孫躍東(1965-)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，上海理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

基于DOE的柴油機(jī)噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究

胡磊1,石君明2,孫躍東1,周萍1,張振東1

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093; 2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210093)

摘要:文章利用發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件GT-Power建立柴油機(jī)計(jì)算模型,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性;選取噴油系統(tǒng)參數(shù)中預(yù)噴油量、預(yù)噴油角、主噴油角作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲面擬合;應(yīng)用多目標(biāo)帕累托選擇法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),得到發(fā)動(dòng)機(jī)外特性典型工況下的最佳噴油參數(shù)。仿真分析表明,優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高,NOx排放降低,同時(shí)燃油消耗率基本保持不變,Soot惡化不明顯。

關(guān)鍵詞:噴油系統(tǒng);DOE模塊;響應(yīng)面;參數(shù)優(yōu)化

基金項(xiàng)目：上海市科委科研基金資助項(xiàng)目(11140502000)

作者簡(jiǎn)介：胡磊(1990-)，男，河南商丘人，上海理工大學(xué)碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.06.005

中圖分類號(hào):U464.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-05-22；修回日期：2014-07-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21204016);安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11040606M58)和中央高?；A(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(201210359036)

Study of parameter optimization of a diesel engine injection system based on DOE

HU Lei1,SHI Jun-ming2,SUN Yue-dong1, ZHOU Ping1, ZHANG Zhen-dong1

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210093, China)

Abstract:Computational model of a diesel engine is established based on the engine performance simulation software GT-Power, and its accuracy is verified. The fuel injection system parameters, such as pre-injection fuel mass, pre-injection angle and main-injection angle, are selected as design variables for the design of experiment(DOE). The results of DOE are for surface fitting. The multi-objective Pareto algorithm is used to optimize parameters and the optimal solutions of engine typical operating conditions are found out. The simulation results show that engine powers increase, NOxemissions are reduced significantly, fuel consumption remains basically unchanged, and Soot is less deteriorated.

Key words:fuel injection system; design of experiment(DOE) module; response surface; parameter optimization

隨著電控高壓共軌噴油系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)代柴油機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油正時(shí)和噴油規(guī)律的靈活控制,使得多次噴射成為提高柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性、降低排放的一個(gè)有效途徑[1-4]。

噴油系統(tǒng)中噴油參數(shù)對(duì)氣缸內(nèi)油滴的霧化及混合氣的形成至關(guān)重要。合理的預(yù)噴油量對(duì)主噴起引燃作用,可以緩解主噴初期混合氣迅速燃燒的狀態(tài),降低NOx排放;預(yù)噴與主噴時(shí)間間隔的合理匹配能夠縮短主燃燒滯燃期,減少滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣數(shù)量,使得燃燒變得柔和,降低排放[5]。

本文使用發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件GT-Power,以某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,建立發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型并驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性,應(yīng)用DOE(design of experiment)工具箱,在不增加燃油消耗的前提下,以提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及降低NOx排放為目標(biāo),優(yōu)化柴油機(jī)噴油系統(tǒng)參數(shù)。

1仿真模型的建立及驗(yàn)證

本文研究對(duì)象為直列四缸、兩氣門、渦輪增壓、中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī),其進(jìn)氣方式為渦輪增壓、中冷，燃油噴射系統(tǒng)為Bosch 二代共軌系統(tǒng)，主要參數(shù)見表1所列。

表1　研究機(jī)型的主要技術(shù)參數(shù)

注：最大轉(zhuǎn)矩在2 000 r/min條件下，最大功率在3 600 r/min條件下。

1.1　整機(jī)仿真模型的建立

GT-Power是GT-Suite軟件中最強(qiáng)大的部分,專門用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)性能的仿真分析。軟件采用非線性N-S方程,對(duì)流體進(jìn)行一維計(jì)算,同時(shí)軟件包括最新的燃燒、熱傳遞、缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)和排放模型,具有較強(qiáng)的模擬和計(jì)算精度。為降低柴油機(jī)建模的復(fù)雜度并減少運(yùn)算時(shí)間,仿真模型采用了簡(jiǎn)化部分管路的處理方式。

