CN113741211A

CN113741211A - 一种egr系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法

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Publication number: CN113741211A
Application number: CN202110584344.1A
Authority: CN
Inventors: 胡准庆; 张欣
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2021-12-03

Abstract

本发明属于发动机技术领域，公开了一种EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，所述EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法包括：增压发动机工作过程仿真模型的建立及验证；米勒循环增压发动机的系统特性仿真分析；EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化算法构建；遗传算法的米勒循环发动机EGR系统与增压系统的参数优化。本发明以某国产发动机作为论文研究的原型发动机，建立涡轮增压汽油机各子系统工作过程的数学模型，并将基于GT‑POWER建立的汽油机仿真计算模型与试验数据进行对比，验证该模型的准确性，有助于推动高效率国产混动汽油机设计和提升发动机整机性能，具有重要的学术价值意义和工程应用价值。

Description

一种EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，尤其涉及一种EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法。

背景技术

目前，随着中国汽车拥有量的剧增，作为汽车燃料源的石油需求也在急速上升。石油消费量的增加，致使二氧化碳和其他污染物的排放量大幅度增大，而且，碳排放的增加与气候变暖和更重要的温室效应有关。面对越来越严峻的碳排放和快速增长的能源消费双重压力，中国的能源结构面临着严峻的挑战。因此，有必要在国家节能减排和燃料消耗限制严格的情况下，积极推进和应用先进的发动机节能技术。由于节能、低排放等特点，混合动力汽车已成为汽车研究与开发的一个重点。相比于传统的奥拓循环，米勒循环有着泵气损失小，有效热效率高的优点，因此成为混合动力电动汽车一种重要的热力循环。作为发动机的先进技术，废气再循环(EGR)和涡轮增压对于发动机节能减排有着积极的作用。因此，发动机米勒循环技术，废气再循环技术(EGR)和增压技术由于节能潜力和发展空间而越来越引人注目。

米勒循环通过延迟进气阀的关闭时间，进而增加发动机进气压力和减少泵气损失，将部分气体推回到进气歧管。通过进气门晚关或早关形式，米勒循环实现进气回流效果，从而实现发动机膨胀比大于压缩比的过程。由于米勒循环进气过程压缩比小于膨胀比，因此减少了发动机的泵气损失，从而显著提高了发动机热效率，因此采用米勒循环技术成为发动机现阶段提升有效热效率的主要措施之一。

米勒循环有两种实现方式：其中一种是通过连杆和齿轮等机械结构来实现发动机可变压缩比；另一种是通过进气门早关 (Early Intake-Valve-Closing)或进气门晚关(Late Intake-Valve-Closing)的方式使得发动机进气门关闭时的有效压缩比小于几何压缩比。

对于汽油机，利用可变气门正时技术可以实现米勒循环在汽油机上的应用。同时，利用压缩比小于膨胀比的特性，提高了发动机的热效率。

针对米勒循环，国内外学者进行了大量的仿真研究。澳大利亚Ballarat大学以一台2.0L的GDI发动机为原机，利用 GT-POWER软件在模型上提高发动机的膨胀比实现米勒循环，结果显示，应用米勒循环的发动机，动力性和经济性都得到提高。英国Sheffield大学在一台四缸汽油机上应用米勒循环研究发动机的全负荷动力性和部分负荷的经济性。结果显示，在部分负荷汽油机的燃油经济性可以接近柴油机的水平。葡萄牙Minho大学在部分负荷工况下对奥拓循环，米勒循环，狄赛尔循环和混合循环发动机的经济性进行对比，结果发现在小负荷下米勒循环的燃油经济性最好。

德国大众公司IAV实验室的Wolfram Gottachalk等人对可变米勒循环技术进行研究，在一台高几何压缩比的涡轮增压 DISI发动机上，配备了可变气门技术，以研究在涡轮增压区域的可变米勒循环气门正时。研究表明：米勒循环技术搭配VVT 和点火角控制，可有效抑制高压缩比带来的爆震现象。

在国内，白文涛等人运用GT-POWER软件搭建了柴油机仿真模型，对发动机特性随着米勒度的影响进行了研究，研究结果表明，随着米勒度的增大，缸内最高爆发压力、功率、充气效率随之降低。

祖炳锋分别研究了两种不同米勒循环形式对发动机油耗及爆震性的影响。结果表明：两种米勒循环形式均能改善发动机的燃油经济性。与LIVC相比，EIVC的泵气损失相对较小；而在高负荷区域，EIVC会导致燃烧变慢。因此一般采用LIVC 形式来抑制高压缩比引起的爆震现象。

北京理工大学的王长园教授等人在汽油机机上研究了米勒循环的性能表现，研究结果表明：通过优化发动机配气相位，可以使发动机的热效率得到大幅度提高。

吉林大学的姜伟利用GT-Power探究了米勒循环(LIVC)对GDI发动机燃油经济性的改善效果，其对比了不同负荷下米勒循环与奥拓循环的燃油经济性，25％负荷下燃油经济性有6.15％的改善，50％负荷下燃油经济性有4.11％的改善，75％负荷下也有1.19％的改善效果。

刘然等人对一台3.0L增压发动机研究米勒循环对发动机燃油经济性的影响，结果表明：当缸内有效压力小于0.6Mpa 时，进气门晚关对米勒循环泵气损失改善程度较大，而当缸内有效压力大于0.6Mpa时，为了保证发动机的动力性，需要提高发动机的增压压力。当缸内有效压力大于0.8MPa时，米勒循环改善了发动机的燃油经济性。

关力等人在增压米勒循环发动机上研究米勒循环对增压发动机油耗的影响。研究结果表明：应用米勒循环后，小负荷工况下，可以有效降低发动机的泵气损失，提升发动机有效热效率；但在发动机低速中高负荷工况下，由于发动机压缩比大于原机压缩比，使得发动机油耗有一定恶化，因此后期在开发过程中，发动机需平衡不同工况点与压缩比的关系，从而降低发动机油耗。

综上所述，国内外的专家学者和工程技术人员一直没有停止对米勒循环的研究，随着混动汽车越来越受到关注，米勒循环的研究也逐渐成为热点。相比于传统奥拓循环，米勒循环降低了发动机泵气损失、提高了有效热效率进而达到发动机的改善燃油经济性的效果。虽然米勒循环发动机有较高的热效率，但进气回流导致发动机功率偏低，尤其在小负荷工况下更加突出，而混合动力汽车在小负荷工况下采用电动机进行驱动，则避开了这个弱点，使发动机始终工作在高效经济区，可充分发挥了米勒循环的节能优势。而且米勒循环技术也可以提高部分负荷工况下的燃油经济性，降低NO_x排放，以及抑制高压缩比带来的爆震现象。

由于米勒循环减少进气量，发动机在低速工况的扭矩较差，因此需要通过增压的方式来弥补。目前我国的混合动力汽车仍大多采用传统的奥拓循环技术，可以发现我们的技术与国外相比还有很大差距，因此，在我国进行米勒循环发动机的研究具有重要的现实意义。

EGR技术原理是将燃烧废气通过控制阀重新进入燃烧室，参与下一个新的循环过程。EGR最早应用于柴油机，降低燃烧温度，抑制NO_x排放，同时降低燃烧温度，抑制汽油机NO_x的生成和排放。另一方面，由于它增加了混合气的进气量，为了保证相同的动力输出，需要加大发动机节气门开度。

废气涡轮增压系统的工作原理是利用发动机排出的废气能力推动涡轮的高速旋转，进而推动与涡轮同轴的压缩机旋转，压气机压缩新鲜空气，从而提高了气缸的进气量，达到提高发动机输出动力性。同时，废气涡轮增压技术还可以提高发动机的热效率和机械效率。

废气再循环技术与增压技术的研究现状

(1)废气再循环技术的研究现状

EGR系统主要分为两大类：内部EGR和外部EGR。内部EGR系统主要通过发动机的气门正时机构调节气门重叠角，利用残留在气缸内的废气实现废气再循环，由于内部EGR不需要加装专门的EGR装置，只需通过进、排气门的开闭就能实现，因此其结构简单，但难以精确控制EGR率。对于外部EGR，其结构较为复杂，需要外加专门管道，但通过电控系统可精确控制EGR率效果显著，因此较为常用。

如果判断废气再循环量的大小，通常选择用再循环的废气量与进气量的质量比值表示的EGR率来衡量废气再循环量，即：

式中，G_r表示再循环的废气质量，G_a表示新鲜空气的质量。

关于EGR技术，国外很多学者对其做了很多研究。其中Helmut等人研究表明为了减少NO_x排放，进气道喷射汽油机可以通过改变EGR率来达到这个目的。

Heywood等人研究表明：EGR技术可以有效提高汽油机燃油经济性，主要有两方面原因：首先，发动机加入EGR以后，由于废气的影响，缸内燃烧温度有了较大程度的降低，因此减少了发动机气缸内的传热损失；其次在部分负荷下，EGR降低了进排气压差，从而减小了泵气损失。

HaozhongHuang研究表明在发动机全负荷工况下，为了保证发动机动力性不下降，加入EGR后必须通过增压来提高发动机进气压力来实现。

Galloni等人对EGR技术在小排量汽油机上的应用进行了研究，结果表明，EGR技术降低了发动机的爆震指数和进气温度，在保证发动机输出扭矩不变的情况下，可以有效提升发动机有效热效率。

Potteau等人对搭载在2.0L涡轮增压发动机上的EGR进行了试验研究，通过研究发现，在全负荷工况下，采用EGR可以使燃油经济性提高；在排放方面，NO_x含量有一定程度地降低；在EGR对涡轮增压发动机的影响研究方面，使用高压EGR 时，提高EGR率仅仅使压比得到提高；使用低压EGR时，提高EGR率可以在提高压比的同时增大进气流量。

Lurun Zhong等人采用了高速工况下发动机使用高压EGR，低速工况下发动机使用低压EGR的方法。结果证明，该方法可以有效改善发动机燃油经济性。

在国内，彭有荣等人在汽油机上使用EGR系统，并对EGR技术对汽油机的影响做了一些研究。结果表明：在发动机高速工况下，汽油机使用EGR对NO_x排放物的产生起到了较为明显的抑制作用。同时，EGR既可以减少发动机运行过程中的泵气损失，又可以减少发动机的排气热损失，从而达到明显的节油的效果。从排气角度来看，EGR对降低发动机缸内燃烧温度及抑制爆震也有一定作用。

曾契等人在汽油机上进行了高压EGR和低压EGR对发动机影响的试验研究。分别对比了高压EGR和低压EGR技术在全负荷和部分负荷工况下对发动机动力性、燃油经济性和进排气的影响，并分析了出现这些变化的原因。结果表明，在汽油机上加入EGR系统能够使缸内燃烧得到优化，减少泵气损失，从而达到改善燃油经济性的作用。低压EGR系统在中低转速下燃油消耗率比高压EGR要低，主要原因是因为低压EGR系统的发动机中，进入发动机的废气温度比高压EGR低，因此能使缸内燃烧得到优化。

针对传统进气道喷射汽油机，康宁等人针对小排量增压汽油机，开展了EGR技术的试验研究。研究结果表明：在小排量增压汽油机中加入EGR系统后，关于发动机的排放性，CO的排放大约降低了15.3％，HC的排放大约增加了5.8％，而 NO_x的排放降低了30.7％；因此可以看出，EGR技术对于NO_x的排放有着显著的降低作用。

朱天宇等人进行了EGR系统对汽油机性能影响的研究。研究表明，在发动机全负荷工况下，增大EGR率，汽油机输出动力性明显下降，但NO_x的排放会显著减少。

余光耀等人对一台1.5L的进气道喷射增压(PFI)汽油机，采用低压EGR技术。仿真结果表明：低压EGR可以明显改善该发动机的燃油经济性、抗爆震性和CO的排放。NO_x排放在中低负荷工况下下降较多，但在发动机高负荷工况下出现恶化。

针对缸内直喷汽油机，上海交通大学的吴达等人针对EGR技术对增压直喷汽油机燃油消耗率的影响机理进行了研究。结果表明：在发动机全负荷下，加入EGR系统，降低了缸内燃烧温度，减少了发动机的传热损失，使发动机燃油消耗率得到改善。

尹晓军等针对不同EGR系统对发动机性能的影响进行了仿真分析。结果表明：通过缩小涡轮尺寸，单路EGR系统可以产生较高EGR率，但是燃油消耗率较高。

从以上的国内外研究中可以看出，加入EGR后，缸内气体温度降低，降低了发动机的传热损失，降低了发动机燃油消耗率。加入EGR后，发动机的动力性受到一定的影响，为了解决EGR与发动机动力性之间的矛盾，可以在部分负荷下通过增大节气门开度来增大发动机进气量，在全负荷下发动机可采用涡轮增压技术来提高进气量。在排放方面，加入EGR后，对NO_x的排放效果显著降低，降低了CO的排放，但影响效果较小，HC排放会有所增加，但增大的效果不大。

(2)增压技术的研究现状

在国外，很多学者对涡轮增压系统进行了大量的研究。Dominique等人研究表明：搭载涡轮增压的汽油机比非增压汽油机比动力性增大30％，燃油消耗率降低8～10％，同时提升了发动机的加速性能。

S.M.Shahed等人搭建了GT-POWER仿真模型来研究涡轮增压技术对发动机节油性能的影响，结果表面：在保证相同动力性前提下，涡轮增压技术可以使发动机动力性增加37.2％，油耗降低21.6％。

Yang Shiyou等人对VGT涡轮增压系统进行了研究，研究结果表面，VGT增压系统能显著提高发动机输出扭矩，并且可以降低发动机的油耗。

Bertrand等人针对缸内直喷发动机的增压技术进行了研究。通过雷诺1.8IDE发动机与3.0L自然吸气发动机的对比研究结果表明：缸内直喷发动机在大负荷工况下可以改善发动机抗爆震性，在保证相同的动力性下，缸内直喷发动机的燃油经济性得到显著改善。

