基于GTPOWER的柴油机配气定时的优化设计

第３期（总第４０９期）

内燃机车

２００８年３月

设计・制造

基于ＧＴ．ＰＯＷＥＲ的柴油机配气定时的优化设计

朱梯飞，李明海

（大连交通大学交通运输２－．程学院，辽宁大连１１６０２８）

摘要：理论上一种配气定时只适合柴油机的一个工况，在其他工况下并不能使柴油机达到最佳性能，利用ＧＴ－ＰＯＷＥＲ软件建立柴油机模型，通过数值模拟计算的方法，分别在低、中、高３个转速下，对配气定时中影响缸内充气效率最为敏感的角度进行优化设计，得到它们对应的最佳配气定时，为厂家改进提供依据。

关键词：ＧＴ－ＰＯＷＥＲ；配气定时；敏感系数；优化设计中图分类号：ＴＫ４１１＋．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００３－１８２０（２∞８）０３－００１８－０６’

１前言

近年来受大气暖化、石油价格上升以及新的排放法规等一系列因素的影响，对柴油机各方面要求越来越高，要求各柴油机厂家进一步提升现有机型的性能以及能够开发出性能优异的新产品，而传统的实机试验方法，耗财耗力，更不能迅速地掌握新参数对柴油机整机性能的影响。随着计算机技术的发展、各类计算模型和预测模型的不断完善，数值模拟计算的方法在内燃机研制和开发中得到广泛的应用。配气定时直接影响着内燃机的进排气

２模型的建立

２．１实机参数

ＧＴ－ＰＯＷＥＲ建模的原型机是玉林柴油机厂生产的ＹＣ６Ｔ型柴油机，具体的参数见表１。

表１

ＹＣ６Ｔ型柴油机参数

性能，对燃烧过程的好坏起着至关重要的作用，因

而对内燃机的动力性、经济性及排气污染都有重要的影响。但是柴油机的配气定时是根据标定工况来确定的，部分负荷运行时配气正时很不理想。本文利用ＧＴ－ＰＯＷＥＲ软件建立柴油机的模型，并分别在３个转速下，模拟计算不同配气相位对柴油机性能的影响，并通过优化设计的方法，找到对应转速下的最佳配气相位，为厂家改进提供依据。

２．２

ＧＴ．Ｐ（慨对柴油机模型的建立和校准

ＧＴ－ＰＯＷＥＲ建立的模型包括进气系统、排气系

统、涡轮增压系统、中冷系统、喷油部件、气缸和曲轴箱等。在进行配气相位优化设计以前，必须对模型的准确性进行校准。校准的方式是与试验数值进行对比，校准的参数包括空气质量流量、燃油质量流量、功率、扭矩以及缸内压力曲线等。图ｌ所示的就是试验值与模拟计算值的校准对比图，其中

收修回稿日期：２００７．１０－１２

生；李明海（１肛），男，山东淄博人，教授。

作者简介：朱稀飞（１９８３一），男，浙江遂晶人，硕士研究

第３期（总第４０９期）朱稀飞等：基于Ｇ＇ｒ－ＰＯＷＥＲ的柴油机配气定时的优化设计

１９

＾

’ｌ

／

，／

’

篁

删爆蚓蝗景鏊

／

／

／

，

Ｊ

＼

／

｛

。＼

／／。

，，

／

．试验值

一计‘算１１１

：ｊ－一

转速转角／ｏＣＡ

转速／ｒ．ｍｉｎ－ｌ

／１

／

／－

－

／

／。

／－

／’

≥

爸

／

／

’・试验值

一计算值

瓣儡

．，／

、／

／。

ｌ／

／

．试验值一斗蕾信

转速／ｒ．ｍｉｎ＂１

转速／ｒ．ｍｉｎ’１

图１试验值与计算值的对比图

缸内压力是指１

５００

ｒ／ｍｉｎ时缸内的压力，其余都是

必须考虑到对柴油机功率、扭矩和油耗率的影响，优化是一个综合各方面因素的结果。接着定义优化的变量，配气定时包括进气门开启ＩＶＯ、进气门关闭ＩＶＣ、排气门开启ＥＶＯ和排气门关闭ＥＶＣ这４个角度的变化。为了方便优化计算，现只对其中对充气效率最为敏感的角度进行优化，其余角度不改变，敏感系数是通过这４个角度变化对充气效率影响程度得到的。变量的范围是在原角度基础上提前和落后２００ＣＡ，整个优化过程的方法是通过ＤＯＥ实现的。

由于配气定时在不同转速下对柴油机的充气效率影响不同，因此，在不同转速下都有其对应的最佳配气定时，配气定时应该随着转速和工况的变化而变化。配气定时的优化不是简单移动进排气门的升程图，而是把升程图看成是弹性的，可以“膨胀”和“压缩”，当然也可以进行提前和延后的调整。因而可以灵活地组合各种配气相位。虽然在现实的机械机构中还不能轻松实现此功能，但做为模拟计算还是有意义的，可以进行知识的储备，为以后

