重載柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)與燃燒室結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化研究

覃星念,肖剛,李耀鵬,賈明

(1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司,廣西 玉林 537000;2.大連理工大學(xué)海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

柴油機(jī)憑借其性能可靠、持久耐用、應(yīng)用靈活等優(yōu)勢(shì),在商用車、輪船和軍事等多個(gè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于石油消耗以及溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重,柴油機(jī)面臨節(jié)能減排的巨大壓力[1]。雖然加入尾氣后處理和碳捕捉裝置能夠滿足排放法規(guī)的要求,但會(huì)增加柴油機(jī)的生產(chǎn)成本和復(fù)雜性,且在實(shí)際應(yīng)用中面臨一定的限制。因此亟需改善柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程,提高柴油機(jī)熱效率,從根源上減少有害尾氣和溫室氣體的產(chǎn)生。

由于柴油機(jī)中主要為混合控制燃燒模型,因此當(dāng)前主要通過(guò)改善渦輪增壓器及優(yōu)化噴油策略促進(jìn)柴油與空氣混合,實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒[2-4]。在高噴油壓力下,燃油噴霧除了受到上述因素影響,燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧流動(dòng)和發(fā)展同樣作用顯著。因此除了噴油相關(guān)參數(shù),燃燒室結(jié)構(gòu)同樣值得深入優(yōu)化,以便更好地組織燃油噴霧在缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)燃空充分混合和燃燒。燃燒室結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,為了實(shí)現(xiàn)燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)化,需要在不同類型燃燒室結(jié)構(gòu)中開展充分探索。

最早Shi等[5]通過(guò)貝塞爾曲線將三個(gè)控制點(diǎn)連接構(gòu)成活塞表面輪廓,該研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于低載荷情況,高載荷工況下燃燒室結(jié)構(gòu)的影響更加明顯,因此應(yīng)優(yōu)先在高載荷下開展燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但該研究采用的燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)化分解方法過(guò)于簡(jiǎn)單,因此只能形成簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu),與實(shí)際應(yīng)用仍存在一定差距。Benajes等[6]提出更復(fù)雜的幾何構(gòu)建方法,該方法通過(guò)5個(gè)控制點(diǎn)共計(jì)15個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制,控制更加靈活多變,因此能夠生成不同類型的燃燒室結(jié)構(gòu),但最終的優(yōu)化方案中存在大量不規(guī)則的燃燒室結(jié)構(gòu),無(wú)法用于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。眾多研究均發(fā)現(xiàn),優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)多項(xiàng)性能,但需要與噴油相關(guān)參數(shù)緊密配合[7-10]。因此發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)與燃燒室結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化具有較大的應(yīng)用潛力,但當(dāng)前燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)化的分解方法仍不完善。

為了能夠構(gòu)建不同類型的燃燒室結(jié)構(gòu),需要對(duì)更多的幾何參數(shù)進(jìn)行控制,因此燃燒室結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)協(xié)同優(yōu)化面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是優(yōu)化參數(shù)過(guò)多。利用試驗(yàn)優(yōu)化成本較高,尤其是制造不同幾何結(jié)構(gòu)的活塞。隨著計(jì)算機(jī)硬件的快速迭代以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)日趨成熟,數(shù)值仿真及優(yōu)化的可靠性日益增強(qiáng),在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[11-12]。因此本研究針對(duì)一款重型柴油機(jī),借助三維數(shù)值仿真和優(yōu)化算法,對(duì)其運(yùn)行參數(shù)及燃燒室結(jié)構(gòu)開展同步優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能同步提升,為實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)提供指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 幾何模型