在国内方面，王飞等人利用AVL-BOOST软件研究了涡轮增压器对发动机性能的影响，结果表明，搭载涡轮增压器后，发动机的动力性和燃油经济性都有所提升。

湖南大学的王树青教授等人对某款1.0L自然吸气发动机涡轮增压器进行了匹配，并优化了发动机的进排气歧管。研究表明：搭载涡轮增压器后，发动机的输出扭矩比原机型增加了41.7％，但燃油消耗率比原机型有所升高。将两款发动机搭载在同一整车上，进行循环工况下整车油耗试验，结果表明：在保持汽车动力性不变下，对比于原机型，搭载涡轮增压器后发动机可以使整车油耗降低5.18％。

综合国内外研究现状，搭载涡轮增压器后，发动机可以实现提高动力性，降低燃油消耗率，提高发动机热效率的目标。同时发动机的加速性能得到提高。为了应对国家减少排放的指标，废气涡轮增压系统和EGR配合使用有更好的应用前景。

EGR与增压系统的集成匹配研究现状：集成匹配方面，国内外的学者也做了很多的研究。Guven等在柴油机上，将米勒循环与涡轮增压技术结合起来。结果表明：当米勒循环的应用使发动机的制动功率和制动热效率降低到6.5％和10％时，涡轮增压将发动机的制动功率和制动热效率提高到18％和12％。从扭矩、比油耗、制动功率和制动热效率等方面对试验和理论结果进行了比较。从理论模型中得到的结果已经用最大误差小于7％的经验数据进行了验证。因此，开发的组合方案可以提高发动机的性能，该方法在柴油机上易于应用。

Fontana等人通过控制VVT实现了EGR和米勒循环的集成匹配，结果表明：相比于原机，匹配后的发动机降低了燃油消耗率，Gentile等人也做了相关的研究，通过讲EGR，米勒循环和液压技术的结合，降低了发动机泵的气损失，在发动机循环测试中降低了油耗。

Bozza等人针对一台米勒循环、高压EGR汽油机搭建了仿真模型，通过优化进气门关闭角、节气门开度和EGR率提升了发动机低负荷下的有效热效率，与优化前的原机相比，优化后的发动机有效热效率提高了7％。

在国内，哈尔滨工业大学的范振阳对某款2.0L气道喷射自然吸气汽油机进行了VVT与EGR的优化匹配，并通过 GT-POWER进行仿真分析。结果表明：在中高转速全负荷工况下，当EGR率为5％时，在保证发动机动力性不降低的条件下，EGR与VVT的集成匹配作用，可以使发动机有效热效率升高约7％。

耿琪应用GT-POWER软件对汽油机与增压器进行建模与仿真，并对EGR技术在涡轮增压汽油机的应用进行研究，分析不同工况下不同EGR率对涡轮增压汽油机的经济特性、动力性能和排放性能的影响。结果发现：涡轮增压汽油机采用EGR 技术能够有效地抑制NO_x的排放，但每一个工况相应的都会有一个最佳的EGR率，需要在保证发动机扭矩和比油耗等动力、经济性能不发生大变化的情况下，控制HC排放不出现大幅增长，尽可能的降低NO_x的排放，以达到排放标准的目的。

针对缸内直喷发动机，王磊等基于一台4缸2.0T米勒循环GDI发动机，同时采用带冷却的低压EGR。之后分析了不同负荷下的VVT技术与EGR技术对发动机燃油经济性与排放性的影响。结论表明：在不对燃烧系统进行大幅度升级的情况下，EGR技术主要提升中高负荷的燃油经济性，米勒技术主要提升大负荷和低负荷的燃油经济性。针对米勒循环和EGR技术各自特点，再结合节气门和涡轮增压器放气阀，推荐发动机不同工况采用不同的控制策略实现最低比油耗和最好的动力性能。

王小燕基于GT-Power平台分别对一款加载了低压EGR高压EGR系统的涡轮增压GDI汽油机建立了仿真模型，通过改变发动机点火提前角和EGR率，对改造后的发动机的动力性、有效热效率和排放性进行仿真研究。结果显示，高、低压EGR 系统均能降低缸内的最高燃烧压力，延迟燃烧峰值相位，节约燃油消耗，抑制NO_x生成。在低转速时，低压EGR系统相较于高压EGR系统缸内燃烧更稳定，两者有效燃油消耗率分别降低了约9.4％和17％，低压EGR系统相比于高压更能有效降低NO_x排放量，最高降幅达75％。

关于控制策略方面，史乃晨在普通控制策略的基础上，本发明提出了基于进气流量修正的EGR阀开度控制模型和基于进气压力修正的VNT叶片开度控制模型，并将两者结合形成增压器与EGR系统的协调控制策略。并利用GT-Power建立仿真模型来验证策略的可行性。结果表明：增压器与EGR系统的协调控制策略达到了较为理想的控制效果。

石垒等基于某款缸内直喷增压汽油机，对米勒循环和EGR技术进行研究，结果发现：对于对外特性要求不是特别高的传统乘用车，可适当降低米勒循环角度，配合低压EGR技术，能进一步降低整车油耗；结合发动机低压EGR技术，在试验的经济工况点，CO和NO_x排放均明显降低，HC变化出现一定波动。

由此可见，通过米勒循环与增压系统的结合，在高速中高负荷时，可利用米勒循环降低有效压缩比来抑制增压带来的爆震影响，也会降低发动机的燃油消耗率。但低速中高负荷时，燃油消耗率会出现上升现象。米勒循环配合低压EGR技术，在排放方面仍有不足之处，需优化喷油时刻或控制EGR率来解决。因此，针对米勒循环发动机的EGR与增压系统的集成匹配研究亟待解决。

在集成匹配方面，国内外学者均有所研究，涉及柴油机，汽油机，混合动力发动机，但仍以传统奥拓循环内燃机的增压 EGR系统集成匹配研究为主，而针对混合动力发动机，尤其是米勒循环发动机的研究较少。EGR系统、增压系统、米勒循环技术均能达到发动机减排，提高燃油经济性的目标，因此将三者相结合起来应用在混合动力专用汽油机上，通过对米勒循环汽油机的增压与EGR系统匹配进行评估，寻找出匹配中存在的问题，提出相应的解决方法，并进行仿真模拟分析，从而达到最佳的动力性，燃油经济性与排放性。

因此，米勒循环、EGR与增压技术对于节能减排效果各有优缺点，若将这三种技术在发动机上联合运用可以作为近期节能减排的较好的方案。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)虽然米勒循环发动机有较高的热效率，但进气回流导致发动机功率偏低，尤其在小负荷工况下更加突出。

(2)由于内部EGR系统不需要加装专门的EGR装置，只需通过进、排气门的开闭就能实现，因此其结构简单，但难以精确控制EGR率。

(3)在排放方面，加入EGR后，对NO_x的排放效果显著降低，降低了CO的排放，但影响效果较小，HC排放会有所增加，但增大的效果不大。

(4)通过米勒循环配合低压EGR技术，低速中高负荷时，燃油消耗率会出现上升现象，在排放方面仍有不足之处。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法。

本发明是这样实现的，一种EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，所述EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法包括以下步骤：

步骤一，增压发动机工作过程仿真模型的建立及验证；

步骤二，米勒循环增压发动机的系统特性仿真分析；

步骤三，EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化算法构建；

步骤四，遗传算法的米勒循环发动机EGR系统与增压系统的参数优化。

进一步，步骤一中，所述增压发动机工作过程仿真模型，包括进、排气系统模型、缸内热力过程模型、中冷器模型以及增压系统模型。

进一步，步骤二中，所述米勒循环增压发动机的系统特性仿真分析，包括：

(1)米勒循环增压发动机EGR系统特性确定

(2)米勒循环发动机增压系统旁通阀开度优化

进一步，步骤三中，所述EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化算法构建，包括：多目标优化就是运用一种合适的优化方法，在已经建立的仿真模型的基础上，对模型中相关的模型参数进行优化，使仿真模型达到优化目标。多目标优化问题的数学模型一般包括三个要素：优化变量、目标函数和约束条件。

进一步，步骤四中，所述遗传算法的米勒循环发动机EGR系统与增压系统的参数优化，包括：

(1)基于GT-Power与Simulink耦合的联合仿真模型建立

(2)遗传算法及其参数设计

(3)根据已建立的优化仿真模型，分别对模型中的优化变量参数、目标函数参数、约束条件参数以及遗传算法参数进行设置，包括：

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，在国家重点研发计划项目课题“混合动力发动机整机设计与集成开发”(课题编号：2017YFB0103404)支持下，对米勒循环发动机EGR系统与增压系统进行集成优化匹配研究，在保证排放达标的前提下，对发动机有效热效率和扭矩进行优化，研究工作有助于推动高效率国产混动汽油机设计和提升发动机整机性能，开展新能源电动汽车动力总成系统研究具有重要的学术价值意义和工程应用价值。

本发明以某国产发动机作为论文研究的原型发动机，建立了涡轮增压汽油机各子系统工作过程的数学模型，并将基于 GT-POWER建立的汽油机仿真计算模型与试验数据进行对比，验证了该模型的准确性。

本发明开展了米勒循环发动机的系统特性仿真研究，分析了在混合动力汽车的行驶工况下，进气门晚关形式米勒循环对发动机换气过程的影响，对不同米勒循环进气门晚关角对发动机动力性和燃油经济性的影响进行了研究；分析了EGR系统对米勒循环发动机排放性、动力性和燃油经济性的影响，并对高压EGR管路倒流问题进行了研究；通过研究旁通阀开度对发动机性能影响，重新对旁通阀开度进行优化标定，得到了全工况下发动机旁通阀最佳开度，对米勒循环发动机与涡轮增压器进行了重新匹配。

确定遗传算法为本发明的优化算法，并对米勒循环发动机多目标优化问题进行了数学描述，开发了GT-POWER与 MATLAB/Simulink耦合程序，对遗传算法进行了参数设计，最终得到了遗传算法的优化结果，并根据寻优结果获取旁通阀开度MAP图、EGR率MAP图，以及增压压力MAP图和进气流量MAP图，完成了米勒循环发动机EGR系统与增压系统的集成优化匹配。

本发明课题来源于国家重点研发计划项目课题“混合动力发动机开发”(课题编号：2017YFB0103404)。课题将围绕混合动力发动机整机设计与集成开发开展研究，以优化混合动力发动机的有效热效率为目标。以某国产汽油机为原型发动机，进行增压系统、EGR系统、米勒循环系统优化匹配，优化发动机的经济性和动力性，实现有效热效率高于40％的目标。

本发明在国家重点研发计划项目课题“混合动力发动机整机设计与集成开发”(课题编号：2017YFB0103404)支持下，开展了对米勒循环发动机EGR系统与增压系统进行集成优化匹配研究，保证排放达标的前提下，对发动机的有效热效率和扭矩进行优化分析。本发明基于GT-Power软件建立了米勒循环增压发动机的仿真模型，针对混合动力电动汽车，研究了米勒循环正时和EGR率等对发动机动力性、燃油经济性和排放性的影响，并重新优化标定了增压器运行MAP。同时，本发明还建立了GT-POWER与MATLAB/Simulink耦合程序，采用遗传优化算法并利用耦合程序进行了米勒循环发动机EGR系统与增压系统进行性能匹配优化。本发明的主要工作及得到的结论如下：

(1)本发明对发动机工作过程仿真模型进行了数学描述，包括缸内工作过程、进排气系统、涡轮增压系统以及中冷器的计算模型等。以某国产发动机为原型发动机，设计搭建了发动机气缸、进排气系统、涡轮增压系统等仿真模块，搭建了米勒循环增压发动机整体仿真模型。本发明还对发动机仿真模型性能进行了验证，分析验证结果表明发动机仿真模型与实验数据的燃油消耗率、缸内最高燃烧压力、扭矩和功率的误差均小于5％，表明搭建的米勒循环增压发动机GT-POWER仿真模型具有较好的准确性。

(2)针对发动机负荷为50％-100％，转速为2000-4500r/min的工况范围，对米勒循环增压发动机的系统特性进行仿真分析研究，研究结果表明：

①采用米勒循环技术以后，泵气损失得到了大幅度的下降，同时在缸内燃烧过程中，气体的温度有一定程度的下降，最终导致燃油消耗率的下降，随着米勒度的增大，有效压缩比不断减小，有效热效率下降，导致燃油消耗率上升。由于缸内燃烧温度的下降，导致发动机排放物中NO_x的下降和CO的上升，最终确定后续研究对象为米勒循环晚关角为30°的汽油机。

②EGR系统可以有效减少发动机NO_x及CO的排放，对NO_x最大减少幅度达到45％，对CO最大减少幅度也达到32.8％。但是对发动机动力性有着抑制作用。研究了EGR系统对于米勒循环增压发动机燃油经济性的影响，当EGR率较小时，可降低缸内燃烧过程的温度，从而缸内高温气体的传热损失降低，同时排气损失也会减小，进而改善了燃油经济性。EGR率较高时，燃烧过程恶化，燃油经济性变差。同时当负荷较大转速较高时，EGR对燃烧过程主要起到抑制作用，进而增大了燃油消耗率。

③本发明分析了米勒循环增压发动机压EGR管路倒流问题，仿真分析表明转速是影响EGR倒流现象的主要因素之一，在低转速时EGR会出现倒流现象，而高转速则不会。负荷也是影响EGR管路倒流现象的因素，在高负荷时，EGR管路倒流现象较低负荷时更为严重。出口压力差最大值均出现在发动机最大转速6000r/min时，且随着节气门开度的增大，最大压力差也在逐渐增大。

(3)本发明针对发动机增压器旁通阀开度进行重新标定。对发动机外特性工况下旁通阀开度进行了优化标定，获取米勒循环发动机外特性下旁通阀，结果表明旁通阀开度相比于优化前，联合曲线穿过高效区，并且远离了喘振线。达到了预期优化的结果。

(4)建立了GT-Power与MATLAB/Simulink耦合程序，采用遗传优化算法并利用耦合程序进行了米勒循环发动机EGR系统与增压系统进行性能匹配优化。

①运用遗传算法作为本发明的优化算法，对多目标优化模型进行了数学描述，包括优化变量、目标函数、约束条件和 Pareto最优解集等。开发了GT-Power与MATLAB/Simulink耦合程序。进行了遗传算法的参数设计。

