孫思遠， 黃朝霞， 徐虎， 黃加亮,c*

(集美大學(xué) a. 輪機工程學(xué)院；b. 理學(xué)院；c. 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引 言

環(huán)境日益惡化的現(xiàn)狀和石油等不可再生資源的匱乏使作為船舶主推進裝置的船舶柴油機面臨著前所未有的危機。[1]國際海事組織(IMO)已經(jīng)在2016年1月1日實施新的遏制NOx排放的Tier III規(guī)則。[2]為應(yīng)對這些危機和挑戰(zhàn)，就必須對船舶柴油機的缸內(nèi)燃燒提出更高的要求。柴油機的良好燃燒需要使柴油機內(nèi)部氣體流動、燃油霧化、燃燒反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換都保持在一個良好的水平，而這又取決于柴油機的結(jié)構(gòu)參數(shù)與初始設(shè)置參數(shù)的匹配。[3]換言之，柴油機燃燒系統(tǒng)參數(shù)的匹配優(yōu)化可以提高柴油機的動力性能和排放性能。利用商業(yè)軟件對柴油機進行仿真優(yōu)化研究，可以減少產(chǎn)品設(shè)計、改造和升級等的工作量，節(jié)約大量的人力、物力和財力。[4]目前，國內(nèi)外學(xué)者在柴油機燃燒系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化方面做了很多努力，并取得了一些成果。

國外的MAN Diesel & Turbo、Wartsila、Caterpillar、MTU等領(lǐng)先的船用柴油機生產(chǎn)廠商均生產(chǎn)高壓共軌柴油機，生產(chǎn)技術(shù)成熟，為進行柴油機噴油系統(tǒng)、燃燒室、缸內(nèi)氣體流動三者之間的參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計提供了條件[5]。國內(nèi)武漢理工大學(xué)的研究人員[6]在實驗室環(huán)境下對TBD234V8型柴油機進行了柴油機電控化改造，取得了較好的經(jīng)濟特性和排放特性；集美大學(xué)研究人員[7-10]在實驗室環(huán)境下先對柴油機進行電控化改造，然后利用AME-SIM、AVL-BOOST、AVL-FIRE等商業(yè)軟件進行燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)的仿真優(yōu)化，結(jié)果表明：通過對柴油機燃燒系統(tǒng)參數(shù)的匹配優(yōu)化可得到較好的經(jīng)濟特性、動力特性和排放特性，但參數(shù)過多導(dǎo)致試驗組數(shù)過多、試驗周期長，收效較?。焕谜辉囼炘O(shè)計方法能夠科學(xué)地安排與分析多因素試驗，在有效減少試驗組數(shù)的同時不降低試驗數(shù)據(jù)的信息量和準確性。然而，上述研究只是針對單一目標的優(yōu)化，對柴油機綜合性能的優(yōu)化并未考慮。

本文基于4190ZLC-2型柴油機燃燒過程一維整機模型和缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型，綜合考慮柴油機油、氣初始設(shè)置參數(shù)和燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過正交試驗設(shè)計方法安排各參數(shù)匹配仿真，以動力性能和排放性能為綜合評價指標，利用模糊數(shù)學(xué)對仿真數(shù)據(jù)進行分析，研究各因素對柴油機動力性能和排放性能的綜合影響，并確定出同時滿足柴油機動力性能和排放性能的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 試驗對象及研究方法

4190ZLC-2型船用柴油機是廢氣渦輪增壓、中冷、四沖程、中速柴油機，其主要參數(shù)為缸徑×行程190 mm×210 mm、額定功率220 kW、標定轉(zhuǎn)速1 000 r/min、壓縮比14.5∶1、總排量23.82 L、噴油器噴孔直徑0.26 mm、最高爆發(fā)壓力120 bar(1 bar=100 kPa)、平均有效壓力11.09 bar和發(fā)火順序1-3-4-2。4190ZLC-2型船用柴油機的試驗裝置見圖1。

圖1 4190ZLC-2型船用柴油機試驗裝置

圖1中的檢測設(shè)備有：Horiba MEXA-1600DSEGR型氣體分析儀、SG88型水渦流測功機(檢測有效功率)、FC2210型智能油耗儀、FC2000發(fā)動機測控儀和DEWE-2010CA型燃燒分析儀。Horiba MEXA-1600DSEGR型氣體分析儀用來檢測排氣成分含量，其中NOx和O2含量分別采用加熱化學(xué)發(fā)光分析儀(HCLD)和順磁性測氧儀(PMD)檢測，CO和CO2含量采用不發(fā)光紅外分析儀(NDIR)檢測，THC(含有碳氫化合物的總量)采用加熱氫火焰離子檢測器(HFID)檢測。