参数随转速变化的对比图，由于篇幅限制，其他转速下的缸内压力图不再一一列出。

从图１看出，ＧＴ－ＰＯＷＥＲ软件能够准确地模拟柴油机的运行状态，该柴油机的模型是可靠的，可以在此基础上进行下一步的优化设计。

３配气定时的优化设计

在进行配气定时的优化之前，首先定义优化的目标。一般考虑的原则是使柴油机具有良好的充气效率，以保证它的动力性。充气效率是指每一个进气行程所吸入的空气质量与标准状态下占有气缸活塞行程容积的干燥空气质量的比值。在相同条件下，柴油机的扭矩特性与充气效率成正比，充气效率大，进入气缸参与燃烧的空气就多，功率就大；反之，则造成功率下降，并有可能因为进气不足引起燃烧不充分、积碳、冒黑烟、油耗增大等问题。柴油机采用涡轮增压就是提高缸内充气效率最有效的措施。但是进气效率并不是唯一的指标，同时

内燃机车

２００８正

柴油机配气机构的改进指明了方向。

优化分别在柴油机的３个转速，即１

５００ｒ／ｒａｉｎ、

１１００ｒ／ｒａｉｎ和７００ｒ／ｒａｉｎ下进行ｏ

３．１

１

５∞ｒ／ｒａｉｎ转速下的优化

１５００

ｒ／ｒｎｉｎ为该柴油机试验的最大转速，在该

转速下考察４个角度对充气效率的影响程度，如图２所示。

０．４

Ｏ．３

豢

甏ｏ．２

稻

Ｏ．１

Ｏ．Ｏ

ＩＶＯ

ＥＶＣ

ＥＶＯ

ＩＶＣ

图２４个角度对充气效率影响的敏感系数

从图２看出，排气门开启和关闭的角度对充气效率的影响最大，优化的变量定为ＥＶＣ和ＥＶＯ，优化的目标是缸内的最大充气效率，使其能够同时满足提升缸内最大爆发压力、减小的燃油消耗率和提升柴油机的扭矩。

图３一图６分别表示了不同ＥＶＣ和ＥＶＯ组合对充气效率、最大爆发压力、燃油消耗率和扭矩的影响。

图３不同ＥＶＣ和ＥＶＯ组合对充气效率的影响

从图３一图６看出，充气效率最大的点出现在排气门开度最大，即开启最早、关闭最晚的时刻，但是其他几个参数未能满足最优。最小油耗率和最大扭矩都出现在ＥＶＯ为８０。ＣＡ的左右，综合上面几个因素，计算得到一组最佳的组合角度：ＥＶＯ为

８２．４６１０ＣＡ、ＥＶＣ为４３８。ＣＡ。其他角度不变，表２为优化前后的对比。

图４不同ＥＶＣ和ＥＶＯ组合对缸内最大

爆发压力的影响

图５不同ＥＶＣ和ＥＶＯ组合对

燃油消耗率的影响

图６不同ＥＶＣＥｖｏ组合对扭矩的影响

“

第３期（总第４０９期）朱｛机等：基于ＧＴ－ＰＯＷＥＲ的柴油机配气定时的优化设计

２１

表２优化结果对比

３．２ｌ１００ｒ／ｎａｎ转速下的优化

１１００

ｒ／ｍｉｎ是柴油机试验的中间转速，也是一

个比较典型的转速。图７显示了在此转速下４个角度对充气效率影响的敏感系数。

Ｏ．５

ｏ．４

簌ｏ。３帕餐赫Ｏ．２

Ｏ．１

Ｏ．０

ＩＶｏ

ＥＶＣ

ＥＶｏ

ⅣＣ

图７４个角度对充气效率影响的敏感系数

由图７可以看出，在该转速下，排气门的开启和关闭角度对缸内的充气效率影响最大，并且排气门开度最大的时候充气效率最高。但是从图８一图１１看出，在此转速下，充气效率越大并不能带来缸内爆发压力、功率和扭矩的最大，分析原因是此时排气门过早打开会造成柴油机缸内做功的工质过早地换出，造成功率和扭矩的损失，同时还造成燃油消耗率的上升。，