②对遗传算法的优化结果进行了分析。在全负荷工况下对发动机的性能进行了优化，分析了最高扭矩点和最大有效热效率点工况，通过在发动机全工况内的寻优，获得有效热效率为41.4837％，扭矩为211.28N·m，该对应的工况点为3647r/min，负荷为75.6％，EGR率为7.4％，旁通阀开度为17％。根据寻优结果获取旁通阀开度MAP图、EGR率MAP图，以及增压压力MAP图和进气流量MAP图。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法包括以下步骤：

S101，增压发动机工作过程仿真模型的建立及验证；

S102，米勒循环增压发动机的系统特性仿真分析；

S103，EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化算法构建；

S104，遗传算法的米勒循环发动机EGR系统与增压系统的参数优化。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

1、本发明以某国产发动机作为论文研究的原型发动机，建立了涡轮增压汽油机各子系统工作过程的数学模型，并将基于GT-POWER建立的汽油机仿真计算模型与试验数据进行对比，验证了该模型的准确性。

本发明来源于国家重点研发计划项目课题“混合动力发动机开发”(课题编号：2017YFB0103404)。课题将围绕混合动力发动机整机设计与集成开发开展研究，以优化混合动力发动机的有效热效率为目标。以某国产汽油机为原型发动机，进行增压系统、EGR系统、米勒循环系统优化匹配，优化发动机的经济性和动力性，实现有效热效率高于40％的目标。

本发明的主要内容

(1)米勒循环增压发动机工作过程仿真模型的建立与验证

分析米勒循环混合动力汽车汽油机工作过程的特点，确立发动机缸内工作的物理和数学模型；确立米勒循环混合动力汽车汽油机工作过程仿真分析平台,建立带有增压系统汽油机工作过程仿真模型；根据发动机台架试验结果，验证本模型的准确性。

(2)米勒循环增压发动机系统特性仿真分析研究

根据建立的增压汽油机工作过程仿真模型，研究不同米勒正时对发动机性能的影响；研究不同EGR率米勒循环发动机性能的影响；分析米勒循环发动机EGR管路倒流问题；对发动机与涡轮增压系统废气旁通阀开度进行重新优化标定。

(3)米勒循环汽油机增压系统与EGR系统的集成匹配研究

确定集成优化匹配的优化目标及优化参数，选定合适的优化算法；建立GT-Power与Siumlink耦合的联合仿真模型，进行遗传算法的参数设计；获取不同工况下EGR率MAP及废气旁通阀MAP，分析集成优化匹配的结果。

2、增压发动机工作过程仿真模型的建立及验证

由于试验研究方法需要较长的研发周期、较大的工作量和较高的研发成本，因而仿真计算凭借其较高的工作效率和较低的研发成本，成为现代主要的设计研究方法之一。本发明将通过仿真计算的方法对米勒循环原型增压汽油机EGR系统与增压系统进行研究，因此需要利用GT-POWER建立增压发动机工作过程仿真模型。

2.1增压发动机仿真模型的建立

为了便于建立发动机工作过程仿真模型，将整个发动机工作过程的数学模型划分成若干个独立的、瞬时热力平衡的子系统。子系统内的各点瞬时气体压力、温度、组分都是均匀的，即处于瞬时热力平衡状态。每个子系统之间通过热量交换和质量交换进行联系，互为边界条件。发动机系统主要划分为进气系统、排气系统、气缸、涡轮增压系统和中冷系统五个子系统，本发明在GT-POWER软件平台下论述相关的计算模型。

GT-POWER是一款由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真工具，被世界上大多数发动机和汽车制造厂家及供应商使用。GT-POWER是GT-Suite系列软件中的一部分，涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六个方面。该软件采用有限体积法进行流体的计算，计算步长自动可调，有强大的辅助建模前处理工具，自带有丰富的燃烧模型，具有丰富的控制功能，能与SIMULINK进行耦合求解，能与三维的CFD软件进行耦合计算，自带有优化设计功能，能进行直接优化、DOE设计/优化，能进行进、排气系统噪音分析，能对进、排气系统的消音元件进行优化设计。

2.1.1进、排气系统模型建立

进、排气系统计算模型有相同的实质，而且两个系统中都具有管道和节流口。管道和节流口数学计算模型的准确性对发动机整体仿真计算有至关重要的影响。在发动机工作过程中，进气系统中的新鲜空气和排气系统中的废气流动状态相当复杂，具有典型的非定常流动特征。为了简化计算模型，通常对进、排气管道进行一维计算求解。描述管内的一维非定常流动控制方程组的求解方法有特征线法、小波扰动法、有限体积法等，GT-POWER软件采用有限体积法对一维非定常流动控制方程组进行求解。

(1)模拟基本假设

模拟实际三维非定常流动较为复杂，为了简化计算模型，将进、排气管道内的工质流动处理成一维非定常流动，基本假设如下：

(a)忽略进、排气系统中压力波沿管长方向上的传播、反射和叠加现象，假定压力与管内的空间坐标位置无关；

(b)管道内忽略径向流动效应，认为管道内为一维非定常流动，且管道每一截面上工质的状态参数均为平均值；

(c)管道中状态参数的变化只与轴向坐标和时间有关，且在足够小计算步长内，把管内不稳定流动简化为准稳定流动；

(d)气体流经管道截面时变化缓慢，认为管壁是刚性的，且不计弹性变形；

(e)考虑管壁的摩擦、传热，将管壁与管内气体的热交换简化成一维非等熵不定常流动模型；

(f)认为管内气体为理想气体，不计重力。

(2)进、排气管内基本微分方程

在汽油机模拟计算中，进、排气管内一维非定常流动的基本控制方程如以下公式所示：

(a)连续方程

(b)动量方程

(c)能量方程

式中：u表示气体流速；ρ表示气体密度；A表示管截面积；D表示管道直径；D＝4F/l，l表示管截面的平均周长；f 表示管道内摩擦系数，一般取0.005；q表示单位质量流体的传热率。

(3)进排气管道模型建立

在软件中，采用有限容积法对进、排气管内气体的一维非定常流动进行具体的求解。这种算法对区域有较好的适应性，在数值计算中应用最为普遍。使用有限容积法来求解进排气管路内一维非定常流动，以下公式是采用有限容积法计算时守恒方程的通用形式：

式中：φ表示流体守恒流量；ρ表示流体密度；S表示控制体表面积；V表示控制体容积；n表示控制体表面外法线；v表示流体速度；T表示扩散系数；q表示控制体内的源项。

对守恒控制方程式进行数值积分计算过程中，为了得到稳定解，必须满足CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)准则，即以下公式所示：

式中：Δt表示时间步长；Δx表示沿管道长方向上的步长；u表示气体流速；a表示气体声速。

GT-POWER软件采用的是一维交错网格。标量在网格中心计算，如压力、温度等矢量在网格的交接面计算，如速度、质量流量等。网格的离散化长度由用户定义。对于通常的内燃机性能计算，推荐：

进气系统离散化长度≈0.4×D；排气系统离散化长度≈0.55×D。

气体在管路内流动时，会因为与壁面的摩擦造成压力的损失。摩擦系数与雷诺数和壁面的粗糙度有关。当是光滑壁面时，计算公式如以下所示：

式中：C_f表示摩擦系数；Re_D表示雷诺数。

壁面粗糙时，摩擦系数将会增大，通过公式Nikuradse对摩擦系数进行修正如以下公式所示：

式中：D表示当量管径；h表示粗糙度高度。

当管路弯曲或者截面不规则时，会对气流造成压力损失，这里引入压损系数来表示这种损失，如以下公式所示：

式中：p_out表示进口总压；p_in表示出口总压；ρ表示进口气体密度；v₁表示进口气体速度。

气体在管内流动时，会与管路壁面发生传热，传热系数根据下式来计算：

式中：C_f表示摩擦系数；ρ表示进口气体密度；u表示气体速度；C_p表示气体比热；Pr表示普朗特数，在20～1500℃ 温度范围内，认为普朗特数为常数，取Pr＝0.71。

2.1.2缸内热力过程模型建立

汽油机缸内热力过程建模主要包括缸内燃烧模型和缸内换热模型，选用汽油机韦伯燃烧模型和Woschni壁面换热模型。

(1)缸内燃烧模型

准维燃烧模型又称双区燃烧模型，该模型认为火焰前锋面将燃烧室分成两个区，火焰前锋锋面前方的未燃区和火焰前锋锋面后方的已燃区。汽油机准维燃烧模型基于以下假设：

(a)燃烧反应仅在很薄的火焰锋面内进行，火焰锋面的厚度忽略不计；火焰锋面是以火花塞为中心的球面；火焰前锋将燃烧室分成已燃区和未燃区。

(b)已燃区和未燃区各自构成一个独立的子系统，并各自满足零维燃烧模型的假设。已燃区的工质处于瞬时化学平衡状态。两个区域处于瞬时压力平衡状态，即认为同一瞬时两个区域内的压力相同。

(c)已燃区和未燃区内的工质均视为理想气体。

(d)火焰传播速度采用半经验公式计算。

(e)已燃区和未燃区相互接触的锋面界面上，不进行热量传递。两个区域内的工质仅与各自接触的燃烧室壁面发生热量传递。

基于以上假设，通过气体状态方程、质量守恒方程和能量守恒方程将整个工作过程联立起来。

气体状态方程：

pV＝mRT

质量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：m表示缸内工质总质量；m_in、m_out表示分别进入和排出气缸的工质质量；m_B表示喷入气缸的工质质量；Q_B表示缸内燃油燃烧放出的热量；Q_w表示通过气缸壁向外界传出的热量；h_in表示进入换热工质的比焓；h_out表示排出气缸工质的比焓；u表示缸内工质内能；p表示缸内工质压力；V表示气缸工作容积；T表示缸内工质温度。

气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率根据以下公式确定：

式中：g_f表示每缸的循环喷油量；H_u表示燃料燃烧低热值；X表示在某一曲轴转角时，己燃烧的燃油质量与g_f之比；

表示燃烧放热率。

发生在气缸内的燃烧过程较为复杂，燃烧放热规律受到燃烧过程中的物理、化学变化和发动机的结构和运行参数等因素的影响，用一个数学方法很难对这个过程进行准确的描述。通常用来模拟计算此燃烧过程的方法有两种，分别为实测示功图法和半经验公式的方法。本发明选用第二种方法，用韦伯半经验公式来计算燃烧放热过程。

韦伯半经验公式如下式所示：

式中：m₁表示燃烧品质指数；

表示曲轴转角；

表示燃烧持续角，

表示燃烧起始角；

表示燃烧结束角。

(2)缸内传热模型

缸内传热采用经典的Woschni传热模型计算。通常将整个燃烧室的传热表面积包括活塞气体侧表面，气缸盖气体侧表面和气缸套等三部分，但这三部分传热面的平均壁温各不相同，传热系数采用平均瞬时表面传热系数进行壁面传热计算。单位曲轴转角的缸壁换热量计算公式如下：

式中：n表示发动机转速；α_g表示瞬时平均换热系数；A_i表示换热面积；T_g表示缸内工质瞬时温度；T_wi表示壁面的平均温度。式中，i＝1表示气缸盖；i＝2表示气缸套；i＝3表示活塞顶。

在GT-POWER软件中，利用Woschni准则公式对瞬时平均换热系数计算：

式中：p表示缸内压力；T表示缸内温度；D表示气缸直径；C_m表示活塞平均速度；p_a、T_a、V_a表示在曲轴转角在下止点时缸内压力、温度及气缸容积；V_s表示气缸工作容积；p₀表示发动机倒拖的气缸压力；C₁表示气流速度系数；C₂表示燃烧室现状系数。

通过Woschni公式求出瞬时平均换热系数，带入缸壁换热量计算公式，即可求出气缸与外界的换热量。

2.1.3中冷器模型建立

在增压汽油机中，增压空气都进行中间冷却，使气缸在相同的进气压力下能增加新鲜空气的充量。空气在通过中冷器后，温度下降。中冷器计算主要是算出进气经中冷器后的出口温度T_s、出口压力p_s。T_k是增压器出口空气温度。用下标“s”代表空气，“w”表示冷却水，“i”表示入口状态，“o”表示出口状态。

中冷器出口空气温度T_s的计算公式为：

中冷器出口冷却水温度T_wo计算公式为：

增压空气流过中冷器时压力损失Δp_s可按下式计算：

式中，Δp_so表示中冷器在设计工况时的压力损失，一般可取Δp_so＝0.3-0.5kpa；

表示实际空气流量；

表示设计工况下的空气流量。

2.1.4增压系统模型建立

废气涡轮增压系统由压气机、涡轮共同组成。废气涡轮增压系统的计算应满足三个要求：能量守恒，即涡轮输出功与压气机消耗功平衡；涡轮与压气机同轴安装，保证转速相等；质量守恒，即经过压气机的空气流量与经过涡轮的废气流量相等。对于稳定工况下运行的发动机，为了匹配完善的增压系统，应满足以下条件：

