李承運(yùn) 楊 美 孫建軍 方會(huì)詠 李 偉 羅 珒 趙福成

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著石化能源的不斷消耗，石油的儲(chǔ)量日漸減少，資源變得日益緊張，尤其是對(duì)于中國(guó)這種資源消耗型大國(guó)，資源問(wèn)題尤其嚴(yán)重。加之目前排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，汽車行業(yè)急需尋找能夠替代汽油的、生產(chǎn)方便的、可再生的且排放更少的燃料。乙醇具有可再生性、生產(chǎn)原材料易于獲取、抗爆震性能優(yōu)良和低污染物排放等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)代用生物燃料[1]。有數(shù)據(jù)顯示，相比于傳統(tǒng)的92#汽油，我國(guó)成品汽油構(gòu)成中，只有20%是乙醇汽油。但是，乙醇汽油可以顯著降低CO、HC 和NOx排放。劉圣華等通過(guò)試驗(yàn)研究得出，使用乙醇汽油，可以使CO 和NOx排放分別降低15%和5%[2]；王春杰等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，使用乙醇汽油后，整車的CO、HC 和NOx排放分別下降了30%、18%和10%[3]。更重要的是，使用乙醇汽油，不要求改變?cè)嚢l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，因此具有廣泛的推廣應(yīng)用潛力。

本文以一臺(tái)普通量產(chǎn)的三缸直噴增壓水冷汽油機(jī)為基礎(chǔ)，在不做任何硬件結(jié)構(gòu)改動(dòng)的前提下，針對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和氣體污染物排放進(jìn)行E85 乙醇汽油的燃燒優(yōu)化。采用基于模型的優(yōu)化思想對(duì)可變進(jìn)排氣門正時(shí)（DVVT）進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以準(zhǔn)確得到針對(duì)乙醇汽油的最佳進(jìn)排氣正時(shí)參數(shù)，同時(shí)顯著縮短了試驗(yàn)周期。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

在一臺(tái)量產(chǎn)的15TD 直噴增壓汽油機(jī)上，采用E85 乙醇汽油（用85%體積分?jǐn)?shù)的工業(yè)乙醇與15%體積分?jǐn)?shù)的92# 汽油均勻混合而成），依據(jù)整車WLTC 試驗(yàn)循環(huán)，提煉出發(fā)動(dòng)機(jī)常用部分負(fù)荷工況，開展正時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1 所示。測(cè)功機(jī)為HORIBA 瞬態(tài)測(cè)功機(jī)，檢測(cè)和控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化，確保工況穩(wěn)定；采用AVL IndiCom 燃燒分析儀對(duì)缸內(nèi)燃燒實(shí)時(shí)監(jiān)控，并記錄相關(guān)燃燒參數(shù)；采用HORIBA 瞬態(tài)排放設(shè)備監(jiān)控優(yōu)化過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放變化，包括CO、THC、NOx等有害污染物排放變化。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)布置示意圖

為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，此次DVVT 優(yōu)化試驗(yàn)采用了基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）和基于模型的優(yōu)化方法，比傳統(tǒng)方法可節(jié)約50%的臺(tái)架標(biāo)定時(shí)間。本文中涉及到的DOE 和標(biāo)定優(yōu)化均采用MATLAB 中的基于模型標(biāo)定工具箱（model based calibration tools）實(shí)現(xiàn)。最后，將優(yōu)化正時(shí)后的油耗數(shù)據(jù)導(dǎo)入CRUSE 進(jìn)行整車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真，評(píng)估優(yōu)化效果。

2 基于模型的DVVT 優(yōu)化

基于模型的優(yōu)化技術(shù)是以DOE 理論為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合回歸找出數(shù)據(jù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入輸出數(shù)學(xué)模型，然后據(jù)此數(shù)學(xué)模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。圖2 為典型的基于統(tǒng)計(jì)學(xué)建立的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型示意圖。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型示意圖

具體到本文的DVVT 優(yōu)化，首先建立發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、排放等性能參數(shù)與DVVT 關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，然后基于該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行DVVT 優(yōu)化?；谀Ｐ偷膬?yōu)化方法包含的主要步驟有：試驗(yàn)設(shè)計(jì)即DOE、臺(tái)架測(cè)試、建立數(shù)學(xué)模型、基于模型優(yōu)化和優(yōu)化結(jié)果臺(tái)架驗(yàn)證。

本試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)采用的凸輪軸方案為：進(jìn)氣氣門最大升程為8.5 mm，排氣氣門最大升程為8.57 mm，基礎(chǔ)重疊角為34°CA（1 mm 氣門升程），進(jìn)氣正時(shí)物理調(diào)節(jié)范圍為-37.5～12.5 °CA（相對(duì)排氣上止點(diǎn)，下同），排氣正時(shí)物理調(diào)節(jié)范圍為-11.5～18.5°CA。氣門重疊角如圖3 所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門重疊角