試驗過程如下：將柴油機分別按負荷特性和推進特性運行，得到原始試驗數(shù)據(jù)；利用MATLAB計算出BOOST模型邊界條件，將其輸入到BOOST模型中進行仿真；通過仿真結(jié)果與實機的試驗結(jié)果的比較，對建立的BOOST模型進行參數(shù)修正，直到仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差在3%以內(nèi)為止；通過BOOST模型(柴油機整機模型)和柴油機試驗平臺，計算出三維缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型的氣體初始條件和結(jié)構(gòu)邊界條件，進一步建立柴油機三維燃燒室模型；運用正交試驗設(shè)計方法安排仿真，并對仿真結(jié)果進行多目標模糊分析優(yōu)化，實現(xiàn)在不損失功率的前提下減少NOx排放的目的。試驗中選取的參數(shù)包括：影響噴油系統(tǒng)的噴孔直徑、油束夾角和噴油提前角；影響進氣系統(tǒng)的渦流比；影響燃燒室結(jié)構(gòu)的喉口直徑d、凸臺高度h和凹坑半徑R。燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見圖2。

圖2燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

2 仿真初始條件、邊界條件和關(guān)鍵參數(shù)

2.1 柴油機整機模型建立并驗證

為取得柴油機運行時利用試驗設(shè)備難以測得的關(guān)鍵燃燒參數(shù)，利用AVL_BOOST軟件，根據(jù)4190ZLC-2型柴油機臺架試驗建立柴油機整機模型(見圖3)，建立流程見圖4。圖3中：C1～C4代表4個氣缸；PL1表示進氣總管；MP1～MP14為測試點，代表該位置所測到的瞬時流動數(shù)據(jù)和瞬時氣體條件；TC1代表渦輪增壓器；SB1、SB2表示系統(tǒng)邊界；模型采用的是二脈沖增壓系統(tǒng)，C1與C4、C2與C3排氣歧管交匯并分別連接到增壓器TC1的兩個進口，而進氣端由一根進氣總管PL1與氣缸相連。

圖3 柴油機整機模型

圖4 BOOST模型(柴油機整機模型)建立流程

圖5 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

由額定工況下柴油機示功圖的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比(圖5和表1)可知，試驗結(jié)果曲線與仿真結(jié)果曲線擬合良好，相同曲軸轉(zhuǎn)角(crank angle, CA)對應(yīng)的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差在3%以內(nèi)，說明模型具有一定的準確性，可為缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型初始條件和邊界條件的確定提供依據(jù)。表1中，輸出扭矩、輸出功率、油耗、最高爆發(fā)壓力和進氣流量的仿真值與試驗值的相對誤差分別為-0.072%、-0.078%、0.083%、-0.405%和-1.550%。

表1 額定工況下BOOST模型仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2.2 計算初始條件、邊界條件和關(guān)鍵參數(shù)

通過建立柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型，研究柴油機燃燒系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化匹配。由于四沖程柴油機高壓循環(huán)過程只針對壓縮和膨脹兩個沖程，故只需模擬從進氣閥和排氣閥都關(guān)閉的時刻到排氣閥打開時刻之間的缸內(nèi)燃燒過程。對于4190ZLC-2型柴油機，進氣閥關(guān)閉時刻和排氣閥打開時刻的曲軸轉(zhuǎn)角分別為593.5°和841.0°，故仿真時需要知道進氣閥關(guān)閉時刻的基本參數(shù)。

根據(jù)建立的燃燒過程一維整機模型計算得到進氣初始溫度335.15 K和進氣初始壓力1.93 MPa，再通過計算得到活塞頂部溫度625.15 K、缸蓋底面溫度553.15 K和缸套壁面溫度403.15 K。由式(1)得出單缸一次循環(huán)的噴油量，g；由式(2)～(5)得出湍動能TKE和湍流尺度TLS分別為18.375 m2/s2和0.006 15 m。

(1)

TKE=(3/2)u2

(2)

u=0.5Cm

(3)

Cm=2hn/60

(4)

TLS=hv/2

(5)

式中：be為額定功率下的油耗率；Pe為柴油機標定功率，kW；τ為柴油機沖程數(shù)；n為柴油機轉(zhuǎn)速，r/min；i為柴油機氣缸數(shù)；u為湍流脈動速度，m/s；Cm為活塞的平均速度，m/s；h為沖程，m；hv為最大氣閥升程，mm。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型建立及驗證