式中：η_s,T表示涡轮的等熵效率；c_p,T表示涡轮内平均定压比热；T₁表示涡轮进口温度；p2/p1表示涡轮膨胀比。

(1)能量守恒：

P_T＝P_C

式中：P_T表示涡轮提供的平均功率；P_C表示压气机消耗的平均功率。

涡轮提供的平均功率由流经涡轮的质量流量和涡轮前后的焓差所决定，并且习惯将涡轮增压器的损失分配在涡轮提供的功率上，计算公式如下：

式中：

表示涡轮质量流量；η_m,TC表示涡轮增压器机械效率；h₁表示涡轮进口处焓值；h₂表示涡轮出口处焓值。

压气机消耗的平均功率取决于流经压气机的质量流量和流经压气机的焓差，计算公式如下：

式中：

表示压气机质量流量；h₃表示压气机进口处焓值；h₄表示压气机出口处焓值。

式中：η_s,C表示压气机的等熵效率；c_p,C表示压气机内平均定压比热；T₃表示压气机进口温度；p4/p3表示压气机压缩比。

涡轮增压器的总效率公式如下：

η_TC＝η_m,TC·η_s,T·η_s,C

(2)转速相等：

n_T＝n_C

式中：n_T表示涡轮转速；n_C表示压气机转速。

发动机不稳定运行时，要考虑涡轮增压器的动量平衡，以便得到涡轮增压器转子角速度的变化率，公式如下：

式中：ω_TC表示涡轮增压器转子角速度；I_TC表示涡轮增压器转子的惯性。

(3)质量守恒：

式中：

表示流经废气旁通阀质量流量；

表示燃油质量流量，可忽略不计。

2.2增压发动机工作过程仿真分析参数描述

2.2.1发动机机主要技术参数

某国产增压汽油机是一款1.2L涡轮增压缸内直喷发动机，具有排量小、动力性能强劲的优点，适合作为混合动力发动机开发的原型发动机，该型汽油机性能指标要求如表1所示。本发明建立了该型增压汽油机的GT-POWER仿真模型进行模拟计算分析，对发动机与涡轮器进行匹配，为增压后发动机性能改善提供依据和指导。

表1某国产增压汽油机主要参数

(1)燃烧系统主要参数

燃烧系统参数中主要包括缸内几何结构参数、气门正时参数、燃烧模型参数、喷油模型参数、壁面传热模型参数等。

缸内参数包括缸内结构参数与相关运行参数，如表2所示。

表2发动机气缸主要参数

(2)配气机构主要参数

根据企业提供的相关参数，确定发动机配气机构参数，如表3所示。

表3发动机配气机构参数

定义以压缩上止点为0°，绘制相应的气门升程曲线，根据上述发动机配气机构参数，在表3中，由于气门间隙的影响，其中气门开启、关闭角均为对应气门升程为0.2mm时刻的曲轴转角。进气门的凸轮正时对应进气门开启时刻曲轴转角；排气门的凸轮正时对应排气门关闭时刻曲轴转角。

(3)涡轮增压系统主要参数

压气机与涡轮机的参数主要取决于增压器后压力与涡轮前压力。涡轮增压系统主要参数由表4给出。

表4涡轮增压系统主要参数

2.2.2仿真模型主要模块

原型增压发动机工作过程仿真模型包括气缸仿真模块、进排气仿真模块和喷油器仿真模块等。本发明首先分别建立各个仿真模块并简化增压器模块，之后连接各个仿真模块，形成增压发动机工作过程仿真模型。

(1)气缸仿真模块

气缸仿真模块运用GT-POWER软件中的EngCylinder模块进行设置和建立。气缸仿真模块的参数设置比较复杂，其中包括：气缸内工质的初始状态、气缸的壁面传热模型、燃烧模型和流体流动模型，以及气缸壁面初始温度。将第一个气缸和第三个气缸内工质设置为增压后的新鲜空气状态，第二个气缸设置为燃烧后的废气状态；缸内壁面传热模型选择Woschni模型；缸内燃烧模型选择韦伯燃烧模型，通过其可以设置点火时刻、点火能量等相关参数；流体流动模型选择Flow模型；将气缸顶部、活塞和气缸侧壁面温度分别设置为575K、575K和400K。

原型增压发动机为直列四缸，因此按照以上方法分别设置1缸、2缸、3缸和4缸，建立增压发动机气缸仿真模块。

(2)进排气系统仿真模块

发动机的进、排气系统包括：节气门、进气管路、排气管路和进、排气门等。在GT-POWER软件中分别建立各个部分，随后将每部分相连接，形成完整的进、排气系统仿真模块。

(3)涡轮增压系统仿真模块

涡轮增压的主要作用是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车的动力性更足。涡轮增压由发动机排出的废气驱动。涡轮由两部分组成，一是新鲜空气增压端(压缩泵轮)、另一部分为废气驱动端(废气涡轮)，两端各有一个叶轮，在同一轴上的两边涡轮之间还有一个泄压触发器(Wastegate)设在废气涡轮一侧，当压缩涡轮压力过大，压力便会推动触发器将废气涡轮的阀门打开，降低气压，以防止增压过度。

(4)增压发动机仿真模型

建立四缸涡轮增压直喷式发动机性能仿真GT模型的步骤如下：

(a)根据原型发动机仿真建模模块数学模型以及简化后的物理模型，将复杂的发动机分为若干个主要子系统。

(b)在此基础上，运用GT-POWER软件提供的模块建立对应的子系统物理模型，不同子系统分别对应了不同的GT模块。

(c)将初始参数输入到相应模块中，初步建立发动机性能仿真GT模型。

根据以上建模步骤，将四缸涡轮增压缸内直喷式发动机简化成由进气系统、气缸工作系统、排气系统、涡轮增压系统以及环境边界条件组成的仿真计算模型，建立的发动机性能仿真通用模块。

2.3增压发动机工作过程仿真模型的验证

将发动机参数导入仿真模型，在全负荷工况下，获得扭矩、功率、BMEP(平均有效压力)、BSFC(有效燃油消耗率) 随转速变化的仿真结果，通过与根据项目合作单位提供的台架实验数据试验值对比，可知：

①发动机功率与扭矩的实验值与仿真值偏差，功率与扭矩两者最大偏差值在5000r/min时出现，分别为3.7％和3.5％；

②描述了发动机泵气压力BMEP实验值与仿真值的偏差，最大偏差值在3000r/min转速下出现，为4.1％；

③描述了发动机燃油消耗率BSFC实验值与仿真值的偏差，BSFC最大偏差值在4500r/min转速下出现，为4.5％。

综上：误差均在5％允许范围内，因此，仿真模型比较准确反映原型发动机性能。

2.4本发明主要对原型增压发动机搭建了GT-POWER仿真模型并得以验证，为后面的参数分析与匹配优化奠定了基础。本发明主要的工作内容和成果如下：

(1)对发动机工作过程仿真模型进行了详细的数学描述，包括缸内工作过程、进排气系统、涡轮增压系统以及中冷器的计算模型。

(2)选择了某国产增压汽油机作为原型发动机，设计搭建了发动机气缸、进排气系统、涡轮增压系统等仿真模块，并将各个模块进行连接，搭建了原型增压发动机整体仿真模型。

(3)对发动机仿真模型性能进行了验证，验证结果显示发动机仿真模型与实验获得的燃油消耗率、缸内最高燃烧压力、扭矩和功率的相对误差均小于5％，在允许范围之内，表明搭建的增压发动机GT-POWER仿真模型具有较好的准确性。

3、米勒循环增压发动机的系统特性仿真分析

3.1不同米勒正时对发动机性能的影响

米勒循环技术作为一项提高发动机热效率的关键技术，被广泛应用于混合动力发动机上。通过推迟进气门关闭时刻或提早关闭进气门的策略来实现米勒循环，前者由于在活塞达到下止点后上行的过程中，将部分气体推回进气道中，而减小压缩比，后者由于在活塞达到下止点前关闭进气门，而减小压缩比，同时又保持着较大的膨胀比，使膨胀比大于压缩比。米勒循环技术有抑制爆震和减小泵气损失，提高发动机的燃油经济性的优点。

米勒循环的两种实现方式为进气门晚关(Late Intake-Valve-Closing)与进气门早关(Early Intake-Valve-Closing)。进气门晚关(LIVC)是在原型发动机进气门升程曲线基础之上，保持进气门开启角不变，通过改变进气门最大升程持续期，将进气门关闭角推后，获得了进气门晚关(LIVC)升程曲线；进气门早关(EIVC)使得凸轮型线变窄，为了保证配气凸轮的力学性能，需要适当降低进气门升程，通过查阅相关文献可知，LIVC形式对爆震的抑制能力要高于EIVC形式，并且EIVC 会减少进气量从而严重影响发动机动力性。因此本发明对LIVC形式进行研究，研究不同米勒正时对发动机性能的影响。研究不同进气门关闭时刻对发动机的换气过程、动力性、燃油经济性以及燃烧排放的影响，并探寻其产生影响的原因。

一般来说，混合动力汽车搭载的发动机不需要考虑怠速工况，高热效率区域出现在2000r/min-4500r/min之间的中高负荷工况。因此，本发明主要对负荷50％、100％，转速2000r/min、3000r/min、4500r/min工况下的进行仿真分析。

米勒循环的进气门正时与升程参数如表5所示。

表5米勒循环进气正时和升程

3.1.1不同米勒正时对发动机换气过程的影响

(1)米勒循环配气定时在节气门全开工况下对发动机换气过程的影响

发动机的换气过程在发动机的工作过程中有着十分重要的作用，直接影响发动机的性能。因此本发明研究泵气损失和容积效率随不同米勒度的变化规律，从而分析对发动机换气过程的影响，

不同负荷不同转速下发动机泵气有效压力(PMEP)随米勒度角度变化的情况，其中负值代表泵气损失。

整体来说，在混合动力发动机工况下，泵气有效压力(PMEP)均随着米勒度的增大呈现增大的趋势，且增大趋势也逐渐增大，因此泵气损失随着米勒度的增大而减小。不同工况下，PMEP最大值均出现在米勒度为60°时。50％负荷工况下， PMEP最大上升了0.21bar，100％负荷工况下，PMEP最大上升了0.16bar。

分析可得，应用米勒循环后，泵气损失的改善幅度较大，泵气损失的下降比例甚至超过了25％。这是因为应用了米勒循环后，部分缸内压力较高的气体被推回到进气道，从而发动机膨胀比大于压缩比，增大了膨胀功，导致泵气损失随之减小。综上，米勒循环技术的应用，可以降低泵气损失，泵气损失的大幅下降将对提高发动机热效率起到一定的作用。

在混合动力发动机工况下，充气效率均随着米勒度增大而减小。其中，在转速2000r/min和3000r/min，米勒度0-30°时，随着米勒度的增大，充气效率下降趋势不明显，并且当米勒度30°时，泵气损失较之前略微增加。不管是哪种工况，在米勒度大于30°之后，充气效率随着米勒度的增大均出现明显下降的趋势。50％负荷时，充气效率最大下降0.193，出现在4500r/min 时，100％负荷时，充气效率最大下降0.179，出现在4500r/min时。

综上所述，随着米勒度的增大，发动机充气效率均呈现下降的趋势，在米勒度为60°时，米勒循环发动机充气效率较原机最大下降超过20％。这是因为，进气门在下止点之后关闭的米勒循环方式，活塞上行至进气门关闭之前会推出部分缸内混合气，此过程不利于发动机充气效率的改善。

3.1.2不同米勒正时对发动机机燃油经济性的影响

由上节可知米勒循环会对发动机换气过程产生较大的影响，因此发动机的性能也会随之变化。本发明通过分析燃油消耗率随米勒度的变化情况，研究米勒正时对发动机燃油经济性的影响。

在50％负荷时，整体来看，米勒循环发动机燃油消耗率随着米勒度LIVC增大呈现先减小后增大的趋势，转速为2000r/min 时，燃油消耗率最小值发生在米勒度为20°时，最大下降12.4g/(kW·h)；转速为3000r/min时，燃油消耗率最小值发生在30° 时，最大下降13.1g/(kW·h)；转速为4500r/min，燃油消耗率最小值发生在30°时，最大下降12.3g/(kW·h)。

在100％负荷时，燃油消耗率变化趋势和50％负荷时基本相似。转速为2000r/min时，燃油消耗率最小值发生在米勒度为 30°时，最大下降11.8g/(kW·h)；转速为3000r/min时，燃油消耗率最小值发生在20°时，最大下降7.1g/(kW·h)；转速为 4500r/min，燃油消耗率最小值发生在30°时，最大下降14.2g/(kW·h)。

分析其中的原因，采用米勒循环技术后，泵气损失随之减小，发动机有效热效率提高，因此燃油经济性得到了改善。但随着米勒度的逐渐增大，越来越多的空气被推回进气道，导致进气流量减小，在几何压缩比不变的情况下，有效压缩比不断减小，有效热效率下降，导致燃油消耗率上升。在米勒度较小时刻，泵气损失对燃油经济性的影响要大于有效压缩比，随着米勒度的增大，有效压缩比的影响因素逐渐增大，并高于泵气损失的影响因素。

3.1.3不同米勒正时对发动机排放的影响

由于开发混合动力发动机目的是提升有效热效率和减少排放，因此有必要对米勒正时对发动机排放的影响进行研究。由于汽油机主要排放污染物是CO和NO_x，本发明研究不同污染物随米勒循环LIVC角度的的变化规律，从而分析对发动机排放的影响。由于CO和NO_x在高速高负荷的生成量明显低于其他负荷，因此本发明选择工况为100％负荷、转速为4500r/min下进行发动机排放的分析研究。

随着米勒循环LIVC角度的增大，NO_x的排放量逐渐减小，最大下降为33.6ppm。分析原因可知，NO_x生成条件是高温富氧，而随着米勒循环晚关角的增大，部分气体被推回到进气道中，使的气缸内的温度逐渐降低，阻止了NO_x的生成条件。

随着米勒循环LIVC角度的增大，CO的排放量逐渐增加，由于米勒循环LIVC在压缩冲程进气门还没有关闭，就有部分气体被推回进气道，这可能会影响缸内混合气的混合，导致缸内混合气混合不均匀，增加了CO的排放。

综合汽油机各性能参数，最终选定米勒度30°曲轴转角为提高该发动机性能最佳方案，确定米勒循环晚关角30°发动机为后面研究分析的发动机。

综上所述，燃油消耗率随着米勒度的增大呈现先下降后增大的趋势。由于采用米勒循环技术以后，泵气损失得到了大幅度的下降，同时在缸内燃烧过程中，气体的温度有一定程度的下降，最终导致燃油消耗率的下降，但随着米勒度的逐渐增大，使得有效压缩比不断减小，有效热效率下降，因此当米勒度导致燃油消耗率上升。缸内燃烧温度的下降，导致发动机排放物中NO_x的下降和CO的上升，目前研究表明采用EGR技术可有效减少CO的排放。

