，NOx排放仅为386×10-6。缸内燃烧温度和氧含量是NOx形成的2个主要因素，燃烧后的废气经过冷却后重新进入进气系统中，氧气的浓度首先下降，进入气缸参与燃烧的废气主要成分是CO2和水蒸气，CO2的化学性质接近惰性气体，比热容也比较高，因此会吸收缸内燃烧所产生的部分热量，进而降低缸内燃烧温度，最终，在氧气浓度和缸内燃烧温度共同降低的作用下，NOx排放得到有效抑制。

图5　NOx排放

3　结　论

探究了涡轮增压发动机性能开发中，VVTi、VVTo以及EGR率对缸内燃烧和排放的影响。结合正交设计基本方法，试验结果表明，影响BSFC的主要因子按影响力由大到小依次为EGR率、VVTo和VVTi。BSFC最低的参数组合为：VVTi为40°CA，VVTo为30°CA，EGR率为8％，油耗仅为265.39g/(kW×h)。但此工况下缸内燃烧的稳定性会受到影响，COVimep会升高。另外，随着EGR率的升高，HC排放有所升高，CO排放小幅降低，NOx排放显著

降低。需要指出运用正交设计法未必能一次性得到最佳的试验结果但可以根据其试验结果，进一步进行少量试验找到最佳的试验条件组合及结果，从而节约发动机性能开发的时间和人力成本。

参考文献

[1]Heywood，JB.Internal Combustion Engine Fundamentals[M].New York：McGraw-Hill，1988.

[2]Xiaoxu Dai，Changwei Ji，Shuofeng Wang，et al.Effect of Syngas Addition on Performance of a Spark-ignited Gasoline Engine at Lean Conditions[J].International Journal of Hydrogen Energy，2012 （37）：14624-14631.

[3]Bing Liu，Zuohua Huang，Ke Zeng，et al.Experimental Study on Emissions of a Spark-ignition Engine Fueled With Natural Gas Hydrogen Blends[J].Energy Fuels.2008，22：273-277.

[4]金良超.正交设计与多指标分析[M].北京：中国铁道出版社，1988.

收稿日期：2015-12-05

文章编号：1002-4581（2016）02-0001-05

中图分类号：U464.171

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.001