本研究采用一款6缸重型渦輪增壓柴油機(jī),其缸徑和行程分別為129 mm和165 mm,幾何壓縮比為19.85。該款發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻為-139°ATDC,排氣門開啟時(shí)刻為98°ATDC。采用高壓共軌噴油系統(tǒng),噴嘴包含10個(gè)噴孔。柴油機(jī)采用兩次噴射,但試驗(yàn)中第一次預(yù)噴燃油質(zhì)量較少,占總噴油質(zhì)量不足1%,其目的主要是為了控制最高燃燒壓力。此外,試驗(yàn)和后續(xù)優(yōu)化中均不引入廢氣再循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持1 200 r/min和2 100 N·m的運(yùn)行工況。由于該款發(fā)動(dòng)機(jī)為當(dāng)前商用機(jī)型,因此燃燒室結(jié)構(gòu)無(wú)法給出。

1.2 數(shù)值模型及驗(yàn)證

本研究采用KIVA@DUT開展三維仿真,該軟件針對(duì)液滴蒸發(fā)、碰撞、液膜等多個(gè)模型進(jìn)行改進(jìn),采用的模型如表1所示。分別用正十二烷和正庚烷表征柴油的物理和化學(xué)屬性,將KIVA@DUT與Chemkin-Ⅱ耦合求解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。采用解耦法構(gòu)建正庚烷化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,其中包含38個(gè)組分和144個(gè)化學(xué)反應(yīng)[13]。為了驗(yàn)證模型的可靠性,在不同噴油時(shí)刻和噴油壓力下開展數(shù)值驗(yàn)證,運(yùn)行工況如表2所示。通過(guò)圖1的驗(yàn)證結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前的數(shù)值模型能夠很好地重現(xiàn)不同噴油時(shí)刻和噴油壓力下,發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓、燃燒過(guò)程、氮氧化物(NOx)排放和燃油消耗率的變化規(guī)律,證明了模型的可靠性。由于模擬中只計(jì)算進(jìn)氣門關(guān)閉至排氣門開啟這一階段,沒(méi)有考慮換氣過(guò)程,因此模擬計(jì)算的熱效率比試驗(yàn)中整個(gè)循環(huán)的低,即模擬的燃油消耗率更高。

表1 KIVA@DUT數(shù)值模型

表2 柴油機(jī)驗(yàn)證算例的運(yùn)行條件

圖1 不同運(yùn)行條件下模擬與試驗(yàn)的缸壓、放熱率、NOx排放及燃油消耗率對(duì)比

2 優(yōu)化算法及設(shè)置

2.1 優(yōu)化算法

本研究采用精英機(jī)制的非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)[18],其采用了非支配排序(non-dominated sorting)和擁擠距離排序(crowding distance sorting)方法篩選優(yōu)良個(gè)體并保持種群多樣性。下面以兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)為例,通過(guò)圖2說(shuō)明支配原則。當(dāng)個(gè)體A至少有一個(gè)目標(biāo)值優(yōu)于個(gè)體B,則稱為A支配B。而如果個(gè)體不被任何其他個(gè)體支配,則該個(gè)體為非支配解,所有非支配解組成帕累托前沿面。根據(jù)個(gè)體的支配關(guān)系進(jìn)行排序,排序靠前的個(gè)體具有優(yōu)先被選擇的權(quán)利。排序相同的個(gè)體,則擁擠距離更大的個(gè)體被優(yōu)先選擇,以保持種群的多樣性。某個(gè)體的擁擠距離為圖2中該個(gè)體相鄰兩個(gè)個(gè)體圍成矩形的周長(zhǎng)(兩個(gè)目標(biāo)二維情況下)。

圖2 兩目標(biāo)情況下非支配排序和擁擠距離示意

2.2 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)化

Xu等[19]通過(guò)將整個(gè)燃燒室結(jié)構(gòu)拆解成若干條圓弧和切線的組合元素,重構(gòu)燃燒室結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)化。燃燒室的臺(tái)階結(jié)構(gòu)(見圖3)能夠更好地對(duì)柴油油束分流,從而實(shí)現(xiàn)更好的燃空混合效果。在之前方法的基礎(chǔ)上,Xu等進(jìn)一步改進(jìn)燃燒室?guī)缀螛?gòu)建方法,實(shí)現(xiàn)了更加復(fù)雜的雙臺(tái)階燃燒室結(jié)構(gòu)。該自動(dòng)生成方法共包含13個(gè)控制參數(shù),利用該方法能夠生成包括淺盆型、ω型、開口型等不同類型的燃燒室結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4 利用自動(dòng)生成方法生成不同類型的燃燒室結(jié)構(gòu)