3.2米勒循环增压发动机EGR系统特性研究

废气再循环技术(EGR)是将部分废气通过专门的管道将燃烧后的废气引入进气歧管，与新鲜气体混合后重新进入气缸内参与燃烧。可以通过控制EGR阀开度来精确控制EGR率，进而优化发动机性能。由于废气进入气缸参与燃烧，这样减小了新鲜气体的进气量，会对整个燃烧过程产生一定的影响，最终影响发动机的性能。

本发明首先建立EGR技术的仿真模型，随后对不同EGR率条件下的发动机排放性进行研究，分析NO_x、CO和最高燃烧温度随EGR率的变化，探究废气再循环技术对米勒循环发动机燃油经济性和动力性的影响。

3.2.1EGR系统仿真模型的搭建

EGR系统包括EGR管路、EGR阀和EGR冷却器组成。本发明在原型发动机基础上增加中冷高压EGR系统，对中冷高压废气再循环技术进行仿真分析，即直接连接涡轮入口与进气歧管实现EGR。在原型发动机GT模型中建立了中冷低压EGR系统，废气从涡轮前的排气总管引出，经过EGR阀和EGR冷却器后，然后引入增压器后。实现高压EGR，EGR控制器通过监测节气门处的质量流量和EGR阀处的质量流量对EGR阀门开度进行调节，实现了对目标EGR率的精确控制。

低压EGR虽然有着EGR率容易控制的优点，但由于将废气引入压气机前，因此低压EGR容易腐蚀压气机，一般不常用。而高压EGR是从涡轮前取废气，然后引入增压后的进气管路中去，而增压后的进气管路具有一定的压力，因此高压EGR可能会出现管路倒流现象。关于高压EGR管路倒流问题回来后面的小节讨论。

3.2.2EGR率对米勒循环发动机排放性能影响研究

由3.1.3可知，由于米勒循环的影响导致缸内CO排放升高，因此本发明研究不同EGR率对发动机排放性的影响，全负荷，转速为4500r/min工况下，CO排放随EGR率的变化规律。

在发动机全负荷，转速为4500r/min工况下，随着EGR率的增大，CO的排放逐渐下降，并且相比于加入EGR之前，最大下降幅度达到32.8％，排放量下降了643.1ppm，CO排放量最低发生在EGR率20％时，为1361.8ppm。

分析原因可知，CO是由于发动机燃烧不充分产生，发动机加入EGR后，发动机的部分废气进入气缸，会使废气中的CO 重新燃烧生成CO₂，因此EGR可以降低发动机CO的排放。

在发动机全负荷，转速为4500r/min工况下，随着EGR率的增大，NO_x的排放逐渐下降，并且相比于加入EGR之前，最大下降幅度达到45％，排放量下降了34.2ppm，NO_x排放量最低发生在EGR率20％时，为42.2ppm。

分析原因可知，发动机加入EGR后，发动机的部分废气进入气缸，从而降低了气缸燃烧温度，而NO_x的形成条件是高温富氧，随着废气的加入，也降低了气缸内的氧气浓度，因此随着EGR率的增大，逐渐破坏了NO_x的形成条件。

缸内最高燃烧温度随EGR率的变化规律。当发动机工作在全负荷，4500r/min转速工况下，随着EGR率的增大，发动机缸内最高燃烧温度逐渐下降，且EGR率越大，温度下降的幅度越大。当EGR达到20％，最高燃烧温度最多下降了498.3K。

分析原因是随着EGR率的升高，缸内废气逐渐增多，稀释作用下缸内含氧量下降，受废气增多的影响燃烧过程逐渐恶化，燃烧放热减少，且废气分子的比热比大于燃料分子，热容效应导致缸内燃烧温度降低。

3.2.3EGR率对米勒循环发动机动力与经济性能影响研究

(1)EGR率在节气门全开工况下对米勒循环发动机性能的影响

由于高压EGR管路会出现倒流现象，导致EGR率不能准确控制，因此本发明对3000r/min、4500r/min两个EGR不会倒流的转速进行分析，研究节气门全开工况下EGR率对发动机性能的影响。

随着EGR率的增大，发动机输出扭矩呈现先增大后减小的趋势，在EGR率为4％的时候达到最大，随着EGR率的增大，扭矩逐渐下降，当EGR率达到20％时，输出扭矩下降均超过20％。且EGR率越大，下降的幅度越大。

分析主要原因，随着EGR的加入，一部分废气被吸入气缸，降低了气缸燃烧温度，从而降低了泵气损失，因此发动机扭矩先增大。随着EGR率的增大，越来越的废气被吸入气缸，导致缸内废气所占比例增加，新鲜充量减少，燃烧放热量减少，对外做功能力也就减少。另外，废气的稀释作用和热容效应随着EGR率的增加而逐渐增强，对燃烧的抑制作用越来越大，缸内燃烧过程受到阻碍，使燃烧持续期增大，同时燃烧放热变慢，从而导致对外做功能力下降，因此发动机的扭矩下降，且随 EGR率的增加呈逐渐下降的趋势，发动机的动力性变弱。

随着EGR的增大，发动机的燃油消耗率呈现先减小后增大的趋势，在EGR率为4％的时候达到最小值。转速为3000r/min 时，燃油消耗率最大增大0.7％，最大下降1.5％。转速为4500r/min时，燃油消耗率最大增大4.9％，最大下降4.5％。由此可以看出，随着转速增高，EGR率对燃油消耗率的影响越大。

分析原因，一方面由于EGR在节气门后被引入进气歧管，这部分进气不受节气门进气节流的影响，减小了进气过程的节流损失；另一方面由于EGR的引入，可以降低缸内燃烧过程的温度，从而缸内高温气体的传热损失降低，同时排气损失也会减小，进而改善了燃油经济性。EGR率较高时，废气的稀释作用和热容效应对燃烧的抑制作用变成了主导因素，燃烧过程恶化，燃油经济性变差。同时当负荷较大转速较高时，EGR对燃烧过程主要起到抑制作用，降低了效率，进而降低了燃油经济性。

(2)EGR率在50％负荷工况下对米勒循环发动机性能的影响

本发明对3000r/min、4500r/min节气门开50％工况下EGR率对发动机性能的影响进行研究，不同转速下EGR率对发动机输出扭矩的影响。

在节气门开50％工况下，随着EGR率的增大，发动机输出扭矩呈现下降趋势，3000r/min转速下，扭矩最多下降44％， 4500r/min转速下，扭矩最多下降43％。

在节气门开50％工况下，随着EGR率的增大，发动机燃油消耗率呈现上升趋势，3000r/min转速下，扭矩最多上升1.3％， 4500r/min转速下，扭矩最多上升4.2％。

3.2.4米勒循环发动机EGR管路倒流分析

由于实验中会出现EGR管路倒流现象，因此本发明对米勒循环发动机高压EGR管路倒流问题进行分析，探究其出现的情况与条件。

高压EGR发动机仿真模型，此时的EGR系统是从涡轮前取废气，然后引入增压后的进气管路中去，通过研究EGR管路进出口压力来判断EGR管路的倒流情况。

选定转速变化区间为1000-6000r/min，每隔1000r/min选取一个点，选择节气门开度为10％、30％、50％、70％和100％的工况进行仿真计算。

在10％节气门开度下，随着转速的升高，EGR管路进口压力略微减小，而管路出口压力则急剧减少，在转速为1000r/min 时，EGR管路的进口压力小于出口压力，因此此时EGR管路出现倒流现象，当转速大于1000r/min时，EGR管路的进口压力均大于出口压力，因此EGR管路不会出现倒流现象。综上，在负荷为10％节气门开度时，只有1000r/min转速下EGR管路会出现倒流情况。

随着转速的增加，四个工况下EGR管路的进出口压力变化规律基本相同。当30％节气门开度时，1000-2000r/min转速下会出现EGR管路倒流情况，当大于30％节气门开度时，在1000-2500r/min转速下会出现EGR管路倒流现象。

综上：转速为影响EGR倒流现象的因素之一，在低转速时，EGR会出现倒流现象，而高转速则不会。负荷也是影响EGR 管路倒流现象的因素，在高负荷时，EGR管路倒流现象较低负荷时更为严重，范围较为广泛。出口压力差最大值均出现在发动机最大转速6000r/min时，且随着节气门开度的增大，最大压力差也在逐渐增大。

3.3米勒循环发动机增压系统旁通阀开度优化

车用增压系统的工作原理是将进入发动机气缸的空气或可燃混合气预先进行压缩或压缩后再加以冷却，以提高进入气缸的空气或可燃混合气的密度，从而使充气质量增加，并在供油系统的适当配合下，使更多的燃料很好燃烧，达到提高发动机动力性、提高比功率、改善燃料经济性、降低废气排放和噪声的目的。

3.3.1废气旁通阀仿真模型的建立

本发明将在建立好的米勒循环发动机仿真模型的基础上，建立废气旁通阀模型，首先需要在软件中建立废气旁通阀 GT-POWER仿真模型。发动机排气在进入涡轮机之前，加上一个旁通阀，可以通过改变旁通阀开度，从而控制经过涡轮机的排气量。为了更加精确和便捷地控制旁通阀开度大小，可以用旁通阀开度角从0度-90度变化来表示，0度表示废气旁通阀关闭，90度表示废气旁通阀全部开启。

3.3.2发动机外特性下旁通阀开度优化标定

由于前面发动机采用米勒循环和加入EGR系统，原机匹配的涡轮增压系统的工作特性已不能满足需求，米勒循环发动机需要根据优化目标对增压系统结构参数进行适当调整。对于旁通阀的开度优化，需要研究米勒循环发动机动力性和燃油经济性与旁通阀开度之间的变化关系。工况设定为3000r/min全负荷。

在3000r/min全负荷工况下，发动机的输出扭矩随着旁通阀开度先增大后减小，在旁通阀开度为32°时达到该工况下的最大值，而之后发动机的输出转矩随着旁通阀开度增大逐渐减小，在旁通阀开度为90°时发动机输出扭矩达到最小值。相比于旁通阀关闭时刻，发动机输出扭矩最大下降93.8N·m。

在3000r/min全负荷工况下，发动机的燃油消耗率随着旁通阀开度的变化与输出扭矩变化呈现相反的趋势，燃油消耗率随着旁通阀开度的变化先减小后增大，在旁通阀开度为32°是达到该工况下的最小值。在旁通阀开度为90°时达到该工况下的最大值，相比于旁通阀关闭时刻，发动机燃油消耗率最大上升了73.5g/(kW·h)。

综上，通过分析旁通阀开度对发动机动力性与燃油经济性的影响，因此米勒循环发动机在3000r/min全负荷下，初步标定最佳废气旁通阀开度为32°。

根据上述标定方法，在全负荷工况下，对其各个转速下进行最佳旁通阀开度标定。可以得到发动机全负荷工况下的不同转速旁通阀最佳开度，发动机全负荷工况各转速下，最佳的废气旁通阀开度标定的曲线。

发动机在全负荷工况下废气旁通阀最佳开度规律为：随着转速的增大，最佳旁通阀开度也逐渐增大。

在完成全负荷工况下的米勒循环发动机各转速下的旁通阀开度标定后，对发动机与涡轮增压器进行仿真分析，仿真结果可以得到两者联合运行曲线。

优化前的米勒循环发动机全负荷工况点整体效率偏低，并且有一部分的工况在喘振线上，可以看出优化前的发动机与增压器之间匹配较差。优化后的联合运行曲线，可以看出，米勒循环发动机全负荷工况点的在压气机上的运行点，大数的发动机工况点的效率都大于65％，相比于优化前效率有了明显的提高。并且整个联合运行曲线远离喘振线，留有一定的喘振裕度，穿过了高效率区域，结果表明标定废气旁通阀开度后，米勒循环发动机与增压器匹配良好。

3.3.3部分负荷下旁通阀开度优化标定

研究了全负荷工况下米勒循环发动机不同转速下的最佳旁通阀开度之后，为了获取部分负荷工况下米勒循环最佳旁通阀开度，需要进一步对旁通阀开度进行优化标定，标定方法与上一节标定过程一致。

本发明中电子废气旁通阀的执行器为气动执行机构，它以增压器压气机后端的增压压力作为气压源。而当米勒循环发动机处于怠速及低负荷工况下，由于进气压力较低，即使控制电磁阀全开，增压压力全部通给旁通阀执行器气腔，所具有的压力也不足以驱动旁通阀打开，所以本发明对于发动机怠速及低负荷工况下不进行旁通阀开度的标定。

本发明对负荷50％以上全部进行最佳旁通阀开度优化标定。工况选择发动机负荷分别为50％-100％，步长设置为10％，转速区间为3000r/min-5000r/min，步长设置为500r/min。

随着负荷的增大，最佳旁通阀开度逐渐增大，随着转速的增大，最佳开度逐渐增大。在高负荷高转速工况下废气旁通阀最佳开度最大。最佳旁通阀开度最大值发生在全负荷5000r/min工况下，为70.3°。

3.4本发明主要利用搭建好的仿真模型完成了米勒循环发动机系统特性仿真分析研究，分别研究米勒循环配气定时，EGR 系统，增压系统对发动机性能的影响，为后面的米勒循环发动机集成匹配提供理论依据。本发明主要的工作内容和成果如下：

(1)首先确定了进气门晚关(LIVC)形式米勒循环的气门升程曲线，研究LIVC在节气门全开和节气门开50％工况下对发动机换气过程、动力性、燃油经济性和排放性的影响。研究结果表明：采用米勒循环技术可以有效的改善发动机燃油经济性，降低NO_x的排放，但会增加对CO的排放，并且对发动机的动力性也会有一定的负面影响。

(2)搭建了高压EGR模型，研究了不同EGR率对米勒循环发动机性能的影响，对该影响的原因进行了分析，对米勒循环发动机EGR管路倒流问题进行了分析。研究结果表面：随着EGR率的增大，发动机的CO和NO_x排放会降低，其中NO_x会大幅降低，合理利用EGR率，可以改善米勒循环发动机的燃油经济性，但会造成动力性有一定程度的下降。

