基于DOE與遺傳算法相結(jié)合的共軌柴油機(jī)噴射參數(shù)優(yōu)化＊

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 4300033）

0 引 言

共軌燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，影響共軌燃油系統(tǒng)性能的參數(shù)眾多，且各參數(shù)之間存在復(fù)雜的相互影響和制約關(guān)系，即某個(gè)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)工作過程及性能的影響并不是孤立的，而是跟其他參數(shù)共同影響．因此，要得出最優(yōu)的燃油系統(tǒng)參數(shù)需要進(jìn)行大量的方案試制和配試工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且代價(jià)很高［1－3］．即 使采用 CFD 設(shè)計(jì)技術(shù)［4－5］，也需要極大的計(jì)算成本．因此，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論發(fā)展出的計(jì)算量小、在一定程度上可以保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的代理模型方法開始得到關(guān)注，在CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，用該模型取代耗時(shí)的高精度的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析，可以加速設(shè)計(jì)過程，降低設(shè)計(jì)成本，有效地平衡了CFD計(jì)算成本和計(jì)算準(zhǔn)確性這一矛盾．

本文運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE）設(shè)計(jì)燃油系統(tǒng)參數(shù)的試驗(yàn)計(jì)算矩陣，利用FIRE軟件對(duì)不同燃油系統(tǒng)參數(shù)的影響進(jìn)行計(jì)算，再以響應(yīng)面近似模型技術(shù)構(gòu)造燃燒和排放的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法對(duì)該近似模型進(jìn)行尋優(yōu)［6－7］，結(jié)合燃燒分析并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了仿真研究以及試驗(yàn)驗(yàn)證．

1 噴射系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

1.1 燃油系統(tǒng)參數(shù)DOE優(yōu)化

對(duì)燃油系統(tǒng)噴射參數(shù)的優(yōu)化目的是使柴油機(jī)的NOx排放，顆粒物排放，燃油消耗率以及燃燒噪聲在額定負(fù)荷時(shí)達(dá)到較優(yōu)的水平［8－10］．噴射系統(tǒng)參數(shù)主要包括噴油參數(shù)（噴射壓力、噴射始點(diǎn)等）、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)以及噴油器安裝位置．本文選取優(yōu)化的噴射系統(tǒng)參數(shù)主要有：噴油提前角、噴孔個(gè)數(shù)、噴孔直徑、噴射夾角、噴孔長(zhǎng)徑比、噴嘴伸出高度．根據(jù)TBD234V6柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)，6個(gè)參數(shù)的選取范圍見表1．

表1 燃燒系統(tǒng)參數(shù)選取范圍

本文對(duì)噴射系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的主要目標(biāo)是降低油耗，提高效率，同時(shí)保持較低的NOx和soot排放以及燃燒噪聲．這樣根據(jù)多變量處理方法中的 目標(biāo)達(dá)到法設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為

式中：（NOx）0，（顆粒物）0分別為NOx，顆粒物，壓力升高比和燃油消耗率的目標(biāo)值．

在參數(shù)范圍內(nèi)，利用中心復(fù)合法（CCD）進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，選取了77種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選．根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用Pro／Engineer進(jìn)行不同噴嘴結(jié)構(gòu)噴油器內(nèi)部流通區(qū)域的三維幾何造型，再生成．stl文件導(dǎo)入FIRE軟件生成計(jì)算網(wǎng)格并進(jìn)行兩相流計(jì)算，得到各噴孔的流量系數(shù)、噴油規(guī)律以及nozzle文件，與噴霧和燃燒模型進(jìn)行耦合計(jì)算，在FIRE軟件2Dresult中可以得到NOx，Soot和缸內(nèi)壓力隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線，對(duì)p－φ?qǐng)D進(jìn)行處理可以得出壓力升高率和油耗率．

1.2 響應(yīng)面近似模型結(jié)合遺傳算法的優(yōu)化

通過DOE分析，可以進(jìn)行噴射系統(tǒng)參數(shù)與柴油機(jī)燃燒和排放性能的優(yōu)化匹配，但是優(yōu)化結(jié)果為試驗(yàn)水平范圍內(nèi)的近似解而非全局最優(yōu)解，優(yōu)化參數(shù)是一些離散的點(diǎn)，而不是連續(xù)的空間．為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，本文利用iSIGHT軟件的Approximation模塊來(lái)構(gòu)造了目標(biāo)函數(shù)與多變量間的響應(yīng)曲面近似模型．根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)造的二階多項(xiàng)式響應(yīng)面近似模型公式為

式中：δ為噴射夾角，（°）；d 為噴孔直徑，mm；h為噴嘴伸出高度，mm；l／d為噴孔長(zhǎng)徑比；n為噴孔數(shù)；φ為噴油提前角，℃A．

根據(jù)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定了噴射始點(diǎn)、噴孔個(gè)數(shù)、噴孔直徑、噴射夾角、噴孔長(zhǎng)徑比和噴嘴伸出高度的約束條件，定義共軌系統(tǒng)噴射參數(shù)的優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

在此模型基礎(chǔ)上采用多島遺傳算法結(jié)合順序二次規(guī)劃算法優(yōu)化方案，對(duì)噴射系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化．表2為以f為優(yōu)化目標(biāo)的噴射系統(tǒng)參數(shù)全局優(yōu)化結(jié)果．

