正交試驗設計方法在柴油機燃燒系統參數仿真優化中的應用

摘要：本文嘗試在CFD模擬軟件FIRE上采用正交試驗設計方法，提取柴油機燃燒系統油、氣、室的關鍵參數，即燃燒室口徑比、縮口比、縮口半徑、噴射錐角、渦流比，安排三水平正交模擬試驗。計算結果采用方差分析進行分析，得出柴油機燃燒系統參數對發動機動力性和排放性的影響并找到較優的參數組合。

關鍵詞：正交試驗設計；燃燒系統；CFD

中圖分類號：U461.8 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0026-04

The Application of Orthogonal Experiment Design in Simulation and

Optimization for Diesel Engine Combustion System Parameters

YU Hong-feng

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：This paper attempted to use orthogonal experimental design in FIRE of CFD simulation.We chose bowl aperture ratio，re-entrant ratio，bowl rim radius，injector spray cone angle and swirl ratio to stand for key parameters of fuel，air and chamber of diesel engine combustion system，and made three level orthogonal experiment for simulation.The simulation result is analyzed by Analysis of Variance.The influencing regularity of the combustion system parameters has been achieved about engine power and emission，and the relative optimal combination of combustion system parameter combination was found out.

Key words：orthogonal experimental design；combustion system；CFD

柴油機功率大、性能優、經濟性好，并越來越廣泛地應用于道路車輛中。但隨著世界范圍內的能源短缺和環境污染，排放法規不斷加嚴，各種解決排放問題的技術措施尤其是后處理技術不斷應用于柴油機，如果能從排放物產生的源頭即燃燒過程解決污染物的生成，將會減輕后處理系統的負擔以及其他技術綜合應用的復雜性。

柴油機燃燒系統的優化匹配過程是相當復雜且費時費力的過程。隨著CFD技術越來越成熟地應用于發動機開發過程中，采用多維模型來模擬發動機燃燒過程得到廣泛重視。通過模擬計算來減少發動機開發過程中試制、試驗的費用和周期，是解決柴油機燃燒系統開發的一個途徑。

柴油機燃燒過程的優劣由組成燃燒系統的油、氣、室三個方面相互配合的好壞程度決定。因此，提取油、氣、室三者的關鍵參數，分析其對柴油機性能的影響程度，為燃燒系統優化提供指導依據。

本文的研究目的是探索利用仿真軟件工具，采用正交試驗設計方法，在原機燃燒系統的基礎上尋找影響發動機性能的關鍵參數，以期進一步優化燃燒系統，在保持原機動力性水平的基礎上降低顆粒水平。

1 原機CFD仿真模型及校驗

本文采用AVL Fire軟件建立燃燒系統的仿真模型，通過實測示功圖完成對模型標定后，固化噴霧、燃燒模型參數，僅對燃燒系統的幾何和非幾何參數進行調整，尋找影響發動機性能的關鍵參數。

AVL Fire軟件的ESE－Diesel模塊，可以方便快捷地建立不帶氣道的部分模型，僅用一個扇區對噴霧和燃燒進行模擬計算。燃燒室基本型線的網格如圖1所示。網格在TDC和BDC時分別包含86 000和275 000個單元。扇區大小的選擇是根據一個噴油孔定位于該區域確定的。

ESE模型計算區間為進氣門關閉時刻（IVC）至排氣門開啟時刻（EVO）。模擬計算選擇發動機額定功率點進行，發動機基本參數如表１所示。計算邊界條件設置采用AVL推薦數值，初始條件采用發動機示功圖數據，噴油參數采用噴油規律實測值。

燃燒模型選用渦破碎模型（EBU），噴霧模型選用WAVE模型，NOx排放模型采用理論較為成熟的Zeldovich原理計算NOx的濃度，Soot模型采用Kennedy_Hiroyasu_Magnussen模型。對于模型參數的調整，當前的主要手段是將計算缸壓曲線與經過濾波處理后的實測示功圖數據相比較，使其落入實測示功圖±５％范圍內。經過模型參數的聯調，將相對較優的參數組合計算結果與試驗數據對比，如圖２所示。

2 試驗設計

本文的研究背景是國III 發動機排放升級，在SCR技術路線過程中需要盡可能降低機內顆粒排放。因此，除了燃油噴射參數重新予以標定外，燃燒室若能相應得到改善，將進一步提高機內降顆粒的潛力。除燃燒室型線參數、噴油器流量/噴射夾角等一些參數能夠改動外，發動機整機結構，如氣道形狀及爆壓限值都保持現階段水平。

2．１ 參數選擇

根據對燃燒室型線參數以及相關參數對于燃燒室內氣體流動和燃燒過程的理解，選擇Aa（口徑比D/B）、Bb（縮口比d/D）、Cc（縮口半徑r）、Dd（噴射錐角θ）、Ee（渦流比Ω）等五個關鍵參數做為考查對象。如圖3所示。

口徑比（D/B）：燃燒室凹坑直徑與缸徑之比。因發動機壓縮比保持不動，燃燒室深度h不可以任意變動，即徑深比被限制在一定范圍內，所以口徑比決定了燃燒室的基本形狀。

縮口比（d/D）：縮口直徑與燃燒室凹坑直徑之比。從歐II開始，為了加強燃燒室內的空氣運動，燃燒室形狀基本上都帶有一定的縮口度，以保證上止點后燃燒室內也能保持一定的空氣旋流，促進油氣的充分混合。隨著燃油噴射壓力的提升，對燃燒室內旋流運動的要求有所弱化，但保持一定的旋流運動對于降低顆粒物排放還是有幫助的。