柴油機(jī)整機(jī)模型主要包括5個(gè)部分:環(huán)境模塊、進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸、曲軸箱及噴油器模塊。其中，環(huán)境模塊包括輸入與輸出環(huán)境模塊,輸入環(huán)境指壓氣機(jī)后進(jìn)氣狀態(tài),輸出環(huán)境為渦輪機(jī)前排氣狀態(tài),根據(jù)柴油機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)實(shí)際狀況對(duì)氣體壓力、溫度進(jìn)行合理賦值。氣缸內(nèi)燃燒模型采用軟件模型庫中準(zhǔn)三維預(yù)測(cè)燃燒模型EngCylCombDIJet,該模型基于廣安博之準(zhǔn)維多區(qū)燃燒建模,對(duì)燃燒速率和NOx排放的模擬具有較高的準(zhǔn)確性,而對(duì)Soot排放的計(jì)算也有一定的參考價(jià)值[6]。熱傳遞模擬采用最新的WoschniGT模型,可以更加精確地模擬氣缸內(nèi)熱量傳遞及耗散損失[7]。噴油器模塊采用InjMultiProfileConn,主要模型參數(shù)見表2所列。

表2　噴油器主要參數(shù)

根據(jù)以上原理,該柴油機(jī)整機(jī)仿真計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　整機(jī)仿真計(jì)算模型

1.2　模型的驗(yàn)證

該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線上共有7個(gè)典型工況點(diǎn),通過對(duì)仿真模型進(jìn)行修正,計(jì)算出各工況下柴油機(jī)的功率、有效燃油消耗率及NOx排放,并與原機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

功率、有效燃油消耗率和NOx的仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示,其中,NOx仿真及數(shù)據(jù)未加排放后處理。結(jié)果表明,柴油機(jī)外特性工況點(diǎn)功率、有效燃油消耗率、NOx排放的最大誤差分別為3.0%、4.4%、4.8%,誤差都不超過5.0%,說明仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性,可以代表原機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析。

圖2　功率、燃油消耗率、NO x仿真計(jì)算及試驗(yàn)對(duì)比

2DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

本文的優(yōu)化目標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下,不降低燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下,提高柴油機(jī)的動(dòng)力性,降低NOx排放。發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性曲線上共有7個(gè)典型工況點(diǎn),本文以2 000 r/min工況點(diǎn)為例,對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過程進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1　自變量的定義

自變量輸入見表3所列，其中主、預(yù)噴油角指CA、TDC條件下，下同。

表3　自變量輸入

2.2　抽樣方法的選擇

本文采用拉丁超立方體抽樣法(LHS)[8]進(jìn)行樣本的采集。LHS作為一種受約束的抽樣方法,在確定試驗(yàn)次數(shù)后,會(huì)根據(jù)試驗(yàn)次數(shù)將區(qū)間等分成互不重疊的子區(qū)間,然后在每個(gè)子區(qū)間上進(jìn)行獨(dú)立的等概率抽樣。采用拉丁超立方體抽樣,樣本能更加準(zhǔn)確地反映輸入的概率分布,可以顯著減少抽樣次數(shù),從而減少試驗(yàn)次數(shù)。

2.3　曲面擬合

在2 000 r/min外特性工況下進(jìn)行400次試驗(yàn)的模擬計(jì)算,并對(duì)試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。由于優(yōu)化計(jì)算是依靠對(duì)響應(yīng)曲面插值得到優(yōu)化結(jié)果,因此,響應(yīng)面擬合的精度對(duì)優(yōu)化選擇的結(jié)果至關(guān)重要。預(yù)噴油量為5 mg時(shí),預(yù)噴油角和主噴油角對(duì)功率的響應(yīng)面,如圖3所示。DOE模塊可對(duì)響應(yīng)面的擬合質(zhì)量進(jìn)行衡量,本文中功率、有效燃油消耗率、NOx的R-Sqr擬合精度分別為0.999 8、0.998 6、0.998 3,擬合精度較高,可用于多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算。