综合以上的因素，通过ＤＯＥ计算得到一组最佳的组合，其他角度不变。表３为优化结果对比。

表３优化结果对比

图８不同ＥＶＣ和ＥＶＯ组合对缸内

最大爆发压力影响

图９不同ＥＶＥ和ＥＶＯ组合对燃油

消耗率的影响

图１０不同ＥＶＣ和ＥＶＯ组合对功率的影响

３．３

７００ｒ／ｍｉｎ转速下的优化

７００

ｒ／ｒｎｉｎ是该柴油机进行试验的最低转速，模

拟作为怠速下的优化。从图１２中看出，此时除了

排气门关闭角度外，其他３个角度对充气效率影响

内燃机车

２００８年

图１１不同ＥＶＣ和ＥＶＯ组合对扭矩的影响

的敏感系数差不多，故同时对ＩＶＯ、ＥＶＯ和ＩＶＣ这３个角度进行优化。

ｏ．４

Ｏ．３

籁

》２

拯

Ｏ．１

Ｏ．０

ＩＶＯ

ＥＶＣ

ＥＶＯ

ＩＶＣ

图１２４个角度对充气效率影响的敏感系数

由于要进行３个变量的优化，因此只能选择性地选取几个图形进行说明。从图１３一图１６可以看出，排气门开启角度最大的时候有最大的充气效

图１３不同ＥＶＯ和ＩＶＯ组合对

充气效率的影响

图１４不同ＥＶＯ和ＩＶＣ组合对缸内最大

爆发压力的影响

图１５不同ＩＶＣ和Ⅳｏ组合燃油消耗率的影响

图１６不同ＩＶＣ和ＥＶＯ组合对扭矩的影响

率、最大的缸内爆发压力和最大的扭矩，最小油耗

率出现在进气门开启角最小的时候，在进气门关闭

第３期（总第４０９期）朱纬飞等：基于６７－ＰＯＷＥａ的柴油机配气定时的优化设计

２３

，”■．。计算验证值预测误差值计算验证值预测误差值计算验证值预测误差计算验证预测误差计算验证预测误差７ｒ“４

／％

／％

／ＭＰａ

／％

转速

查皇鍪皇坚塑垦奎堡垄堡垄

ｍ

丝塑塑垦皇

／ｇ＂（ｋＷｈ）一１

值／％

垫堑

值／Ｎ．ｍ

值／％

垫皇

值／ｋｗ

值／％

舢姗仰

拟珊窭；

盯抖砸

臀舶

加Ｌ

心ｎ乳

ｍ豁ｍ胁轮竹

抛ｍ研

驼孔酾＿Ⅲｍ狮姒ｍ

＂稻田

。乩ｍ■ｍ埔｜奔现眠脱ｍ研

；堇一

，

从上面的数据我们可以认为，前面的数学预测方法的结果是可以信赖的，其与计算值的误差最大不会超过５％，而大部分误差在１％内。

时，可以进一步提升柴油机潜力。

（３）由于计算时间的影响，笔者只对充气效率影响最敏感的几个角度进行优化，在以后的研究中，可以进行全角度的优化，得到更为优化的结果。

４结论

（１）利用ＧＴ－ＰＯＷＥＲ软件对柴油机配气相位进行分析和计算，可以方便和较快地对柴油机进行优化设计，缩短开发时间。

（２）从上面几个优化结果的前后对比来看，对柴油机的充气效率、功率和油耗性能均有一定程度的提升。这表明，在现有机型上，通过优化配气定

参考文献：

［１］刘永长．内燃机热力过程模拟［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

２００１．

［２］刘锋，张扬军．内燃机一维非定常流动［Ｍ］．北京：清华大学

出版社，２００７．

［３］顾宏中．涡轮增压柴油机性能研究［Ｍ］．上海：上海交通大学

出版社，１９９８．

【上接第ｌｏ页】５结论

本文通过ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ编程，利用遗传算法实现了任意给定线路上的列车操纵曲线寻优，最佳个体就是最终的优化曲线。从计算结果来看，所求解的精度能够充分满足列车在线路上运行的时间、距离、限速等约束，在第３６４代时就已经收敛到最佳结果，极大缩短了寻优时间，为进一步实现在线寻优打下坚实的基础。计算结果可以证明，实数编码的遗传算法，不但能够省去编码和解码的步骤，在采取保留最佳个体策略时可以得到一个很好的收敛结果，当采用与遗传代数相关的不断变化的变异概率和均匀交叉算子时还能够大大加快计算结果的收敛。在计算过程中，引入了牵引、惰行、动力制动等不同的操纵工况来模拟实际线路上的运行情

况，对于司机的操纵能够提出更加实际的建议。

参考文献：

［１］何庆．基于遗传算法和模糊专家系统的列车优化控制［Ｄ］．

成都：西南交通大学硕士学位论文，２００６．

［２］席少林，赵风治．最优化计算方法［Ｍ］．北京：科学出版社，

１９８３．

［３］李玉生．基于遗传算法的列车节能控制研究［Ｊ］．系统仿真学

报，２００７。１９（２）：１－－－４．

［４］雷荚杰，张善文．遗传算法工具箱及应用［Ｍ］．西安：西安电

子科技大学出版社，２００６．

［５］林丹，李敏强，寇纪凇．基于实数编码的遗传算法的收敛性研

究［Ｊ］．计算胡研究与发展，２０００，３７（１１）：１３２２－－１３２６．

［６］石玉，于盛林．实数交叉算子的选取和算法改进［盯．南京邮

电学院学报，２００２，２２（２）：４２—４５．

［７］王自力．列车操纵优化的离线寻优［Ｄ］．成都：西南交通大学

硕士学位论文，１９９３．

［８］刘金琨．先进ＰＩＤ控制舰忸√幔仿真［Ｍ］．北京：电子工业出

版社。２００４．