(3)在米勒循环发动机模型中建立废气旁通阀模型，在发动机全负荷工况下对最佳旁通阀开度进行了优化标定，获取米勒循环发动机全负荷工况下旁通阀最优开度规律，同时对比分析旁通阀开度优化前后米勒循环发动机与涡轮增压器的匹配情况，结果表明，发动机与增压器的匹配良好。后又获取了部分负荷工况下废气涡轮器的最佳旁通阀开度。

4、米勒循环发动机EGR系统与增压系统的集成匹配研究

本发明研究了米勒循环、EGR系统、增压系统对于发动机各自的特性仿真分析，但是米勒循环发动机集成匹配问题属于多约束、多维度、多目标的非线性优化问题，各系统参数之间存在相互耦合，因此为了达到有效热效率高于40％的目标，本发明基于第二章建立的发动机工作过程仿真模型，结合遗传算法，对米勒循环汽油机EGR系统和增压系统性能参数进行了多目标优化匹配研究。

4.1EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化算法

4.1.1优化算法

汽油机性能参数的优化匹配需要考虑发动机各工况之间的耦合关系，调节控制参数使得发动机在某一工作区域内各项性能均满足要求。由于汽油机在研发过程中，动力性、排放性以及经济性始终存在着矛盾，所以汽油机性能优化过程就是获得一个折中的总体最优解，这就要求优化算法能够处理各种约束条件与优化要求，有足够的灵活性。

GT-Power软件可以解决单目标优化问题。在GT-Power软件的optimizer功能中，有两种优化算法，分别为布伦特法(Brent method)和离散网格法(discrete-gridmethod)。其中布伦特法是在二分法的基础上，利用二次插值方法进行加速，并应用反向插值的方法来简化计算。它的性能非常依赖于在实例设置中定义的初始独立变量值，并且容易陷入局部收敛。离散网格法是以固定的步长遍历整个约束空间，把空间离散为一系列的数据点，然后把离散后的数据分别带入目标函数内找出满足函数的最大或最小值，该算法的缺点是迭代次数非常多，且在GT-Power上使用该算法需要设置诸多未知参数。

对于一般的数学问题，传统的常用优化算法有Lagrange乘子法、黄金分割法、梯度下降法、Monte-Carlo法等。以上优化方法的使用条件及局限性总结见表6。发动机性能参数优化问题属于非线性规划问题，需要在满足各个约束条件的情况此外找到寻优目标的最优值，上述传统优化算法很难解决这类问题的寻优。

针对传统优化算法的不足，需要一种适应多约束多目标、可解决非线性规划问题、不受目标函数限制的优化算法，而遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)正好满足这样的要求。遗传算法是通过模拟达尔文的自然选择与优胜劣汰两个生物进化过程而形成的计算模型，是由生物界的选择和进化机制演化而来，具有高度并行与随机性、是一种自适应的全局优化算法。近年来，遗传算法在内燃机工程领域内有许多成功的应用。如在电控发动机标定中的应用、在发动机各部件结构参数优化中的应用、在发动机各控制参数优化中的应用、在发动机故障诊断中的应用以及在发动机建模中的应用等等。

表6不同优化算法的比较

本发明对比分析各种优化方法以及GT-Power自带优化算法后，最终选择遗传算法对发动机性能参数进行优化，理由如下：

(1)米勒循环发动机参数优化问题包含的参数较多，且各参数之间存在着耦合关系。遗传算法采用的不是确定性规则，强调通过概率转换来引导其搜索过程，并且其进化计算式通过种群方式来搜索，而不是从单一的初始点进行搜索，使得其非常适用于全局寻优，收敛速度快。

(2)汽油机性能参数优化问题属于多约束、多维度、多目标的非线性优化问题，各参数之间存在相互耦合，且其输入参数与输出参数之间不存在准确的数学关系。与传统优化算法不同，遗传算法不是以输入参数与输出参数的数学关系为基础进行寻优，而是以适应度函数为依据对染色体进行操作的，因此利用遗传算法可以求解无解析表达式的目标函数优化问题。

(3)遗传算法并非能求解所有问题。有一类被称为“GA-hard”的问题，无法通过遗传算法求解。“GA-hard”问题一般含有孤立的最优点，即在这个最优点的周围均是较差的点，从而使遗传算法难以通过基因的相互拼接而求解到这个最优点。对于汽油机性能参数的全局优化问题，从内燃机原理角度出发，第一，内燃机工作过程中的场均是连续的；第二，内燃机的性能输出也是连续渐变的。因此内燃机的输出不会存在孤立的最优点，优化问题不属于“GA-hard”问题，可以通过遗传算法求解。

4.1.2多目标优化模型的数学描述

多目标优化就是运用一种合适的优化方法，在已经建立的仿真模型的基础上，对模型中相关的模型参数进行优化，使仿真模型达到优化目标。多目标优化问题的数学模型一般包括三个要素：优化变量、目标函数和约束条件。

(1)优化变量

优化变量通常是一组参数，根据不同的标定目标和对象，所选取的优化变量也不同。在进行参数的优化匹配时，通常可以预先给定优化变量的参数值，并将一些不需要优化的参数设置为常量。一组优化变量构成优化空间中的一个向量，整个优化标定过程就是在整个优化空间中寻找一组优化变量值，使其满足标定目标，并同时满足约束条件。

n个优化变量a₁，a₂，a₃，...，a_n构成一个数组，表示为(a₁，a₂，a₃，...，a_n)。在优化标定的过程中会产生很多个数组，当优化变量越多时，即n越大，产生的数组越多，问题就越复杂，在计算求解的时候难度也越大，所需时间也越长。

(2)目标函数

通常用一个标准来衡量每组优化变量的优劣，这个标准就可以表示为目标函数。在进行参数优化时，这个函数是一个由优化变量表达的可计算函数，用来评价一组优化变量的好坏。此标定目标函数可以表示为：

maxy＝f(X)＝[f₁(x),f₂(x),...,f_m(x)]^T

式中：f₁(x),f₂(x),...,f_m(x)表示m个目标函数；f_i(x)表示m个由优化变量空间向目标函数空间的映射函数。

(3)约束条件

在多目标优化过程中，优化变量不断变化，以达到目标函数的最佳值，但优化变量取值范围、目标函数值以及其他相关参数都要加以限制和约束，才能提髙优化速度以及优化结果的准确性。约束条件如下所示：

g_i(x)≤0,i＝1,2,...,q

h_j(x)＝0,j＝1,2,...,p

式中：g_i(x)≤0定义了q个不等式约束条件；h_j(x)＝0定义了p个等式约束条件。

基于遗传算法的多目标优化模型需要给出Pareto最优解集的定义：多目标优化问题通常不存在最优解，因为目标之间存在相互作用，也就难以同时使全体目标得到最优化结果。但存在一个解集，各个解无优劣之分，称为非支配解集或Pareto最优解集。Pareto最优解集的数学描述为：

对于给定的多目标优化问题maxf(x)，若有可行解x*∈S且无其他x∈S满足f_i(x)≤f_i(x*)(i＝1,2，...m)，则称x*为maxf (x)的Pareto最优解。{x*}为Pareto最优解集。

对于给定的多目标优化问题maxf(x)和Pareto最优解集{x*}，它的Pareto最优边界定义为：

PF＝{f(x)＝[f₁(x),f₂(x),...,f_m(x)]|x∈{x^*}}

由Pareto最优边界定义公式的解集产生了Pareto最优边界。其中，实线AB表示两个目标的Pareto最优边界，在此边界上的点都是Pareto最优解；虚线AB与实线AB围成区域上的点为支配解。

4.2遗传算法的米勒循环发动机EGR系统与增压系统的参数优化

4.2.1基于GT-Power与Simulink耦合的联合仿真模型建立

GT-POWER软件是完整的发动机工作过程仿真平台，MATLAB中的Simulink是标准的自动控制设计平台。联合仿真能够发挥GT在发动机性能计算方面以及Simulink在数据传递与控制方面的优势，成为系统优化匹配的一个重要环节。

本发明采用GT-POWER中的“SimulinkHarness”模块，将GT模型与Simulink模型连接起来，进行联合仿真。GT-POWER 与Simulink的耦合方式有两种：从GT-POWER环境中运行；从Simulink环境中运行。本发明需要获得GT中的数据，并利用 MATLAB进行数据处理，因此选择从Simulink环境中运行的耦合方式进行联合仿真。

建立GT-Power与Matlab/Simulink耦合程序的具体步骤如下：

(1)在已搭建好的GT-Power发动机工作过程仿真模型中，添加SimulinkHarness模块用以接收或向Matlab/Simulink传递数据。采用连线或非连线的方式建立其它元件与该模块之间数据传递关系。其中GT-Power向MATLAB/Simulink传递的数据为指示热效率、扭矩与NO_x排放量，MATLAB/Simulink向GT-Power传递的数据为发动机转速、负荷、EGR率和废气旁通阀开度。

(2)在“SimulinkHarness”模块中，“Siumilation Type”选择：“run fromSimulink”，而“Simulink Model to Import (.dll/.so)”设为：“ign”。

(3)在simulink界面中，添加GT-SUITE model模块，用以接收或向GT-Power传递数据。添加constant模块和to workspace 模块，用以读取或向MATLAB脚本发明件中传递数据。遗传算法程序在MALTLAB文件中编写。

4.2.2遗传算法及其参数设计

结合建立的GT与Simulink耦合模型，具体遗传算法优化过程如下：

1、遗传算法程序进行初始化，对算法参数进行编码，得到初始种群t；

2、当前种群中的一个个体所包含的四个变量的对应值，由MATLAB程序设置到Simulink模型的输入模块；然后这些值通过Simulink/GT-Power接口传递给GT-Power模型进行计算，得到有效热效率和扭矩数据；

3、Simulink/GT-Power接口将计算结果实时地返回给Simulink模型；

4、MATLAB程序通过Simulink模型收集当前的GT-Power返回的指示热效率等要求的结果，然后开始下一个个体的计算；

5、重复步骤2到4，直到当前种群中的所有个体完全计算完；

6、MATLAB程序利用GT-Power的计算结果计算当前种群中每个个体的适应度值；遗传算法根据计算的适应度值，若不满足终止条件，执行选择，交叉和变异操作产生一个新种群；

7、重复步骤2到6，直到遗传算法的终止条件被满足，则算法找到当前优化问题的全局最优解。

根据已建立的优化仿真模型，本发明分别对模型中的优化变量参数、目标函数参数、约束条件参数以及遗传算法参数进行设置。

(1)优化变量的选择

根据本论文仿真计算的要求，对米勒循环发动机EGR系统与增压系统工作过程仿真模型进行优化匹配，由于米勒循环不涉及可变凸轮技术，因此不同工况对应同一个进气门的晚关角度；主要选取EGR率和旁通阀开度作为优化变量。

(2)目标函数的确定

本发明以保证动力性为前提，以提高有效热效率为主要目标，对米勒循环发动机EGR系统和增压系统进行多目标优化。因此，将有效热效率与扭矩指标同时作为目标函数，目的是在满足排放指标要求的前提下，分析有效热效率和扭矩之间的关系。

(3)约束条件

轻型汽车污染排放限值及测量方法(中国第六阶段)GB18352.6-2016，NO_x排放量不超过60mg/km，假设汽油机排气后处理装置三效催化转化器能使NO_x排放量有效削减80％，则通过计算可得出本发明对排放量的限制为：NO_x的原始排放量不超过300mg/km，因此将NO_x的原始排放量约束在300mg/km以内。

最终，米勒循环发动及EGR系统与增压系统的优化匹配问题可由如下公式表示为：

n＝n_c

P＝P_c

0＜x_v≤1

式中：η_i表示发动机有效热效率，％；T_i表示发动机扭矩，N·m；n表示发动机转速，rpm，1000≤nc≤6000，P表示发动机负荷，0％≤P_c≤100％，x_v表示旁通阀开度

表示EGR率，％；NO_x表示NO_x排放量，mg/km。

(4)选择算子

选择又称复制，选择算子的作用是确保群体中良好的个体被选择出来，进入到下一代中，代代遗传下去。进化过程中依据每个个体的适应度值大小进行选择，适应度值较大的个体被遗传到下一代中的几率大，适应度值较小的个体被遗传到下一代中的几率小。选择算子的好坏，会直接影响到计算结果。常见的选择方法及其特点如表7所示。本发明选择GATBX遗传算法工具箱中的随机遍历抽样算子进行选择运算。

表7常见选择方法及特点

(5)交叉算子

交叉又称重组或交配，即从群体中选择两个个体，交换两个个体的某些或者某个部位，在下一代中产生新的个体。并对可能产生良好个体的区域进行探索。交叉运算是遗传算法与其他优化算法的主要不同之处，其对于遗传算法的全局搜索能力起到关键作用，是新个体产生的主要方法，对算法的性能和最终实现有直接影响。常用的交叉算子包括一点交叉、两点交叉、多点交叉、均匀交叉、混合交叉、启发式交叉、算术交叉等。本发明选用最为常用的两点交叉。

(6)变异算子

突变算子是通过引入一定的随机性来维持群体的多样性，确保对不同区域进行搜索，并抑制算法过早的收敛。突变使遗传过程中产生了新个体。相比于交叉方法，变异方法在遗传算法中的作用不高，并不是参数优化中重要的操作。本发明选择适用于实数编码的mutbga算子。

(7)其他算法参数

遗传算法参数对于算法性能有很大影响。种群规模越大，求解精度越高，但计算时间大大增加。当交叉概率过大时，搜索空间扩大，但收敛速度变慢，而交叉概率过小时，算法容易陷入局部最优无法跳出。变异操作负责引入多样性，较小的变异率无法产生有用的基因，较大的变异概率将会使遗传算法退变为随机搜索。迭代次数作为算法的终止条件，太大则计算时间过长，太小可能会导致进化不彻底。

根据阅读的相关文献，种群数量的选取范围一般为20～200，遗传算法优化计算的迭代次数一般为100～500，交叉概率一般选取0.4～0.99，变异概率选0.0001～0.01。经多次试验选定种群数量为120，每一次优化的初始种群采用DOE方法生成，交叉算子选取0.5，变异算子为0.001。优化过程中，遗传算法优化计算的最大迭代次数为300，当连续10代中相邻两代最优解之间相差小于1％，认为已收敛，不再进行迭代操作。

