引言
随着能源问题的日益严峻，柴油机节能已成为产品性能开发过程中一个十分重要的指标。同时排放法规的日趋严格也是柴油机行业面临的巨大挑战。这两点原因促进了柴油机燃油经济性、动力性及排放等性能的不断提高。柴油机性能的提高需要通过有效地组织整机的热力过程、合理地选择工作过程的参数及与之有关的结构参数来实现。这就是柴油机的性能优化工作。过去，柴油机优化完全通过试验进行，导致工作量过大，耗费大量的人力、物力。近年来，柴油机性能仿真在行业中得到了广泛的应用。计算机仿真技术解除了设计者的繁重劳动，同时大幅度缩短研制周期。
AVL-BOOST软件是一种基于进排气系统的一维动力学计算的性能仿真软件。通过该软件可以实现对充量过程、增压器匹配和进排气管路的基本尺寸进行优化设计。但是该软件中没有附带DOE模块，这一问题导致了该软件无法对柴油机进行多变量和多目标的大量试验研究。
为了解决这一问题，本文采用了Isight9.0优化软件来控制柴油机性能优化计算过程。
1 BOOST模型的建立
BOOST整机计算模型主要由气缸、进气系统、排气系统、增压器和中冷器组成。计算模型必须由试验数据来进行模型标定，否则计算结果精度太差。本次计算采用了详细的试验数据进行模型标定，对计算结果影响极大的参数（如放热率和增压器参数等）采用了试验数据，这样就保证了计算模型具有足够高的计算模型。
表1 发动机基本性能参数
对于计算模型标定，本文只抽取了缸内压力的标定数据。
图1 发动机计算模型
图2 气缸压力（4200r/min时）
图3 气缸压力（2200r/min时）
图4 气缸压力（1000r/min时）
图5 油耗率
图中Measurement代表试验数据，Simulation代表计算数据。由计算模型的标定结果可以看出计算结果和试验数据的差异小于3%的工程要求。因此计算模型是可靠的，其计算精度满足工程的使用要求。
2 优化计算
2.1Isight集成BOOST
图6 Isight集成boost
2.2压缩比与喷油提前角的优化
优化目标：油耗最低、爆压不超标
自变量参数：燃烧提前角、压缩比
计算结果见图7和图8，在额定点随着燃烧时刻的提前及压缩比的增大，发动机油耗降低，但是燃烧爆发压力急剧升高。计算结果表明油耗受燃烧提前角影响比较明显，压缩比对爆发压力的影响比较明显。本机型的爆压限值是160bar，因此综合来考虑选取18作为最终的优化结果。
图7 BSFC与燃烧提前角、压缩比关系图
图8 PFP与燃烧提前角、压缩比关系图
图中：BSFC表示燃油消耗率；soc表示燃烧始点；PFP表示缸内最高压力。
其他工况点的优化过程和额定点相同，不再重复。
2.3进排气管管径优化
2.3.1优化任务介绍
优化函数模型描述：
目标函数：minF(x)=min（1/V） V为3个计算点充气效率的均值
设计变量：进气管容积V1、排气管内径D1
约数条件：0.015≤VI≤0.027m;0.00015≤D1≤0.0004m3
2.3.2集成过程
集成过程如图6所示。
2.3.3参数设置（参数设置如图9所示）
图9 进排气管管径优化参数设置
2.3.4优化结果分析
优化策略选用模拟退火算法，变量Vl、D1的迭代优化过程如图10~图13所示。
图10 V1优化历程
图11 D1优化历程
图12 目标优化历程
图13 优化结果
图中：V1表示进气管容积大小，D1表示排气管管径大小。
优化结果：标定点充气效率增加了0.11010，最大转矩点充气效率提高了0.48%，低速点充气效率提高了0.28%。
2.4气门定时优化
气门定时对发动机充气过程的影响很大。通过气门定时的优化可以提高发动机的充气系数，降低发动机的泵气损失，进而达到对发动机油耗率和排放性能的影响。
2.4.1优化任务介绍
优化函数模型描述：
目标函数：minF(x)=min（1/V） V为3个计算点充气效率的均值
设计变量：IVO、IVC、EVO、EVC
约数条件：气门不和活塞发生干涉
2.4.2集成过程
集成过程和图6类似，不再重复。
2.4.3参数设置
参数设置如图14所示，对优化目标采用了离散变量的形式，这样做的目的主要是减少优化次数，缩短优化计算时间。
图14 气门定时优化参数设置
2.4.4优化结果
优化策略选用了多岛遗传算法，优化过程迭代了242步收敛，如图15~图20所示。
图15 IVC优化历程
图16 IVO优化历程
图17 EVC优化历程
图18 EVO优化历程
图19 V2优化历程
图20 优化结果
图中：IVO代表进气门开启角，IVC代表进气门关闭角，EVO代表排气门开启角，EVC代表排气门关闭角。
优化结果：4200rpm充气效率降低1.06%，2200rpm充气效率提高5.98%，1000rpm充气效率提高6.02%。
2.5优化结果
根据优化结果，同时结合发动机气门的运动学和动力学设计了新的气门升程方案。新设计的气门定时方案和优化的结果有一点差异，主要是兼顾气门机构的运动学和动力学性能。新旧两种方案的性能对比如图21所示，可以看出新设计方案大幅度地提高了中低速段的充气效率。
图21 计算方案优化结果
3 优化结果验证
通过优化可以看出进排气管径对发动机充气效率的影响很小，而气门定时对充气效率的影响很大。因此按照优化的方案设计了凸轮轴，试验结果如图22所示，从图中可以看出，试验结果和优化结果的趋势一致。
图22 优化结果试验验证
4 结论
1)通过ISIGHT对Boost的集成，实现了热力学计算的自动化优化，降低了工程师的劳动强度，提高了工作效率，为发动机的开发设计和性能提升提供了指导。
2)ISICHT软件为柴油机的优化提供了一个很好的平台，使得复杂的优化变得简单可行。
3)ISIGHT集成一维软件进行优化耗时较少，在工程上能接受。本文中的进排气管优化共迭代52步(大约耗时12h)，气门定时优化共迭代242步（大约耗时36h）。
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