圖3　預(yù)噴及主噴油角對(duì)功率的響應(yīng)面

2.4　自變量影響顯著性分析

自變量及交互項(xiàng)對(duì)功率的影響如圖4所示。由圖4可以看出,自變量中預(yù)噴油量和主噴油角對(duì)功率的影響最大,預(yù)噴油量對(duì)功率的影響是正相關(guān)的,主噴油角對(duì)功率的影響是負(fù)相關(guān)的,預(yù)噴油角對(duì)功率的影響相對(duì)較小。

圖4　自變量及交互項(xiàng)對(duì)功率的影響

2.5　優(yōu)化計(jì)算

DOE優(yōu)化模塊提供2種基于響應(yīng)面的優(yōu)化方法,本文研究為多目標(biāo)優(yōu)化問題,因此選擇Multi-Objective Pareto優(yōu)化方法。在多目標(biāo)Pareto優(yōu)化設(shè)計(jì)中,通常不存在1個(gè)優(yōu)化解能同時(shí)使所有目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu),但是能夠得到同時(shí)滿足幾個(gè)目標(biāo)函數(shù)的解,即Pareto最優(yōu)解[9]。本文以功率最大和NOx排放最小為優(yōu)化目標(biāo)、燃油經(jīng)濟(jì)性及Soot排放為約束條件,進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。其中樣本容量為40,最大迭代次數(shù)為100,迭代收斂后,得到滿足功率最大和NOx最小的一系列Pareto解,如圖5所示,選擇其中1例Pareto最優(yōu)解并對(duì)參數(shù)值修正,結(jié)果見表4所列。

NO x/(g·kW -1·h -1)

項(xiàng) 目預(yù)噴油量/mg預(yù)噴油角/(°)主噴油角/(°)優(yōu)化前5-15-5Pareto最優(yōu)解6.4758-10.14880.9928修正值6.5-101

2.6　優(yōu)化效果分析

在該典型工況下,將優(yōu)化后的噴油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真,得到優(yōu)化前后柴油機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo),見表5所列，其中燃油消耗率、NOx、Soot的單位為g/(kW·h)。

表5　優(yōu)化前、后性能指標(biāo)

外特性曲線上其他典型工況可以按照以上步驟進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化前、后柴油機(jī)功率、有效燃油消耗率、NOx及Soot排放對(duì)比如圖6所示。

圖6　柴油機(jī)各性能指標(biāo)優(yōu)化前、后對(duì)比

由圖6可知,優(yōu)化前、后,發(fā)動(dòng)機(jī)在800~3 600 r/min外特性典型工況上,功率有2%～5 %的提高;NOx排放優(yōu)化效果明顯,尤其是中等轉(zhuǎn)速區(qū)域,降低幅度顯著,而低轉(zhuǎn)速區(qū)由于碳煙約束,高轉(zhuǎn)速區(qū)兼顧功率的提高等,降幅較小;有效燃油消耗率基本保持不變;Soot排放有所增加,但惡化不明顯。

3結(jié)論

(1) 基于DOE的噴油系統(tǒng)多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化,運(yùn)用多目標(biāo)帕累托選擇法,能夠達(dá)到多目標(biāo)尋優(yōu)的目的。本文實(shí)例中,通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下預(yù)噴油量、預(yù)噴油角度及主噴油角度的合理選擇,在保證原機(jī)經(jīng)濟(jì)性的前提下,動(dòng)力性能有所提高,NOx排放顯著降低。

(2) 運(yùn)用GT-Power軟件的DOE模塊,可以快速進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)設(shè)計(jì),找到不同工況下噴油系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配,優(yōu)化過程方便、快捷,顯著加快了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)