柴油機(jī)活塞碗?yún)?shù)化建模方法及在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張來(lái)超 崔樹(shù)鑫 張明 SAROCH Michael Frank

摘要：為解決活塞碗排放優(yōu)化過(guò)程中的參數(shù)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，提出一種柴油機(jī)活塞碗的參數(shù)化建模方法。該方法能夠確保在活塞碗輪廓線變形過(guò)程中燃燒室的控制容積不變，以滿足恒定壓縮比的要求。采用CAESES建立活塞碗的參數(shù)化模型，在CONVERGE中對(duì)活塞碗內(nèi)的燃燒進(jìn)行分析，使用CAESES的遺傳算法驅(qū)動(dòng)優(yōu)化流程，通過(guò)案例驗(yàn)證該方法的有效性。結(jié)果表明：遺傳算法對(duì)活塞碗進(jìn)行4代優(yōu)化后得到的算例最佳，NOx濃度降低66%，Soot濃度降低78%。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；活塞碗；參數(shù)化；優(yōu)化；NOx；Soot

中圖分類號(hào)：U464.232

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

直噴柴油機(jī)活塞碗對(duì)缸內(nèi)氣體流動(dòng)和柴油混合具有非常關(guān)鍵的作用，直接影響燃燒的化學(xué)反應(yīng)速率和燃燒反應(yīng)的路徑，在很大程度上決定發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放物的生成量。[1]

STYRON等[2]和KURTZ等[3]對(duì)倒棱型和縮口型活塞碗進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為倒棱型活塞碗可以加快燃料的霧化，導(dǎo)致油氣混合和燃燒速率較快；同時(shí)由于其總表面積較小，熱量損失較少，因此熱效率也較高。JUTTU等[4]研究活塞碗的碗半徑和凸臺(tái)尺寸對(duì)排放的影響，發(fā)現(xiàn)活塞碗結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能影響不大，但對(duì)排放卻有明顯影響。LEE等[5]分析碗半徑和碗深對(duì)排放氣體的影響，最優(yōu)結(jié)果的Soot含量降低60%。QIN等[6]分析燃燒室內(nèi)部溫度對(duì)排放的影響，結(jié)果表明，燃燒室內(nèi)較高的溫度可降低Soot的最終排放量，但同時(shí)也增大NOx的濃度。污染物排放其實(shí)是由燃燒室的熱力學(xué)狀態(tài)和燃燒過(guò)程決定的，很明顯，噴射策略和燃料噴射方向?qū)ξ廴疚镆灿兄匾绊憽AJAMANI等[7]分別對(duì)噴射角、碗半徑和喉部半徑等參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：碗半徑和噴射角對(duì)廢氣排放的影響較大，而噴油器中噴嘴的數(shù)量對(duì)排放幾乎沒(méi)有影響。GENZALE等[8]研究噴霧落點(diǎn)位置、活塞碗凹坑形狀以及渦流比對(duì)柴油機(jī)的影響，結(jié)果表明：噴霧落點(diǎn)位置對(duì)燃料消耗和尾氣排放影響較大，凹坑形狀和渦流比決定燃料和空氣的混合效果；此外，他們還對(duì)以上3個(gè)變量進(jìn)行耦合計(jì)算，發(fā)現(xiàn)合適的匹配方案能夠明顯降低Soot和CO的排放。

目前，燃燒室研究方法受建模方法限制，主要針對(duì)單個(gè)幾何形狀參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，難以將多個(gè)幾何形狀參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，參數(shù)化建模方法則可以很好地解決這一難題?，F(xiàn)已有一些對(duì)進(jìn)氣道等零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的案例，但對(duì)活塞的參數(shù)化研究主要關(guān)注結(jié)構(gòu)分析，對(duì)燃燒室活塞碗的優(yōu)化還不多見(jiàn)。[9-10]本文針對(duì)柴油機(jī)活塞碗提出一種參數(shù)化建模方法，在CAESES中建立活塞碗的參數(shù)化模型，并驅(qū)動(dòng)CONVERGE執(zhí)行CFD優(yōu)化計(jì)算，從而降低NOx和Soot的排放。

1 參數(shù)化建模方法

柴油機(jī)活塞碗可由輪廓線繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到，因此對(duì)輪廓線進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)活塞碗的參數(shù)化控制。活塞碗型線參數(shù)化設(shè)計(jì)步驟見(jiàn)圖1，基于某款柴油機(jī)活塞碗，通過(guò)分段擬合，提出一種參數(shù)化建模方法。

根據(jù)輪廓線對(duì)活塞碗進(jìn)行參數(shù)化建模，具體步驟如下。

（1）1號(hào)線：凸臺(tái)。根據(jù)凸臺(tái)深度和凸臺(tái)半徑創(chuàng)建凸臺(tái)。

（2）2號(hào)圓?。喊伎訄A。以燃燒室深度、碗半徑和燃燒室最大半徑確定凹坑圓。

（3）3號(hào)線：凸臺(tái)的右端點(diǎn)到2號(hào)圓弧底部做切線。

（4）4號(hào)圓?。汉聿康箞A。圓心位于以偏轉(zhuǎn)角α和2號(hào)圓弧的圓心確定的直線4-1上，通過(guò)喉部半徑確定圓心，半徑設(shè)為r。