2.3 優(yōu)化參數(shù)及設(shè)計(jì)

針對(duì)進(jìn)氣參數(shù)、噴油參數(shù)以及燃燒室結(jié)構(gòu)開展協(xié)同優(yōu)化,優(yōu)化參數(shù)名稱及取值范圍如表3所示。選取指示燃油消耗率(ISFC)和NOx二者作為優(yōu)化目標(biāo)。此外設(shè)立最高燃燒壓力≤25 MPa,壓力升高率≤12 MPa/(°),最低燃燒溫度≥1 200 K作為限制值,以排除不合理的算例,加快優(yōu)化進(jìn)程。優(yōu)化過(guò)程中,燃燒室?guī)缀螇嚎s比始終保持不變。由于優(yōu)化參數(shù)較多,因此優(yōu)化過(guò)程中每代包含600個(gè)體,連續(xù)優(yōu)化10代,共計(jì)算6 000個(gè)體。需要注意的是,表3中幾何形狀參數(shù)名稱與圖3一一對(duì)應(yīng),但表3中參數(shù)取值需要經(jīng)過(guò)一定計(jì)算才能轉(zhuǎn)化為圖3中各參數(shù)的實(shí)際取值。

表3 協(xié)同優(yōu)化所選參數(shù)及取值范圍

3 優(yōu)化結(jié)果與分析

針對(duì)運(yùn)行參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)開展協(xié)同優(yōu)化,燃油消耗率和NOx排放兩項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)的變化過(guò)程如圖5所示。雖然燃油消耗率和NOx之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系,但隨著逐代演化,二者均得到改善。同時(shí)相較驗(yàn)證算例Case3,最后一代中個(gè)體的燃油消耗率和NOx也有較大幅度提升,證實(shí)了協(xié)同優(yōu)化的有效性。通過(guò)對(duì)所有優(yōu)化算例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)敏感性分析確定每個(gè)參數(shù)對(duì)燃油消耗率、最高燃燒壓力和NOx的影響權(quán)重,結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖中分析結(jié)果可知,運(yùn)行參數(shù)方面主要是主噴時(shí)刻(SOI2)和噴油壓力(Pinj)的影響最為顯著,幾何參數(shù)則是Ra,Xb,Zb和β14個(gè)參數(shù)的影響較為明顯。根據(jù)圖3中各幾何參數(shù)的意義,Xb和Zb對(duì)應(yīng)活塞碗底的位置,而β1則是控制活塞臺(tái)階結(jié)構(gòu),上述3個(gè)幾何參數(shù)均與噴霧油束有較強(qiáng)的相互作用。

圖5 多代連續(xù)優(yōu)化中燃油消耗率和NOx排放的變化趨勢(shì)

針對(duì)上述關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)和幾何參數(shù),進(jìn)一步開展相關(guān)性分析,揭示參數(shù)間彼此關(guān)聯(lián)。從圖7中發(fā)現(xiàn),圓弧B和C二者存在一定關(guān)聯(lián),Xb和Xc同步增加,Rb同步減小。Xb和Xc增大意味著燃燒室活塞底碗部和活塞臺(tái)階位置距離中心軸線更遠(yuǎn),而Zb和Rb減小則意味著燃燒室深度更淺,這與后文典型優(yōu)化燃燒室的結(jié)構(gòu)變化一致。此外,主噴時(shí)刻主要和Ra相關(guān),而噴油壓力則與Ra,Xb,Rb和Xc均有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)。由于噴油壓力與噴油速率相關(guān),因此當(dāng)噴油壓力增加時(shí),Xb和Xc均相應(yīng)增大,以增加噴霧貫穿距離,促進(jìn)燃油與空氣混合,并緩解燃油附壁情況。隨著噴油壓力增加,B圓弧半徑(Rb)減小,從而抑制活塞碗內(nèi)殘留未燃燃料,減少不完全燃燒。