4.3匹配优化结果分析

4.3.1全负荷工况遗传算法寻优

采用联合仿真平台，进行米勒循环汽油机全负荷工况点进行遗传算法寻优。初始参数经过120代进化后停止优化，全负荷优化下各代个体之间的平均距离。

平均距离表示每一代种群中的所有个体之间的平均距离，用来刻画种群中个体的差异性，平均距离越大，则表示种群中各个个体间的差别越大。随着进化过程的增加，性能较差的个体被逐步淘汰，较好的个体不断保留，最后，种群中的个体都趋近于最佳值，种群间个体的平均距离最终接近于0，

优化计算过程结束之后，获得了最后一代种群个体的有效热效率与扭矩的分布图。

4.3.2全工况下遗传算法寻优

验证过全负荷工况后，为了找到发动机燃油消耗率最低的工况点，需要对发动机全部工况进行遗传算法寻优，寻优结果。在发动机的全部工况下，进化代数为210代时达到收敛标准停止优化。

4.3.3MAP图的获取

对发动机进行其他转速与负荷工况寻优，选取发动机转速为1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、 3500r/min、4000r/min、4500r/min、5000r/min、5500r/min、6000r/min，负荷为20％、40％、60％、80％、100％，共55组工况。结合之前优化的全负荷工况以及全工况，利用插值的方法做出EGR率MAP图与旁通阀开度MAP图。

总体上低转速和低负荷时EGR率较小，高转速和高负荷时EGR率较大。分析其中的原因，在发动机中低负荷时，NO_x排放不高，因此采用小EGR率；在发动机全负荷时，为了保证发动机的动力性与经济性，即使NO_x排放很高，也不采用EGR。转速提高时EGR率也降低，以保证发动机的新鲜空气冲量。

低转速和高负荷时旁通阀开度较小，高转速旁通阀开度较大。分析其中原因，当发动机转速减小时，为了保证低转速时的增压压力与进气流量，旁通阀开度开度减小，涡轮转速增加，增压压力变大；在发动机转速增加时，采用较大的旁通阀开度，防止增压器超速导致增压器损坏。在发动机负荷增加时，采用较小的旁通阀开度，保证增压器有较大的转速，提高增压压力与进气量，从而保证发动机充足的动力性。

将上述优化后的EGR阀开度与旁通阀开度结果，输入到GT-Power模型中计算各工况的增压压力与进气流量，制成MAP 图。

4.4本发明采用仿真模型与优化算法相结合的参数匹配寻优方法，建立了GT-Power与MATLAB/Simulink耦合程序，并利用耦合程序进行了米勒循环发动机EGR系统与增压系统进行性能匹配优化。具体工作内容如下：

(1)确定了遗传算法作为本发明的优化算法。通过对比GT-Power中自带的优化算法以及数学上常用的优化算法，分析了各算法的适用性和局限性，最终选择了遗传算法用于本发明研究工作，并分析了遗传算法用于解决发动机性能优化问题的可行性。

(2)多目标优化模型进行了数学描述，包括优化变量、目标函数、约束条件和Pareto最优解集。

(3)开发了GT-Power与MATLAB/Simulink耦合程序。结合GT-Power在发动机性能计算方面的优势和MATLAB/Simulink 在数据传递与控制计算方面的优势，开发了以GT-Power进行发动机性能仿真、以MATLAB/Simulink进行遗传算法寻优的联合仿真程序，并对耦合程序的开发步骤及遗传算法寻优的工作流程进行了详细说明。

(4)进行了遗传算法的参数设计。设计了目标函数。遗传操作算子分别为遍历抽样选择算子、两点交叉算子、mutbga 变异算子，交叉概率选取为0.5，变异概率选取为0.001。群数量为120，初始种群通过DOE方法产生。遗传算法程序终止条件为连续10代中相邻两代最优解之间相差小于1％，且最大迭代次数为300次。

(5)对遗传算法的优化结果进行了分析。首先对在发动机全负荷工况下进行了优化，找到了最高扭矩点和最大有效热效率点，最终确定最大有效热效率点为最优点。之后通过在发动机全工况内的寻优，寻找为全工况下优化后的最优点，其对应的有效热效率为41.4837％，扭矩为211.28N·m，该个体对应的工况点为3647r/min，负荷为75.6％，EGR率为7.4％，旁通阀开度为17％。根据寻优结果获取旁通阀开度MAP图、EGR率MAP图，以及增压压力MAP图和进气流量MAP图。

5、总结

本发明在国家重点研发计划项目课题“混合动力发动机整机设计与集成开发”(课题编号：2017YFB0103404)支持下，开展了对米勒循环发动机EGR系统与增压系统进行集成优化匹配研究，保证排放达标的前提下，对发动机的有效热效率和扭矩进行优化分析。本发明基于GT-Power软件建立了米勒循环增压发动机的仿真模型，针对混合动力电动汽车，研究了米勒循环正时和EGR率等对发动机动力性、燃油经济性和排放性的影响，并重新优化标定了增压器运行MAP。并建立了 GT-POWER与MATLAB/Simulink耦合程序，采用遗传优化算法并利用耦合程序进行了米勒循环发动机EGR系统与增压系统进行性能匹配优化。论文的主要工作及得到的结论如下：

(1)本发明对发动机工作过程仿真模型进行了数学描述，包括缸内工作过程、进排气系统、涡轮增压系统以及中冷器的计算模型等。以某国产发动机为原型发动机，设计搭建了发动机气缸、进排气系统、涡轮增压系统等仿真模块，搭建了米勒循环增压发动机整体仿真模型。对发动机仿真模型性能进行了验证，分析验证结果表明发动机仿真模型与实验数据的燃油消耗率、缸内最高燃烧压力、扭矩和功率的误差均小于5％，表明搭建的米勒循环增压发动机GT-POWER仿真模型具有较好的准确性。

(2)针对发动机负荷为50％-100％，转速为2000-4500r/min的工况范围，文对米勒循环增压发动机的系统特性进行仿真分析研究，研究结果表明：

①采用米勒循环技术以后，泵气损失得到了大幅度的下降，同时在缸内燃烧过程中，气体的温度有一定程度的下降，最终导致燃油消耗率的下降，随着米勒度的增大，有效压缩比不断减小，有效热效率下降，导致燃油消耗率上升。由于缸内燃烧温度的下降，导致发动机排放物中NO_x的下降和CO的上升。最终确定后续研究对象为米勒循环晚关角为30°的汽油机。

②对遗传算法的优化结果进行了分析。在全负荷工况下对发动机的性能进行了优化，分析了最高扭矩点和最大有效热效率点工况，通过在发动机全工况内的寻优，获得有效热效率为41.4837％，扭矩为211.28N·m，该对应的工况点为3647r/min，负荷为75.6％，EGR率为7.4％，旁通阀开度为17％。根据寻优结果获取旁通阀开度MAP图、EGR率MAP图，以及增压压力 MAP图和进气流量MAP图。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法包括：

增压发动机工作过程仿真模型的建立及验证；

米勒循环增压发动机的系统特性仿真分析；

EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化算法构建；

遗传算法的米勒循环发动机EGR系统与增压系统的参数优化。

2.如权利要求1所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述增压发动机工作过程仿真模型，包括进、排气系统模型、缸内热力过程模型、中冷器模型以及增压系统模型。

3.如权利要求2所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述进、排气系统模型建立，包括：

(1)模拟基本假设

①忽略进、排气系统中压力波沿管长方向上的传播、反射和叠加现象，假定压力与管内的空间坐标位置无关；

②管道内忽略径向流动效应，认为管道内为一维非定常流动，且管道每一截面上工质的状态参数均为平均值；

③管道中状态参数的变化只与轴向坐标和时间有关，且在足够小计算步长内，把管内不稳定流动简化为准稳定流动；

④气体流经管道截面时变化缓慢，认为管壁是刚性的，且不计弹性变形；

⑤考虑管壁的摩擦、传热，将管壁与管内气体的热交换简化成一维非等熵不定常流动模型；

⑥认为管内气体为理想气体，不计重力；

(2)进、排气管内基本微分方程

①连续方程

②动量方程

③能量方程

式中：u表示气体流速；ρ表示气体密度；A表示管截面积；D表示管道直径；D＝4F/l，l表示管截面的平均周长；f表示管道内摩擦系数，取0.005；q表示单位质量流体的传热率；

(3)进排气管道模型建立

在软件中，采用有限容积法对进、排气管内气体的一维非定常流动进行具体的求解；使用有限容积法来求解进排气管路内一维非定常流动，以下公式是采用有限容积法计算时守恒方程的通用形式：

式中：φ表示流体守恒流量；ρ表示流体密度；S表示控制体表面积；V表示控制体容积；n表示控制体表面外法线；v表示流体速度；T表示扩散系数；q表示控制体内的源项；

对守恒控制方程式进行数值积分计算过程中，须满足CFL准则：

式中：Δt表示时间步长；Δx表示沿管道长方向上的步长；u表示气体流速；a表示气体声速；

GT-POWER软件采用的是一维交错网格；标量在网格中心计算，如压力、温度等矢量在网格的交接面计算，如速度、质量流量等；网格的离散化长度由用户定义；对于通常的内燃机性能计算，推荐：

进气系统离散化长度≈0.4×D；排气系统离散化长度≈0.55×D；

气体在管路内流动时，会因为与壁面的摩擦造成压力的损失；摩擦系数与雷诺数和壁面的粗糙度有关；当是光滑壁面时，计算公式如以下所示：

式中：C_f表示摩擦系数；Re_D表示雷诺数；

式中：D表示当量管径；h表示粗糙度高度；

当管路弯曲或者截面不规则时，会对气流造成压力损失，引入压损系数来表示这种损失，如以下公式所示：

式中：p_out表示进口总压；p_in表示出口总压；ρ表示进口气体密度；v₁表示进口气体速度；

式中：C_f表示摩擦系数；ρ表示进口气体密度；u表示气体速度；C_p表示气体比热；Pr表示普朗特数，在20～1500℃温度范围内，认为普朗特数为常数，取Pr＝0.71。

4.如权利要求2所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述缸内热力过程模型建立，包括：

汽油机缸内热力过程建模主要包括缸内燃烧模型和缸内换热模型，选用汽油机韦伯燃烧模型和Woschni壁面换热模型；

(1)缸内燃烧模型

准维燃烧模型又称双区燃烧模型，该模型认为火焰前锋面将燃烧室分成两个区，火焰前锋锋面前方的未燃区和火焰前锋锋面后方的已燃区；汽油机准维燃烧模型基于以下假设：

①燃烧反应仅在很薄的火焰锋面内进行，火焰锋面的厚度忽略不计；火焰锋面是以火花塞为中心的球面；火焰前锋将燃烧室分成已燃区和未燃区；

②已燃区和未燃区各自构成一个独立的子系统，并各自满足零维燃烧模型的假设；已燃区的工质处于瞬时化学平衡状态；两个区域处于瞬时压力平衡状态，即认为同一瞬时两个区域内的压力相同；

③已燃区和未燃区内的工质均视为理想气体；

④火焰传播速度采用半经验公式计算；

⑤已燃区和未燃区相互接触的锋面界面上，不进行热量传递；两个区域内的工质仅与各自接触的燃烧室壁面发生热量传递；

基于以上假设，通过气体状态方程、质量守恒方程和能量守恒方程将整个工作过程联立起来；

气体状态方程：

pV＝mRT；

质量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：m表示缸内工质总质量；m_in、m_out表示分别进入和排出气缸的工质质量；m_B表示喷入气缸的工质质量；Q_B表示缸内燃油燃烧放出的热量；Q_w表示通过气缸壁向外界传出的热量；h_in表示进入换热工质的比焓；h_out表示排出气缸工质的比焓；u表示缸内工质内能；p表示缸内工质压力；V表示气缸工作容积；T表示缸内工质温度；

气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率根据以下公式确定：

表示燃烧放热率；

发生在气缸内的燃烧过程较为复杂，燃烧放热规律受到燃烧过程中的物理、化学变化和发动机的结构和运行参数等因素的影响，用一个数学方法很难对这个过程进行准确的描述；通常用来模拟计算此燃烧过程的方法有两种，分别为实测示功图法和半经验公式的方法；选用第二种方法，用韦伯半经验公式来计算燃烧放热过程；

韦伯半经验公式如下式所示：

式中：m₁表示燃烧品质指数；

表示曲轴转角；

表示燃烧持续角，

表示燃烧起始角；

表示燃烧结束角；

(2)缸内传热模型

缸内传热采用经典的Woschni传热模型计算；通常将整个燃烧室的传热表面积包括活塞气体侧表面，气缸盖气体侧表面和气缸套等三部分，但这三部分传热面的平均壁温各不相同，传热系数采用平均瞬时表面传热系数进行壁面传热计算；单位曲轴转角的缸壁换热量计算公式如下：

式中：n表示发动机转速；α_g表示瞬时平均换热系数；A_i表示换热面积；T_g表示缸内工质瞬时温度；T_wi表示壁面的平均温度；式中，i＝1表示气缸盖；i＝2表示气缸套；i＝3表示活塞顶；

式中：p表示缸内压力；T表示缸内温度；D表示气缸直径；C_m表示活塞平均速度；p_a、T_a、V_a表示在曲轴转角在下止点时缸内压力、温度及气缸容积；V_s表示气缸工作容积；p₀表示发动机倒拖的气缸压力；C₁表示气流速度系数；C₂表示燃烧室现状系数；

5.如权利要求2所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述中冷器模型建立，包括：

在增压汽油机中，增压空气都进行中间冷却，使气缸在相同的进气压力下能增加新鲜空气的充量；空气在通过中冷器后，温度下降；中冷器计算主要是算出进气经中冷器后的出口温度T_s、出口压力p_s；T_k是增压器出口空气温度；用下标“s”代表空气，“w”表示冷却水，“i”表示入口状态，“o”表示出口状态；

