马少杰，樊文欣，杨伟，张盛棕，程必良

(中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051)

随着石油、天然气等资源越来越少，不可再生能源的消耗问题日益突出。而内燃机作为汽车主要的动力源，每年消耗的石油能源约占石油总消耗的70%以上。并且随着汽车保有量的增加，环境污染问题也变得越来越严重[1]。为了改变这种现状，国家大力提倡开发新能源，但目前的还面临着许多技术问题与安全问题，研究现状并不乐观[2]。

在此背景之下，对置二冲程(Opposed-Piston, Two-Stroke，简称OP2S)柴油机进入人们的视线。在相同活塞数的前提下，OP2S柴油机减少了气缸数，提高了传热效率，并且具有较大的冲程缸径比，效率高，可以有效减少能源浪费，节省大量的不可再生资源[3]。除此以外，OP2S柴油机燃烧温度低，NOx排放量少，对减少环境污染也有巨大潜力。但是，OP2S柴油机存在换气时间短、换气质量差的问题，其换气持续时间为120°～150°，而四冲程柴油机的换气持续时间为400°～500°，OP2S柴油机的换气时间还不及四冲程柴油机的一半。而换气过程是OP2S柴油机工作的重要组成部分，它在很大程度上决定了缸内可充入的新鲜气体的质量，进而影响到发动机的整个工作循环，因此，解决其换气效率低的问题显得尤为关键。

目前，对OP2S柴油机气口结构的优化研究大多集中在气口结构对换气过程影响的机理性和规律性研究[4-6]，对气口参数的优化设计及其实用性技术方法提及并不多。本研究基于Taguchi算法，选取了影响OP2S柴油机换气性能的主要参数，如进气口高度、进气口宽度圆周比、排气口高度、排气口宽度圆周比，对气口面积进行了优化，以期为以后OP2S柴油机的优化提供参考。

1 试验设计

1.1 仿真设计

在GT-Power中并没有OP2S柴油机(见图1)的发动机模块，所以需要对传统柴油机与OP2S柴油机进行等效处理，而OP2S柴油机与传统柴油机的结构并没有本质区别，所以只需要在传统柴油机一个活塞的基础上进行活塞的等效位移处理即可，除此以外，喷油器喷油、活塞压燃与传统内燃机的燃烧模型一致。图2示出OP2S柴油机左右活塞位移等效为总活塞位移的等效位移图。

图1 OP2S柴油机结构简化图

图2 等效活塞位移

将活塞位移等效后，基于表1的基本数据建立GT-Power仿真模型(见图3)。模型由进排气环境、管道、进排气口、曲轴箱、气缸、喷油器构成，其中燃烧模型为韦伯燃烧模型，传热模型为Woschni传热模型。

表1 OP2S柴油机基本参数

图3 一维仿真模型

模型建立之后，要对其进行标定验证，对此，本模型依据Neerav Abani[7]研究得到的柴油机缸压和放热率数据，对仿真结果进行验证(见图4)。结果显示，仿真结果与试验数据基本吻合，因而该OP2S柴油机仿真模型是可靠的，可以用于下一步的分析研究。

图4 仿真结果与试验结果对比

1.2 表征参数的确定

一维模型建立完成后，需要对试验参数与评价参数进行确定。本研究选取进排气口高度与宽度圆周比作为表征的参数；由于OP2S柴油机的换气过程较为复杂，目前并没有单一的参数可以全面表征其换气系统的性能，所以将评价参数确定为平均指示压力、给气比、扫气效率。其中，平均指示压力可以表征其动力性能，给气比可以表征扫气泵的做功情况，扫气效率可以表征扫气效果[8]。

1.3 正交试验设计

大量文献数据显示，进排气口宽度圆周比大多集中在0.70左右，宽度圆周比越大，气口面积越大，但宽度圆周比若超过0.80就会影响气缸的结构强度，因此，最终将宽度圆周比的取值范围定为0.70～0.77。而对于进排气口高度的选择，进行了88组的仿真试验，最终将进、排气口的高度分别确定为23～27 mm和33～37 mm，此范围与前人研究范围不同，更能反映接近最佳气口高度之后的参数变化规律。据此设计的四因素三水平的因素位级表见表2。