表2 噴射系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2 燃燒分析

針對(duì)優(yōu)化方案，利用燃燒分析軟件進(jìn)行了缸內(nèi)燃燒分析．圖1為優(yōu)化方案在0℃A，10，20和30℃4個(gè)時(shí)刻缸內(nèi)溫度分布的切片圖．由于優(yōu)化方案的噴射始點(diǎn)較大，噴孔直徑小，在上止點(diǎn)時(shí)已噴入缸內(nèi)霧化混合的燃油較多，且混合氣形成均勻，因此燃燒迅速，溫度較高，最高溫度達(dá)2 755．8 K，并且高溫區(qū)已向余隙區(qū)擴(kuò)展，缸內(nèi)平均溫度已達(dá)1 050K．在上止點(diǎn)后10°時(shí)，缸內(nèi)已充分燃燒，高溫區(qū)域較大，且在燃燒室內(nèi)分布均勻，具有更高的燃燒效率．

圖1 優(yōu)化方案不同時(shí)刻缸內(nèi)溫度分布切片圖

圖2 優(yōu)化方案不同時(shí)刻缸內(nèi)碳煙分布切片圖

圖3 優(yōu)化方案不同時(shí)刻缸內(nèi)NOx分布的切片圖

圖2 、圖3為優(yōu)化方案在0，10，20和30℃A 4個(gè)時(shí)刻缸內(nèi)缸內(nèi)碳煙和NOx分布的縱向切片圖．從圖2中可以看出，優(yōu)化方案燃油與空氣的混合良好，碳煙的生成量較少，而且其燃燒溫度較高，氧化速度更快，在390℃A時(shí)，除在燃燒室軸線上還有部分碳煙外，其余已基本氧化，因而其碳煙的排放較低，但由于其燃燒時(shí)刻早，缸內(nèi)溫度高，增大了NOx的生成量．

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化仿真結(jié)果，對(duì)優(yōu)化方案的燃油系統(tǒng)進(jìn)行了試制，并安裝于柴油機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，圖4－圖6為優(yōu)化方案的仿真結(jié)果與配機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度以及累積放熱率的對(duì)比，從圖中可以看出缸內(nèi)壓力、溫度以及累積放熱率曲線都取得了較好的一致，證明了仿真模型的準(zhǔn)確性．表3為原機(jī)測(cè)試結(jié)果與優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果部分參數(shù)的對(duì)比．柴油機(jī)燃油消耗率為192g／（kWh），比原機(jī)降低了5%，NOx和碳煙排放分別比原機(jī)降低10%和18%，空氣噪聲略高，但也在允許范圍內(nèi)．由此說(shuō)明本文利用遺傳算法結(jié)合順序二次規(guī)劃算法的優(yōu)化方法進(jìn)行噴射系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是正確的，它能夠快速的進(jìn)行優(yōu)化空間的全局尋優(yōu)，且能得到可信的優(yōu)化結(jié)果．

表3 優(yōu)化方案與原機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 優(yōu)化方案缸內(nèi)壓力試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖5 優(yōu)化方案缸內(nèi)溫度試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖6 優(yōu)化方案累積放熱率試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

通過運(yùn)用中心復(fù)合法設(shè)計(jì)了燃油系統(tǒng)參數(shù)的試驗(yàn)計(jì)算矩陣，用響應(yīng)面近似模型技術(shù)構(gòu)造了以經(jīng)濟(jì)性為主的綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以遺傳算法結(jié)合順序二次規(guī)劃算法對(duì)該近似模型進(jìn)行了尋優(yōu)，確定了燃油系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化組合，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了仿真計(jì)算，并在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了優(yōu)化方案的配機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到主要結(jié)論如下．

1）用響應(yīng)面近似模型技術(shù)構(gòu)造綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以遺傳算法結(jié)合順序二次規(guī)劃算法對(duì)該近似模型進(jìn)行了尋優(yōu)的研究方法是可行的．

2）通過試驗(yàn)可以看出，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度以及累積放熱率曲線與仿真結(jié)果取得了較好的一致，證明了仿真模型的準(zhǔn)確性．

3）通過優(yōu)化，柴油機(jī)燃油消耗率比原機(jī)降低了5%，NOx和碳煙排放分別比原機(jī)降低10%和18%，證明了優(yōu)化結(jié)果的正確性．

［1］BUNES O，EINANG P M．Comparing the performance of the common rail fuel injection system with the traditiongal injection system using computer aided modeling and simulation［C］∥International Conference on Marine Science and Technology for Environmental Sustainability．Newcastle：ENSUS2000，2000：386－394．

［2］唐厚君．柴油機(jī)共軌式燃油噴射系統(tǒng)和廣義非線形系統(tǒng)模型跟蹤控制的研究［D］．上海：上海交通大學(xué)，2000．

［3］DURNHOLZ M，ENDRES H，F(xiàn)RISSE P．Preinjection－a measure to optimize the emission behavior of DI－Diesel engine［C］．SAE 940674，1994．

［4］孫 俊．內(nèi)燃機(jī)燃燒模擬理論與應(yīng)用研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2008．

［5］BADAMI M，MALLAMO F，MILLO F，et al．Influence of multiple injection strategies on emissions，combustion noise and BSFC of a DI common rail diesel engine［C］．SAE 2002－01－0503．

［6］DURNHOLZ M，ENDRES H，F(xiàn)RISSE P．Preinjection－A measure to optimize the emission behavior of DI－Diesel engine［C］．SAE 940674，1994．

［7］盧蘭光．柴油機(jī)中壓共軌綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制策略的研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2001．

［8］蘇萬(wàn)華，林鐵堅(jiān)，張曉宇，等．MULINBUMP－HCCI復(fù)合燃燒放熱特征及其對(duì)排放和放熱率的影響［J］．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22（3）：193－200．

［9］BADAMI M，MILLO F，D′AMATO D D．Experimental Investigation on soot and NOxemissions in a HD diesel engine［C］．SAE 2002－01－0502．

［10］BENAJES J，MOLINA S，GARCIA J M．Influence of pre－and post－injection on the performance and pollutant emissions in a HD diesel engine［C］．SAE 2001－01－0526．