圖7 關(guān)鍵優(yōu)化參數(shù)間相關(guān)性分析

3.1 典型算例對(duì)比分析

為了便于說(shuō)明,從優(yōu)化方案中選取燃油消耗率和NOx均表現(xiàn)突出的算例,稱之為Co-Opt算例。將驗(yàn)證算例中經(jīng)濟(jì)性較好的Case3作為基礎(chǔ)算例,通過(guò)兩個(gè)算例對(duì)比,探究?jī)?yōu)化方案的性能優(yōu)勢(shì)及參數(shù)特征。兩個(gè)算例的參數(shù)取值對(duì)比如圖8所示,二者缸壓和放熱率曲線對(duì)比如圖9所示。通過(guò)圖8b和圖8c參數(shù)對(duì)比可知,Co-Opt的Xb值和Xc值更大,而Zb值和Rb值更小,即優(yōu)化燃燒室采用活塞碗半徑更大、深度更淺的優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化燃燒室的表面積相較原始燃燒室更小,有利于減少換熱損失。

圖8 兩個(gè)典型算例的參數(shù)對(duì)比

圖9 3個(gè)典型算例的缸壓和放熱率對(duì)比

兩個(gè)算例的進(jìn)氣參數(shù)較為接近,主要區(qū)別在于噴油參數(shù)的差異。基礎(chǔ)算例采用更早的噴油時(shí)刻,因此其著火時(shí)刻提前。同時(shí)基礎(chǔ)算例的噴油壓力更小,因此其燃燒速度更慢,放熱率峰值更低。反觀Co-Opt算例,則是采用噴油時(shí)刻更晚但噴油壓力更高的噴油方案。為了探究二者采用不同的噴油時(shí)刻和噴油壓力的原因,將Co-Opt算例的噴油時(shí)刻和噴油壓力與基礎(chǔ)算例對(duì)調(diào),得到圖9中Co-Opt-Exchange算例曲線。可以發(fā)現(xiàn),在燃燒初始階段,Co-Opt-Exchange與基礎(chǔ)算例兩個(gè)算例的放熱速率幾乎一致,說(shuō)明這一燃燒過(guò)程主要受噴油時(shí)刻和噴油壓力控制。但隨著燃燒進(jìn)行,接近放熱率峰值時(shí)刻,Co-Opt-Exchange算例的放熱率顯著高于基礎(chǔ)算例,說(shuō)明后續(xù)擴(kuò)散燃燒過(guò)程開始受到燃燒室結(jié)構(gòu)的影響。且通過(guò)二者對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),優(yōu)化之后的Co-Opt燃燒室更有利于燃空混合,從而產(chǎn)生更高的放熱率峰值和燃燒壓力,超出發(fā)動(dòng)機(jī)硬件承受范圍。因此相比基礎(chǔ)算例,Co-Opt算例需要采用更晚的噴油時(shí)刻,避免過(guò)大的燃燒壓力。同時(shí)為了維持較好的燃油經(jīng)濟(jì)性,相應(yīng)采用較大的噴油壓力,以促進(jìn)燃空混合和加快反應(yīng)速率。

3.2 柴油機(jī)性能持續(xù)改進(jìn)