縮口半徑（r）:縮口處的圓角半徑不僅影響縮口處擠流和逆擠流的氣流運動方向，半徑太小會導致燃燒室邊緣龜裂。

噴射錐角（θ）：除噴射夾角和噴孔直徑，燃油噴射系統影響燃燒過程的大多數參數（如軌壓、定時、預后噴控制策略等）可以通過標定加以優化。而噴孔直徑直接決定著噴油器的流量范圍，因而間接影響著噴油持續期以及噴油定時的控制。為了避免由此帶來的一系列的影響因素，在燃燒系統關鍵參數初選的過程中，僅選擇噴射夾角，它影響著燃燒室內的油氣分布狀況。

渦流比（Ω）：盡管當前發動機缸蓋氣道不做改動，但為了解氣道渦流水平對性能的影響程度仍然將其列入考查對象，以期指導將來的氣道改進設計工作。

2．2 正交方案選擇

為了盡量減少試驗設計進行仿真運算的次數，同時保證評價不同參數影響的精確度，選擇正交試驗設計方法。其試驗范圍內具有“均勻分散、整齊可比”的特性，適合水平數不太多（一般≤５）的多因素試驗。

原機燃燒室在開發過程中已經做了大量細致的優化工作，將原機的上述五參數值定義為中間水平，根據經驗在其基礎上做上下浮動的微調，每個參數確定三個水平，因此選擇L18（37）正交設計表設計本次試驗方案（即計算方案）。

根據正交設計表完成的燃燒室型線設計如圖4所示。

2．３ 試驗方案計算

根據正交表設計的燃燒室型線，用ESE-Diesel分別建立18個燃燒室型線的計算網格，網格劃分策略保持與原機計算網格劃分策略相同，避免因網格劃分上的差異影響計算結果的對比。

計算工況采用發動機額定功率點。求解器直接采用原機功率點的求解器文件，僅將初始條件中的渦流強度設置和噴霧模型參數設置中的噴射夾角按照每種燃燒室對應的計算方案修改即可。

３ 結果分析

３．1 數據整理

從仿真結果中提取代表發動機動力性水平的平均指示壓力（IMEP）、代表NO排放水平的平均NO質量分數、代表Soot排放水平的平均Soot質量分數等三個指標進行分析。為了與原機仿真結果對比方便，將試驗方案計算結果的相應指標與原機計算結果的比值做為無量綱量，數據整理結果見表2。

３．2 試驗結果分析

根據正交表及數據結果，將各因素所在列中相同水平所對應的指標值求和，得到I 、II、III值，并計算該因素極差，以確定因素的主次順序。仿真結果分析見表3。

根據對IMEP指標望大性，NO、Soot指標望小性的要求，從表3可以分別得到五個參數的重要度排列及水平配比的關系（參數排列按照對該指標影響大小的順序排，下標是該參數應選擇的水平值）：

IMEP：Aa3Bb2Dd2Ee2Cc2

NO:Aa1Bb1Ee1Dd1Cc1

Soot: Aa3Dd2Ee3Bb2Cc1

從上述組合中可以看出，口徑比是影響性能的一個非常重要的參數，對于當前發動機高壓噴射的特性，對于IMEP和Soot兩個指標，都有加大燃燒室直徑的要求，盡量避免燃油碰壁。縮口處的圓角半徑的大小對發動機性能影響程度最小。因此，型線設計時僅需要考慮其對活塞邊緣熱應力的影響。

由于NOx－PM的trade-off關系，可以看出許多參數對二者影響的方向不同。對于機內降顆粒的要求，有增加缸內渦流比，促進油氣混合的要求，而對于NO來說，渦流比的增加，勢必造成燃燒溫度的升高。因此，出現翹翹板關系的兩個指標在考慮參數選擇時，應該設置優先級或權重系數，綜合考慮參數對二者的影響。

根據項目背景主要針對燃燒室型線做進一步優化設計，以期降低缸內顆粒物排放。從Aa、Bb、Cc影響程度和水平取值分析，當前燃燒室除口徑比有增大的要求外，縮口比和縮口處的圓角半徑均可以保持不變。因此，燃燒室會變的扁平一些。選配噴油器時，噴射夾角也需要相應增大。

３．３ 顯著性檢驗

數據的直觀分析不能找出哪些參數對指標有顯著影響，利用方差分析可解決這一問題，計算結果見表4。

找最佳組合時，對于顯著因子應該選擇其最好的水平，因為其水平變化會造成對指標的顯著影響。

方差分析表明，參數Aa（口徑比）和Bb（縮口比）對三個指標都有顯著的影響。因此，在不改變氣道渦流比的情況下，對于燃燒室優化要求與3.2結論相同。

４ 結論

本文嘗試采用正交試驗設計方法在柴油機燃燒系統參數優化仿真計算中的應用。在CFD仿真計算中采用正交試驗設計方法減少了計算次數，得到了燃燒室改進方向，為燃燒室的優化設計提供了指導依據。

分析結果表明，為降低研究對象發動機機內顆粒物排放，需要增大燃燒室凹坑直徑。

參考文獻：

［1］ 茆詩松，周紀薌，陳穎.試驗設計［M］.北京：中國統計出版社，2004

［２］ FIRE User’s Guide.FIRE Version［K］.2008