利用CFD的AVL-FIRE建立柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型，建立流程見圖6?？紤]到研究對象的對稱性、噴孔8個以及噴油器位于燃燒室的中央，生成燃燒室1/8區(qū)域的網(wǎng)格，見圖7。

圖6 柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型建立流程

圖7 燃燒室三維動網(wǎng)格

根據(jù)式(1)計算得出單缸1次循環(huán)的噴油量Vb為0.394 88 g，那么1/8的這個模型對應(yīng)的噴油量為Vb的1/8，即為0.049 36 g。根據(jù)計算得到的湍動能和湍流尺度，得到湍流擴散率為2 104.49 m2/s2。將上述參數(shù)代入AVL_FIRE的ESE模塊中，建立缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型。為驗證模型的準確性，在額定工況下將由原機性能測試平臺測取的示功圖

圖8 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

與仿真結(jié)果進行對比，見圖8和表2。表2中，輸出扭矩、輸出功率、油耗、最高爆發(fā)壓力的仿真值與試驗值的相對誤差分別為-3.00%、-0.26%、4.45%和2.95%。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的曲線擬合良好，趨勢一致，同一曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的相對誤差不超過3%，故可以用該模型進行仿真研究[11]。通過仿真，得到原機參數(shù)對應(yīng)的指示功率和NOx排放質(zhì)量分數(shù)分別為55 kW和0.022 5%。

表2 額定工況下柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較

3.2 基于正交試驗設(shè)計方法的仿真方案和仿真計算結(jié)果

在試驗設(shè)計中，將影響試驗指標的要素稱為因素，因素所處的狀態(tài)稱為因素水平。柴油機噴油系統(tǒng)參數(shù)、進氣系統(tǒng)參數(shù)和燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(即因素)共同影響著缸內(nèi)氣體流動、油霧混合、燃燒和排放的過程。因此，選取因素為：噴油系統(tǒng)的噴孔直徑(A1)、噴油提前角(A2)和油束夾角(A3)，進氣系統(tǒng)的渦流比(A4)，以及燃燒室的喉口直徑(A5)、凸臺高度(A6)和凹坑半徑(A7)。試驗指標為NOx排放質(zhì)量分數(shù)(Y1)和柴油機指示功率(Y2)。所選因素水平見表3。綜合考慮這7個三水平因素，根據(jù)正交試驗設(shè)計方法，選擇正交表L27(313)，設(shè)計仿真方案[12]，將方案中各因素水平代入柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型，得到仿真結(jié)果，見表4。

表3 因素水平

表4 仿真方案、仿真結(jié)果及仿真結(jié)果分析

3.3 仿真結(jié)果的模糊分析

3.3.1 模糊分析指標隸屬度

圖9為模糊優(yōu)化方法流程圖。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)可知，7個指標組成論域X，第i次試驗所得到的指標Aj的值xij(i=1, 2, …, 27)為X中的元素。對于任意的xij∈X，給定如下映射：

圖9 模糊優(yōu)化方法流程

xij→fAj(xij)∈[0,1],X→ [0,1]

3.3.2 隸屬度函數(shù)建立

以Y1和Y2為評價指標，U={Y1,Y2}，由于試驗次數(shù)為27次，所以評價集V={V1,V2,…,V27}。

指標隸屬度函數(shù)表征評價指標值與“滿意”這一概念的貼近程度，在確定指標隸屬度函數(shù)時，應(yīng)考慮指標值的變化對評價指標本身各方面的影響程度。就評價指標本身而言，一般可分為3種類型：指標數(shù)值越大越好(偏大型)、指標數(shù)值越小越好(偏小型)以及指標數(shù)值越接近理想值越好(中間型)。[14]

評價指標中，NOx排放質(zhì)量分數(shù)Y1和柴油機指示功率Y2分別為偏小型指標和偏大型指標，因此它們的隸屬度函數(shù)為

(6)

(7)

式中：i,j=1,2,…,27。由隸屬度函數(shù)構(gòu)成隸屬度值矩陣r1和r2，見表4中Y1隸屬度和Y2隸屬度。由隸屬度值矩陣構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣R=(r1,r2)。

3.3.3 模糊子集確定

在模糊子集的確定中，可以根據(jù)不同的優(yōu)化目標進行權(quán)重分配。在柴油機設(shè)計中，日益嚴峻的環(huán)境問題對柴油機的排放提出更高的要求，故在滿足柴油機功率需求的情況下，應(yīng)盡可能地降低NOx排放量。因此，柴油機NOx排放質(zhì)量分數(shù)的權(quán)重應(yīng)大于柴油機指示功率的權(quán)重，將其分別確定為0.6和0.4，即模糊子集A=(0.6 0.4)。