2.1 基于DOE 的DVVT 優(yōu)化

根據(jù)WLTC 試驗(yàn)循環(huán)，篩選出24 個(gè)試驗(yàn)工況進(jìn)行優(yōu)化，具體工況如表2 所示。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)部分負(fù)荷工況列表

目前，常用的采樣點(diǎn)分布算法[4-5]包括最優(yōu)DOE算法和空間填充（Space-Filling）算法。按優(yōu)化目標(biāo)不同，最優(yōu)DOE 算法又分為D-Opimal、V-Optimal 和A-Optimal。這3 種算法更適用于多項(xiàng)式建模?？臻g填充算法強(qiáng)調(diào)在試驗(yàn)次數(shù)和建?？煽啃灾g求得平衡，事先不需要選定模型，不需要對(duì)系統(tǒng)有所了解就可以設(shè)計(jì)試驗(yàn)。空間填充算法依據(jù)最大化最小間距（maximize minimal distance）原則，利用多維空間的2點(diǎn)間距，用擴(kuò)展勾股定理計(jì)算，如公式（1）所示。

式中：n 為空間維度，即參數(shù)數(shù)目，分別為2 點(diǎn)的第i維坐標(biāo)。

用擴(kuò)展勾股定理計(jì)算相鄰兩點(diǎn)間的距離，使試驗(yàn)空間中2 點(diǎn)間距的最小值最大化，從而實(shí)現(xiàn)樣本的均勻分布。本文的正時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)采用空間填充算法實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)樣本最優(yōu)分布。

本試驗(yàn)中所用的發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)排氣門正時(shí)調(diào)節(jié)范圍如下：可變進(jìn)氣門正時(shí)（IVVT，即進(jìn)氣VVT）調(diào)節(jié)范圍為50°CA，可變排氣門正時(shí)（EVVT，即排氣VVT）調(diào)節(jié)范圍為30°CA。按照傳統(tǒng)矩陣掃點(diǎn)方法，每5°CA 定義為一個(gè)水平，每個(gè)工況至少要做77 組臺(tái)架試驗(yàn)才能挑選出最優(yōu)組合。采用Space-Filling算法，只需22 組數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的。通過(guò)Space-Filling 算法計(jì)算的DOE 正時(shí)散點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 Space-Filling 算法計(jì)算的正時(shí)散點(diǎn)圖

2.2 開展臺(tái)架試驗(yàn)

采用E85 燃油，在熱機(jī)工況下進(jìn)行部分負(fù)荷正時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)，軌壓采用原始ECU 標(biāo)定數(shù)據(jù)，點(diǎn)火提前角控制在AI50 為6～10°CA 或者爆震邊界，空燃比控制在理論空燃比附近，DVVT 按照DOE 列表進(jìn)行調(diào)整。若發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)平均指示壓力循環(huán)波動(dòng)率（IMEPCov）大于10%，則跳過(guò)該DVVT 組合，進(jìn)入下一組合。

2.3 建立發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型以及模型評(píng)估

將24 個(gè)工況的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MBC 工具箱，建立point-by-point 模型，如圖5 所示。該模型采用混合多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，得到發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、排放、燃燒穩(wěn)定性與正時(shí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)學(xué)模型在用于優(yōu)化之前需要進(jìn)行性能評(píng)估。常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有均方根誤差（root-meansquare error,RMSE），決定系數(shù)（coefficient of determination）r2、自適應(yīng)確定系數(shù)、預(yù)測(cè)確定系數(shù)[6]。

決定系數(shù)r2表征模型與測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合精確度。r2越接近1，表示模型參考價(jià)值越高，通常要求此值大于0.90。自適應(yīng)確定系數(shù)用于評(píng)判模型的自由度數(shù)目（模型項(xiàng)數(shù)）是否合適。當(dāng)r2與的數(shù)值相近且接近1，表明模型擬合較好，并且模型階數(shù)設(shè)置合理，通常要求此值（）大于0.90。預(yù)測(cè)確定系數(shù)表征模型的預(yù)測(cè)能力,越接近1，表明模型預(yù)測(cè)能力強(qiáng)，通常要求此值大于0.90。由于實(shí)際測(cè)量中會(huì)引入各種設(shè)備的測(cè)量誤差、發(fā)動(dòng)機(jī)工況波動(dòng)散差、隨機(jī)誤差等，需要在模型評(píng)價(jià)時(shí)剔除一些偏差過(guò)大的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，以提高模型的精度和預(yù)測(cè)能力。圖6為2 000 r/min@0.4 MPa 工況下油耗模型的評(píng)價(jià)結(jié)果。可知，評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)良，模型具有足夠的預(yù)測(cè)能力。其它工況的模型依此方法逐一改進(jìn)。

圖6 多項(xiàng)式擬合模型評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 基于模型的DVVT 優(yōu)化