中冷器出口空气温度T_s的计算公式为：

中冷器出口冷却水温度T_wo计算公式为：

增压空气流过中冷器时压力损失Δp_s可按下式计算：

式中，Δp_so表示中冷器在设计工况时的压力损失，取Δp_so＝0.3-0.5kpa；

表示实际空气流量；

表示设计工况下的空气流量。

6.如权利要求2所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述增压系统模型建立，包括：

废气涡轮增压系统由压气机、涡轮共同组成；废气涡轮增压系统的计算应满足三个要求：能量守恒，即涡轮输出功与压气机消耗功平衡；涡轮与压气机同轴安装，保证转速相等；质量守恒，即经过压气机的空气流量与经过涡轮的废气流量相等；对于稳定工况下运行的发动机，为了匹配完善的增压系统，应满足以下条件：

式中：η_s,T表示涡轮的等熵效率；c_p,T表示涡轮内平均定压比热；T₁表示涡轮进口温度；p₂/p₁表示涡轮膨胀比；

(1)能量守恒：

P_T＝P_C；

式中：P_T表示涡轮提供的平均功率；P_C表示压气机消耗的平均功率；

式中：

表示涡轮质量流量；η_m,TC表示涡轮增压器机械效率；h₁表示涡轮进口处焓值；h₂表示涡轮出口处焓值；

式中：

表示压气机质量流量；h₃表示压气机进口处焓值；h₄表示压气机出口处焓值；

式中：η_s,C表示压气机的等熵效率；c_p,C表示压气机内平均定压比热；T₃表示压气机进口温度；p₄/p₃表示压气机压缩比；

涡轮增压器的总效率公式如下：

η_TC＝η_m,TC·η_s,T·η_s,C；

(2)转速相等：

n_T＝n_C；

式中：n_T表示涡轮转速；n_C表示压气机转速；

式中：ω_TC表示涡轮增压器转子角速度；I_TC表示涡轮增压器转子的惯性；

(3)质量守恒：

式中：

表示流经废气旁通阀质量流量；

表示燃油质量流量，可忽略不计。

7.如权利要求1所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述增压发动机工作过程仿真模型，包括：

气缸仿真模块，运用GT-POWER软件中的EngCylinder模块进行设置和建立，参数设置包括气缸内工质的初始状态、气缸的壁面传热模型、燃烧模型和流体流动模型，以及气缸壁面初始温度；将第一个气缸和第三个气缸内工质设置为增压后的新鲜空气状态，第二个气缸设置为燃烧后的废气状态；缸内壁面传热模型选择Woschni模型；缸内燃烧模型选择韦伯燃烧模型，通过其可以设置点火时刻、点火能量等相关参数；流体流动模型选择Flow模型；将气缸顶部、活塞和气缸侧壁面温度分别设置为575K、575K和400K；

进排气系统仿真模块，发动机的进、排气系统包括节气门、进气管路、排气管路和进和排气门；在GT-POWER软件中分别建立各个部分，随后将每部分相连接，形成完整的进、排气系统仿真模块；

涡轮增压系统仿真模块，用于提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车的动力性更足；涡轮增压由发动机排出的废气驱动，涡轮由两部分组成，一是新鲜空气增压端，即压缩泵轮，另一部分为废气驱动端，即废气涡轮，两端各有一个叶轮，在同一轴上的两边涡轮之间还有一个泄压触发器设在废气涡轮一侧，当压缩涡轮压力过大，压力便会推动触发器将废气涡轮的阀门打开；

增压发动机仿真模型，建立四缸涡轮增压直喷式发动机性能仿真GT模型的步骤如下：

①根据原型发动机仿真建模模块数学模型以及简化后的物理模型，将复杂的发动机分为若干个主要子系统；

②运用GT-POWER软件提供的模块建立对应的子系统物理模型，不同子系统分别对应了不同的GT模块；

③将初始参数输入到相应模块中，初步建立发动机性能仿真GT模型；将四缸涡轮增压缸内直喷式发动机简化成由进气系统、气缸工作系统、排气系统、涡轮增压系统以及环境边界条件组成的仿真计算模型。

8.如权利要求1所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述米勒循环增压发动机的系统特性仿真分析，包括：

(1)米勒循环增压发动机EGR系统特性确定

①EGR系统仿真模型的搭建

EGR系统由EGR管路、EGR阀和EGR冷却器组成；在原型发动机基础上增加中冷高压EGR系统，对中冷高压废气再循环技术进行仿真分析，即直接连接涡轮入口与进气歧管实现EGR；在原型发动机GT模型中建立中冷低压EGR系统，废气从涡轮前的排气总管引出，经过EGR阀和EGR冷却器后，然后引入增压器，实现高压EGR，EGR控制器通过监测节气门处的质量流量和EGR阀处的质量流量对EGR阀门开度进行调节；

②确定EGR率对米勒循环发动机排放性能影响；

③确定EGR率对米勒循环发动机动力与经济性能影响；

④米勒循环发动机EGR管路倒流分析；

(2)米勒循环发动机增压系统旁通阀开度优化

①废气旁通阀仿真模型的建立

在建立好的米勒循环发动机仿真模型的基础上，建立废气旁通阀模型，首先在软件中建立废气旁通阀GT-POWER仿真模型；

②发动机外特性下旁通阀开度优化标定

米勒循环发动机在3000r/min全负荷下，标定最佳废气旁通阀开度为32°；

③部分负荷下旁通阀开度优化标定

最佳旁通阀开度最大值发生在全负荷5000r/min工况下，为70.3°。

9.如权利要求1所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化算法构建，包括：多目标优化就是运用一种合适的优化方法，在已经建立的仿真模型的基础上，对模型中相关的模型参数进行优化，使仿真模型达到优化目标；多目标优化问题的数学模型一般包括三个要素：优化变量、目标函数和约束条件；

(1)优化变量

优化变量通常是一组参数，根据不同的标定目标和对象，所选取的优化变量也不同；在进行参数的优化匹配时，通常可以预先给定优化变量的参数值，并将一些不需要优化的参数设置为常量；一组优化变量构成优化空间中的一个向量，整个优化标定过程就是在整个优化空间中寻找一组优化变量值，使其满足标定目标，并同时满足约束条件；

n个优化变量a₁，a₂，a₃，...，a_n构成一个数组，表示为(a₁，a₂，a₃，...，a_n)；在优化标定的过程中会产生很多个数组，当优化变量越多时，即n越大，产生的数组越多，问题就越复杂，在计算求解的时候难度也越大，所需时间也越长；

(2)目标函数

通常用一个标准来衡量每组优化变量的优劣，这个标准就可以表示为目标函数；在进行参数优化时，这个函数是一个由优化变量表达的可计算函数，用来评价一组优化变量的好坏；此标定目标函数可以表示为：

maxy＝f(X)＝[f₁(x),f₂(x),...,f_m(x)]^T；

式中：f₁(x),f₂(x),...,f_m(x)表示m个目标函数；f_i(x)表示m个由优化变量空间向目标函数空间的映射函数；

(3)约束条件

在多目标优化过程中，优化变量不断变化，以达到目标函数的最佳值，但优化变量取值范围、目标函数值以及其他相关参数都要加以限制和约束，才能提髙优化速度以及优化结果的准确性；约束条件如下所示：

g_i(x)≤0,i＝1,2,...,q；

h_j(x)＝0,j＝1,2,...,p；

式中：g_i(x)≤0定义q个不等式约束条件；h_j(x)＝0定义p个等式约束条件；

基于遗传算法的多目标优化模型需要给出Pareto最优解集的定义：多目标优化问题通常不存在最优解，因为目标之间存在相互作用，也就难以同时使全体目标得到最优化结果；但存在一个解集，各个解无优劣之分，称为非支配解集或Pareto最优解集，所述Pareto最优解集的数学描述为：

对于给定的多目标优化问题maxf(x)，若有可行解x*∈S且无其他x∈S满足f_i(x)≤f_i(x*)(i＝1,2，...m)，则称x*为maxf(x)的Pareto最优解；{x*}为Pareto最优解集；

PF＝{f(x)＝[f₁(x),f₂(x),...,f_m(x)]|x∈{x^*}}；

由Pareto最优边界定义公式的解集产生Pareto最优边界；其中，实线AB表示两个目标的Pareto最优边界，在此边界上的点都是Pareto最优解；虚线AB与实线AB围成区域上的点为支配解。

10.如权利要求1所述的EGR系统与增压系统的集成优化匹配的优化方法，其特征在于，所述遗传算法的米勒循环发动机EGR系统与增压系统的参数优化，包括：

(1)基于GT-Power与Simulink耦合的联合仿真模型建立

采用GT-POWER中的“SimulinkHarness”模块，将GT模型与Simulink模型连接起来，进行联合仿真；GT-POWER与Simulink的耦合方式有两种：从GT-POWER环境中运行；从Simulink环境中运行；获得GT中的数据，利用MATLAB进行数据处理，选择从Simulink环境中运行的耦合方式进行联合仿真；

其中，所述建立GT-Power与Matlab/Simulink耦合程序的步骤如下：

①在已搭建好的GT-Power发动机工作过程仿真模型中，添加SimulinkHarness模块用以接收或向Matlab/Simulink传递数据；采用连线或非连线的方式建立其它元件与该模块之间数据传递关系，其中GT-Power向MATLAB/Simulink传递的数据为指示热效率、扭矩与NO_x排放量，MATLAB/Simulink向GT-Power传递的数据为发动机转速、负荷、EGR率和废气旁通阀开度；

②在“SimulinkHarness”模块中，“Siumilation Type”选择：“run from Simulink”，而“Simulink Model to Import(.dll/.so)”设为：“ign”；

③在simulink界面中，添加GT-SUITE model模块，用以接收或向GT-Power传递数据；添加constant模块和to workspace模块，用以读取或向MATLAB脚本发明件中传递数据；遗传算法程序在MALTLAB文件中编写；

(2)遗传算法及其参数设计

结合GT与Simulink耦合模型，遗传算法优化过程如下：

①遗传算法程序进行初始化，对算法参数进行编码，得到初始种群t；

②当前种群中的一个个体所包含的四个变量的对应值，由MATLAB程序设置到Simulink模型的输入模块；然后这些值通过Simulink/GT-Power接口传递给GT-Power模型进行计算，得到有效热效率和扭矩数据；

③Simulink/GT-Power接口将计算结果实时地返回给Simulink模型；

④MATLAB程序通过Simulink模型收集当前的GT-Power返回的指示热效率等要求的结果，然后开始下一个个体的计算；

⑤重复步骤②到④，直到当前种群中的所有个体完全计算完；

⑥MATLAB程序利用GT-Power的计算结果计算当前种群中每个个体的适应度值；遗传算法根据计算的适应度值，若不满足终止条件，执行选择，交叉和变异操作产生一个新种群；

⑦重复步骤②到⑥，直到遗传算法的终止条件被满足，则算法找到当前优化问题的全局最优解；

①优化变量的选择

根据本论文仿真计算的要求，对米勒循环发动机EGR系统与增压系统工作过程仿真模型进行优化匹配，由于米勒循环不涉及可变凸轮技术，因此不同工况对应同一个进气门的晚关角度；主要选取EGR率和旁通阀开度作为优化变量；

②目标函数的确定

对米勒循环发动机EGR系统和增压系统进行多目标优化，将有效热效率与扭矩指标同时作为目标函数，目的是在满足排放指标要求的前提下，分析有效热效率和扭矩之间的关系；

③约束条件

轻型汽车污染排放限值及测量方法GB18352.6-2016，NO_x排放量不超过60mg/km，假设汽油机排气后处理装置三效催化转化器能使NO_x排放量有效削减80％，则通过计算可得出对排放量的限制为：NO_x的原始排放量不超过300mg/km，因此将NO_x的原始排放量约束在300mg/km以内；

米勒循环发动及EGR系统与增压系统的优化匹配问题由如下公式表示为：

n＝n_c；

P＝P_c；

0＜x_v≤1；

表示EGR率，％；NO_x表示NO_x排放量，mg/km；

④选择算子

选择又称复制，选择算子的作用是确保群体中良好的个体被选择出来，进入到下一代中，代代遗传下去；进化过程中依据每个个体的适应度值大小进行选择，适应度值较大的个体被遗传到下一代中的几率大，适应度值较小的个体被遗传到下一代中的几率小，选择GATBX遗传算法工具箱中的随机遍历抽样算子进行选择运算；

⑤交叉算子

交叉又称重组或交配，即从群体中选择两个个体，交换两个个体的某些或者某个部位，在下一代中产生新的个体，并对可能产生良好个体的区域进行探索；交叉运算是遗传算法与其他优化算法的主要不同之处，其对于遗传算法的全局搜索能力起到关键作用，是新个体产生的主要方法，对算法的性能和最终实现有直接影响；常用的交叉算子包括一点交叉、两点交叉、多点交叉、均匀交叉、混合交叉、启发式交叉和算术交叉，选用最为常用的两点交叉；

⑥变异算子

突变算子是通过引入一定的随机性来维持群体的多样性，确保对不同区域进行搜索，并抑制算法过早的收敛；突变使遗传过程中产生了新个体；相比于交叉方法，变异方法在遗传算法中的作用不高，并不是参数优化中重要的操作；本发明选择适用于实数编码的mutbga算子；

⑦其他算法参数

遗传算法参数对于算法性能有很大影响；种群规模越大，求解精度越高，但计算时间大大增加；当交叉概率过大时，搜索空间扩大，但收敛速度变慢，而交叉概率过小时，算法容易陷入局部最优无法跳出；变异操作负责引入多样性，较小的变异率无法产生有用的基因，较大的变异概率将会使遗传算法退变为随机搜索；迭代次数作为算法的终止条件，太大则计算时间过长，太小可能会导致进化不彻底；

根据阅读的相关文献，种群数量的选取范围为20～200，遗传算法优化计算的迭代次数为100～500，交叉概率选取0.4～0.99，变异概率选0.0001～0.01；经多次试验选定种群数量为120，每一次优化的初始种群采用DOE方法生成，交叉算子选取0.5，变异算子为0.001；优化过程中，遗传算法优化计算的最大迭代次数为300，当连续10代中相邻两代最优解之间相差小于1％，认为已收敛，不再进行迭代操作。