（5）5號(hào)線：2號(hào)圓弧與4號(hào)圓弧的內(nèi)公切線。定義參數(shù)喉部尺寸，表示喉口凸出的距離。

（6）6號(hào)線：燃燒室斜面輪廓線。根據(jù)縮口半徑和P1點(diǎn)坐標(biāo)確定。

（7）7號(hào)線：自由線。與圓弧4相切，并光滑連接至6號(hào)線，自動(dòng)改變7號(hào)線形狀，從而保證活塞碗變形后燃燒室的壓縮比不變。

（8）8號(hào)段線（多條）：表示燃燒室壁面以及頂部平面的輪廓線。

（9）光滑連接1號(hào)線、3號(hào)線和2號(hào)圓弧的圓弧段，與其余曲線（4號(hào)圓弧取切點(diǎn)分割后的圓弧）從左到右連接，得到活塞碗的輪廓線。

在對(duì)活塞碗進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，幾何變形通常會(huì)導(dǎo)致燃燒室容積變化，繼而改變壓縮比，難以準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響。CAESES可以計(jì)算出每次變形后燃燒室的容積，通過(guò)自動(dòng)迭代算法調(diào)整7號(hào)自由線，保持燃燒室容積始終不變。對(duì)每個(gè)變形的活塞碗分別修改噴霧方向，從而保證噴射開(kāi)始時(shí)噴射器朝向喉部，見(jiàn)圖2。

最終用于仿真的模型，各設(shè)計(jì)參數(shù)的約束范圍見(jiàn)表1（D為原模型的縮口半徑）。

2 計(jì)算方法

2.1 模型簡(jiǎn)化

原燃燒室結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。由于采用的噴油器為8孔，為提高仿真效率，取1/8氣缸，即45°扇形區(qū)域作為計(jì)算域。

2.2 計(jì)算條件

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，EGR量為25%。噴油規(guī)律、氣體組分和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況分別見(jiàn)圖4及表2和3。

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性，分別以3套不同精度的網(wǎng)格進(jìn)行分析，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，網(wǎng)格尺寸見(jiàn)表4。曲軸轉(zhuǎn)角為15°時(shí)不同密度網(wǎng)格下燃燒室溫度場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)圖5。由此可知，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，仿真計(jì)算可以捕捉到更精細(xì)的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。溫度對(duì)于燃燒室的NOx和Soot濃度具有重要影響，因此火焰的散熱率就顯得尤為重要，網(wǎng)格B和網(wǎng)格C對(duì)應(yīng)的散熱率與實(shí)驗(yàn)值吻合度較高（見(jiàn)圖6）。為提高計(jì)算效率，最終選擇網(wǎng)格B用于后續(xù)的優(yōu)化分析。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)尾氣排放的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究碗半徑、喉部尺寸和縮口半徑對(duì)活塞碗性能的影響，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖7（直線為Pareto優(yōu)化結(jié)果）。由此可知：隨著碗半徑的增大，NOx的濃度逐漸降低，而Soot的濃度有所提高；喉部尺寸變化后也有類似的趨勢(shì)；隨著縮口半徑的增大，NOx的濃度逐漸增大，Soot濃度逐漸降低。總體而言，這3個(gè)參數(shù)對(duì)NOx和Soot濃度都有明顯影響，并且對(duì)二者的影響是反相關(guān)關(guān)系。

3.2 活塞碗的優(yōu)化

在參數(shù)允許范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生50個(gè)計(jì)算樣本，在此基礎(chǔ)上采用遺傳算法對(duì)活塞碗進(jìn)行多目標(biāo)（同時(shí)降低NOx和Soot濃度）優(yōu)化。該過(guò)程共進(jìn)行4代優(yōu)化（種群規(guī)模50個(gè)），最終得到Pareto前沿，見(jiàn)圖8。

從圖8可以看出：第1代優(yōu)化得到NOx濃度最小的設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是具有較小的喉部尺寸；第2代優(yōu)化得到Soot濃度最小的設(shè)計(jì)方案，其具有較深的凹坑；第3代和第4代優(yōu)化得到NOx+Soot最小方案（圖中最接近坐標(biāo)原點(diǎn)的點(diǎn)）為最佳設(shè)計(jì)方案，該方案同時(shí)具有較低的NOx和Soot濃度。

曲軸轉(zhuǎn)角為30°時(shí)，分別對(duì)NOx濃度最小方案、最佳方案和Soot濃度最小方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，Pareto設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5，3個(gè)方案的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9。

對(duì)于NOx濃度最低方案，由于燃燒室內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，使得NOx濃度較低，但是由于其喉部較凸出，導(dǎo)致燃料燃燒不充分，因而Soot濃度明顯增大。對(duì)于Soot濃度最低方案，由于燃燒室溫度較高，燃料燃燒充分，從而產(chǎn)生較少的Soot，但是由于燃燒室內(nèi)溫度過(guò)高，導(dǎo)致NOx濃度明顯增加。最佳方案活塞碗?yún)?shù)介于以上兩者之間，優(yōu)化方案與原模型的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6，NOx濃度降低66%，Soot濃度降低78%。

4 結(jié) 論

（1）提出柴油機(jī)活塞碗的參數(shù)化建模方法，方便、準(zhǔn)確地對(duì)活塞碗形狀進(jìn)行參數(shù)控制，從而滿足活塞碗?yún)?shù)化的需求。

（2）迭代算法通過(guò)對(duì)活塞碗輪廓線進(jìn)行調(diào)整，以滿足活塞碗控制容積不變的約束條件，可以有效地對(duì)固定壓縮比的活塞碗形狀進(jìn)行優(yōu)化。

（3）使用CAESES和CONVERGE聯(lián)合創(chuàng)建的參數(shù)化、仿真和優(yōu)化流程，可以很好地對(duì)活塞碗形狀進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化算例驗(yàn)證該方法的有效性。

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（編輯 付宇靚）