表2 因素位级表

2 Taguchi算法优化效果分析

2.1 均值分析

Taguchi算法是一种以正交试验为基础，利用少量数据得到最优参数组合的优化设计方法。它具有3个静态特性，分别是望大特性、望小特性、望目特性，可根据这3个特性计算Taguchi的重要评价指标——信噪比。根据计算公式的不同，信噪比也可以分为望大信噪比、望小信噪比、望目信噪比。在试验中，扫气效率与给气比可看作百分率，而田口算法将百分率采用变量代换转化为望小特性来处理[9]，所以也可将百分率特性划归望小特性看待。因此给气比与扫气效率可采用望小特性信噪比进行计算：

(1)

而平均指示压力可采用望大信噪比进行计算：

(2)

式中：n为试验重复次数；yi为第i次模拟仿真得到的评价参数数据。因此，可将S/N1作为给气比望小值的信噪比，S/N2作为扫气效率望小值的信噪比，S/N3作为平均指示压力的望大值信噪比，据此设计的四因素三水平的正交试验方案及仿真结果见表3。根据表3可计算得出S/N1，S/N2，S/N3在各试验因素和水平下的平均信噪比，分别为3.099 931，3.475 164，117.650 302，可与各自相对的参数作对比。而各因素和水平下的平均信噪比见表4～表6。

表3 正交试验及信噪比计算结果

表4 给气比平均信噪比分析

表5 扫气效率平均信噪比分析

表6 平均指示压力信噪比分析

由于信噪比值越大，OP2S柴油机的换气性能越好，因此，由表4可以看出给气比平均信噪比最大的方案为A1B3C1D2,即进气口高度为23 mm，排气口高度为37 mm，进气口宽度圆周比为0.73，排气口宽度圆周比为0.75。由表5可以看出扫气效率平均信噪比最大的方案为A1B3C1D2,即进气口高度为23 mm，排气口高度为37 mm，进气口宽度圆周比为0.73，排气口宽度圆周比为0.75。平均指示压力平均信噪比最大的方案为A3B1C2D1(见表6)，即进气口高度为27 mm，排气口高度为33 mm，进气口宽度圆周比为0.75，排气口宽度圆周比为0.73。

2.2 极差分析

极差越大，说明该因素对换气效果的影响越显著，根据极差分析可以得出四个试验因素对三个评价指标的影响程度顺序，极差公式即为各试验因素的最大平均信噪比减去最小平均信噪比。由表7可以看出，试验因素对给气比的影响顺序由大到小依次为进气口高度，排气口高度，排气口宽度圆周比，进气口宽度圆周比；对扫气效率的影响顺序由大到小依次为进气口高度，排气口高度，排气口宽度圆周比，进气口宽度圆周比；对平均指示压力的影响顺序由大到小依次为排气口高度，进气口高度，排气口宽度圆周比，进气口宽度圆周比。

表7 极差分析

2.3 试验因素对信噪比影响占比分析

利用信噪比的总体平均值以及各因素各水平的平均信噪比可以算出各试验因素对换气性能影响的占比[10]：

(3)

式中：T为评价参数信噪比；x为试验因素；m(T)为信噪比平均值；mx(Ti)为某一水平下的信噪比平均值。各参数对换气性能的影响占比见表8。由表8可以看出，各单因素对给气比、扫气效率、平均指示压力的影响顺序与极差分析一致。通过信噪比的均值分析可以对单一目标进行优化，而进行多目标优化时需考虑各因素对换气性能各个因素信噪比的影响占比。在表8中可以明显看到排气口高度对平均指示压力的影响显著，因此排气口高度选定为33 mm；进气口高度的影响占比很小，综合考虑给气比与扫气效率，将进气口高度定为25 mm；而宽度圆周比虽然有一定的改善效果，但过大的宽度圆周比会影响气缸的结构强度，因此将进排气口的宽度圆周比均定为0.75。

表8 各参数对换气性能的影响占比

3 结束语

采用Taguchi算法对OP2S柴油机的气口结构进行了优化。研究结果表明，当进气口高度为25 mm、排气口高度为33 mm、进排气口宽度圆周比为0.75时，既可以保持气缸的结构刚度，又可以取得良好的换气性能，此时，OP2S柴油机的给气比为0.714 2，扫气效率为0.683 6，平均指示压力为0.777 3。