3.3.4 指標綜合評價隸屬度計算

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)，指標綜合評價隸屬度計算公式為

B=RAT

(8)

式(8)為模糊關(guān)系運算，計算結(jié)果見表4中的bi。為直觀比較各因素不同的水平值與指標綜合評價值的貼近程度，對指標綜合評價值根據(jù)式(9)進行歸一化處理，結(jié)果見表4中的最后一列。

(9)

根據(jù)表4，可得不同水平因素綜合隸屬度之和，見表5。

3.3.5 綜合隸屬度直觀分析

表5 不同水平因素綜合隸屬度之和

3.3.6 模糊綜合評價最大隸屬度分析及優(yōu)化

C1={0.308,0.335,0.354}

C2={0.358,0.338,0.304}

C3={0.337,0.313,0.350}

C4={0.362,0.339,0.299}

C5={0.318,0.342,0.340}

C6={0.327,0.326,0.347}

C7={0.297,0.357,0.345}

根據(jù)最大隸屬度原則，可知各因素c1,c2, …,c7對柴油機的排放性能和動力性能的最大影響程度分別為0.354、0.358、0.350、0.362、0.342、0.347和0.357。據(jù)此對參數(shù)進行匹配優(yōu)化，結(jié)果為：A1=0.30 mm，A2=24°，A3=160°，A4=0.4，A5=135 mm，A6=6.6 mm和A7=18 mm。進一步可以看出模糊綜合評價最大隸屬度分析優(yōu)化結(jié)果與綜合隸屬度直觀分析結(jié)論是一致的。

3.4 優(yōu)化參數(shù)驗證

將所優(yōu)化的一組參數(shù)代入所建立的柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型中：得到柴油機指示功率為 54 kW，與原機仿真值55 kW相近；得到NOx排放質(zhì)量分數(shù)為0.009 86%，比原機仿真值0.022 50%低了56.02%。這說明，將正交試驗設(shè)計和模糊分析運用在柴油機多目標多參數(shù)匹配設(shè)計中，可以保證在不損失柴油機動力性能的前提下，達到減少柴油機NOx排放的目的。

4 結(jié) 論

建立了4190ZLC-2型船用柴油機一維整機模型和三維缸內(nèi)高壓循環(huán)模型，通過燃燒過程一維整機模型計算得出高壓循環(huán)模型的初始條件、邊界條件和關(guān)鍵參數(shù)，并將結(jié)果代入高壓循環(huán)模型進行計算。運用正交試驗設(shè)計方法安排試驗進行仿真，運用模糊數(shù)學(xué)對計算結(jié)果進行分析，以柴油機指示功率和NOx排放質(zhì)量分數(shù)為綜合優(yōu)化目標進行燃燒系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化，結(jié)論如下：

1)利用AVL_BOOST和AVL_FIRE建立柴油機整機模型和缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型，通過參數(shù)的調(diào)試，得出的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，表明該仿真模型是正確的，可用于試驗設(shè)備難以測量的參數(shù)的仿真預(yù)測。

2)運用正交試驗設(shè)計方法進行仿真試驗安排，運用模糊數(shù)學(xué)對仿真結(jié)果進行分析，分析可知：在柴油機NOx排放質(zhì)量分數(shù)和柴油機指示功率兩指標權(quán)重分別為0.6和0.4的前提下，分別建立兩指標隸屬度函數(shù)并分別計算出隸屬度，進一步計算出模糊指標綜合隸屬度；利用模糊指標綜合隸屬度計算出不同因素在不同水平下的隸屬度，并將之進行歸一化處理。

3)利用綜合隸屬度表示出各因素在不同水平下對優(yōu)化目標的影響程度，分別進行了直觀分析和模糊子集分析，得到最優(yōu)的參數(shù)匹配組合，直觀分析結(jié)果與模糊子集分析結(jié)果一致。

4)將得到的最優(yōu)的參數(shù)組合代入柴油機缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型中進行仿真，得到的指示功率與原機仿真值相近，得到的NOx排放質(zhì)量分數(shù)比原機仿真值低了56.02%。這說明將正交試驗設(shè)計和模糊分析運用在柴油機多目標多參數(shù)匹配設(shè)計中，可以保證在不損失柴油機動力性能前提下達到減少柴油機NOx排放的目的。

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