將24 個(gè)工況的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入CAGE 工具箱，開展油耗和排放優(yōu)化。優(yōu)化遵循多目標(biāo)優(yōu)化的折中（tradeoff）原則[7]，即以油耗為主要優(yōu)化目標(biāo)，兼顧氣體排放最低和燃燒穩(wěn)定性最優(yōu)。折中優(yōu)化過(guò)程示意圖如圖7 所示。

圖7 多目標(biāo)折中優(yōu)化

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的各工況DVVT 參數(shù)，依據(jù)平順性要求生成MAP 如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化后的DVVT MAP 圖

3 優(yōu)化前后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

將優(yōu)化后的正時(shí)參數(shù)刷寫進(jìn)ECU，進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，相比原始正時(shí)參數(shù)，優(yōu)化正時(shí)后，多數(shù)部分負(fù)荷工況的油耗都有一定的下降。表3 為優(yōu)化正時(shí)前后油耗差異，用優(yōu)化后的油耗減去優(yōu)化前的油耗，即得到油耗的降低程度。

表3 優(yōu)化正時(shí)前后油耗差異 g/（kW·h）

從表3 可以看出，優(yōu)化后，油耗下降。原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）表4 為優(yōu)化正時(shí)前后氣門重疊角差異，即用優(yōu)化后的氣門重疊角減去優(yōu)化前的氣門重疊角。

表4 優(yōu)化正時(shí)前后氣門重疊角差異 °CA

可以發(fā)現(xiàn)：在中小負(fù)荷，優(yōu)化后的氣門重疊角明顯增加。這樣可以有效減少泵氣損失，進(jìn)而降低油耗。由于E85 乙醇汽油的含氧量較高，所以即使在大氣門重疊角導(dǎo)致殘余廢氣過(guò)多的情況下，缸內(nèi)混合氣仍然可以穩(wěn)定燃燒；在大負(fù)荷，優(yōu)化后的氣門重疊角較優(yōu)化前小，主要體現(xiàn)在優(yōu)化后的進(jìn)氣VVT 較優(yōu)化前更加接近初始位置。一方面由于進(jìn)氣門開啟較晚，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣歧管壓力增加，可減少泵氣損失；另一方面，進(jìn)氣門晚開，可以保證大負(fù)荷情況下缸內(nèi)殘余廢氣少，有利于改善燃燒效率，從而降低油耗。

2）使用乙醇汽油后，由于乙醇汽油的蒸發(fā)潛熱大，蒸發(fā)時(shí)吸收的熱量多，所以更容易降低氣缸內(nèi)溫度，抑制爆震現(xiàn)象發(fā)生[8]。在中大負(fù)荷，相對(duì)于原始ECU 數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的點(diǎn)火提前角可以更接近理想點(diǎn)火提前角（AI50 處于6～10°CA），從而實(shí)現(xiàn)降低油耗的目的。

3）使用E85 乙醇汽油后，由于排氣溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷時(shí)混合氣無(wú)需進(jìn)行加濃。相比原始ECU 數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的空燃比（lambda）全部在理論空燃比附近，大負(fù)荷油耗降低。

將優(yōu)化后的油耗數(shù)據(jù)導(dǎo)入AVL 的CRUSE 軟件，進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真，對(duì)比優(yōu)化正時(shí)前后的油耗降低情況。整車模型采用吉利博越車型，匹配7 速DCT 變速箱，采用WLTC 試驗(yàn)循環(huán)考核經(jīng)濟(jì)性。仿真結(jié)果對(duì)比顯示，經(jīng)過(guò)正時(shí)優(yōu)化后的整車燃油經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)化前改善約2.6%。

4 結(jié)論

1）通過(guò)采用基于模型的方法優(yōu)化DVVT 參數(shù)，不僅很好地達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康?，而且還有效縮短了近60%的臺(tái)架試驗(yàn)周期，節(jié)約了可觀的成本。

2）通過(guò)整車仿真計(jì)算可知，不用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做任何硬件改動(dòng)，僅通過(guò)優(yōu)化正時(shí)參數(shù)，就得到了2.6%的經(jīng)濟(jì)性改善，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3）通過(guò)此次正時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)，進(jìn)一步掌握了E85燃油在部分負(fù)荷的燃燒特性，為下一步的全面標(biāo)定優(yōu)化工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

4）鑒于E85 乙醇汽油良好的抗爆震性能，建議增加發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，進(jìn)一步發(fā)揮乙醇汽油的節(jié)油潛力。

5）經(jīng)實(shí)際測(cè)試，E85 乙醇汽油中含氧量高達(dá)29%。同等發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，相比使用普通汽油，使用乙醇汽油后，進(jìn)氣量可以減少約29%。這樣可以考慮使用更小流量、更小慣量的渦輪增壓器，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度和燃油經(jīng)濟(jì)性。

6）E85 乙醇汽油可以在米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行匹配嘗試，可以最大限度地發(fā)揮2 種循環(huán)的節(jié)油效果，且保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性損失最小。