除了上述噴油參數(shù)和燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu),壓縮比同樣也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)[20]。因此,在上述優(yōu)化燃燒室Co-Opt的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化壓縮比以獲得更高的熱效率,得到新的優(yōu)化算例,將其命名為Co-Opt-CR。此外,除了上述協(xié)同優(yōu)化過(guò)程,只針對(duì)表3中運(yùn)行參數(shù)開展優(yōu)化計(jì)算,得到的最佳優(yōu)化算例命名為Base-Opt。將上述3個(gè)優(yōu)化方案與基礎(chǔ)算例橫向?qū)Ρ?4個(gè)算例的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比如表4所示,缸壓、放熱率、燃油消耗率和NOx排放對(duì)比如圖10所示。

表4 4個(gè)典型算例的參數(shù)選取對(duì)比

首先,3個(gè)優(yōu)化算例的噴油時(shí)刻均晚于基礎(chǔ)算例,但噴油壓力均更高。因此從圖10a中發(fā)現(xiàn)3個(gè)優(yōu)化算例的著火時(shí)刻均更晚,但放熱率峰值更高。雖然Co-Opt-CR算例的主噴時(shí)刻更晚、噴油壓力更低,但由于其更高的壓縮比,因此其最高燃燒壓力高于Base-Opt和Co-Opt。通過(guò)圖10b性能對(duì)比發(fā)現(xiàn),相較基礎(chǔ)算例,陸續(xù)引入運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和壓縮比優(yōu)化,3個(gè)優(yōu)化算例Base-Opt、Co-Opt和Co-Opt-CR的燃油消耗率和NOx排放持續(xù)同步降低。一方面,說(shuō)明相較單獨(dú)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化,運(yùn)行參數(shù)和燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化能夠更有效地改善柴油機(jī)性能;另一方面,說(shuō)明在更高壓縮比下,通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和燃燒室結(jié)構(gòu),能夠在不惡化NOx排放的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.3 不同工況下的性能對(duì)比

針對(duì)上述Co-Opt和Co-Opt-CR兩個(gè)優(yōu)化算例,分別在不同載荷下測(cè)試二者的性能表現(xiàn),并將其與基礎(chǔ)算例對(duì)比,如圖11所示。在中高載荷下,Co-Opt的燃油消耗率始終低于基礎(chǔ)算例,NOx排放不高于基礎(chǔ)算例。Co-Opt-CR算例燃油消耗率的降幅更加明顯,但由于其壓縮比更高,因此NOx排放比Co-Opt多,但仍然與基礎(chǔ)算例的NOx排放相近。在低載荷下,Co-Opt和Co-Opt-CR兩個(gè)優(yōu)化方案對(duì)燃油消耗率的改進(jìn)效果減弱,尤其是NOx排放均略高于基礎(chǔ)算例。由于目前采用的優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)是在高載荷下優(yōu)化得到的,因此后續(xù)研究需要綜合考慮低載荷情況,對(duì)優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn),在全負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)更佳的性能表現(xiàn)。

圖11 典型燃燒室結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行工況下性能對(duì)比

4 結(jié)論

a) 不同優(yōu)化參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響程度有別,運(yùn)行參數(shù)中主噴時(shí)刻和噴油壓力的影響最為顯著,幾何參數(shù)中有關(guān)活塞碗和臺(tái)階結(jié)構(gòu)的參數(shù)(Xb,Zb和β1)影響較為關(guān)鍵;

b) 噴油參數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)間存在較強(qiáng)的相互作用,噴油壓力增加,Xb和Xc需相應(yīng)增加,以擴(kuò)大活塞碗半徑,從而延長(zhǎng)噴霧貫穿距,促進(jìn)燃空混合及燃燒;

c) 由于優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)更利于燃空混合,產(chǎn)生更高的燃燒效率,因此相較基準(zhǔn)算例,優(yōu)化算例均采用更晚的噴油時(shí)刻以延遲燃燒相位,并配合更高的噴油壓力以縮短燃燒持續(xù)期;

d) 先后引入運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和壓縮比優(yōu)化,在不同運(yùn)行工況下柴油機(jī)燃油消耗率持續(xù)降低,且NOx排放不明顯惡化;在高載荷下,上述優(yōu)化方案的改進(jìn)效果更加明顯。