楊柏楓　鄭齊清　 殷長(zhǎng)春　鄧濤

摘要：為研究燃油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化對(duì)船用電控柴油機(jī)摻燒丁醇性能的影響，分別利用AMESim和AVLFIRE軟件建立噴油系統(tǒng)模型和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型。以噴油壓力為目標(biāo)優(yōu)化燃油系統(tǒng)參數(shù)，得到3組優(yōu)化參數(shù)，將這3組參數(shù)以及丁醇與柴油的摻混比0、20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別代入燃燒模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)結(jié)果選出一組最優(yōu)參數(shù)，在這組參數(shù)下柴油機(jī)的綜合性能最優(yōu)：指示功率最大，在摻混比取0、20%時(shí)的指示功率分別比原機(jī)增加了29%和35.8%;指示油耗率最小，在摻混比取0、20%時(shí)的指示油耗率分別比原機(jī)減少了64%和67%;碳煙排放最少，在摻混比取0、20%時(shí)碳煙排放分別比原機(jī)減少了46.8%和58.3%;而NO的排放量最大，需要進(jìn)一步優(yōu)化。與燃燒B00純柴油相比，柴油機(jī)摻燒丁醇（B20）時(shí)，在3組優(yōu)化參數(shù)下其動(dòng)力性損失不大，指示油耗率略有增加，在改善碳煙排放方面的效果比NO的明顯。對(duì)NO排放再優(yōu)化建立的NO排放預(yù)測(cè)模型較準(zhǔn)確。當(dāng)噴孔數(shù)為7、噴孔直徑為0.28 mm、凸輪型線速度為0.46 mm/（°）、柱塞直徑為150 mm、油管長(zhǎng)度為900 mm、渦流比為0.436時(shí)，NO排放量最小。

關(guān)鍵詞：? 燃油系統(tǒng)參數(shù); 電控柴油機(jī); 摻燒丁醇; 性能優(yōu)化

中圖分類號(hào)：? U664121; TK421文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A

Influence of fuel system parameter optimization on performance of

electronically controlled diesel engine with dieselbutanol blended fuel

Abstract： In order to study the influence of fuel system parameter optimization on the performance of marine electronically controlled diesel engine with dieselbutanol blended fuel， AMESim and AVLFIRE softwares are used to establish the injection system model and the dual fuel engine combustion model， respectively. The parameters of the fuel system are optimized with the injection pressure as the objective， and three groups of optimization parameters are obtained; three groups of optimization parameters and the butanoldiesel blending ratio 0 and 20%（mass fraction） are substituted into the combustion model for calculation. A group of optimal parameters is selected according to the results， and under the group of parameters， the comprehensive performance of diesel engine is the best： the indicated power is the largest， which is 29% and 35.8% higher than that of the original engine under the blending ratio 0 and 20%，respectively; the indicated fuel consumption rate is the lowest， which is reduced by 6.4% and 6.7% than that of the original engine under the blending ratio 0 and 20%， respectively; the soot emission is the lowest， which is reduced by 46.8% and 58.3% than that of the original engine under the blending ratio 0 and 20%， respectively; while the NO emission is the largest， and have to be further optimized. Compared with fueling B00 pure diesel， when fueling the dieselbutanol blend （B20）， under the three groups of optimization parameters， the power loss is small， the indicated fuel consumption rate increases slightly， and the improvement of soot emission is more obvious than that of NO. The NO emission prediction model established for NO emission reoptimization is accurate. The NO emission is the lowest when the nozzle number is 7， the nozzle diameter is 0.28 mm， the cam profile velocity is 0.46 mm/（°）， the plunger diameter is 15.0 mm， and the eddy current ratio is 0.436.

Key words： fuel system parameter; electronically controlled diesel engine; blending butanol; performance optimization

引言

當(dāng)前尋求替代燃料實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)高效清潔燃燒是應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)和尾氣排放問(wèn)題的有效途徑之一[12]。丁醇作為極具潛力的新型二代生物燃料和理想的替代燃料[3]，具有容易獲取、與柴油互溶性好、對(duì)燃油系統(tǒng)腐蝕性小的優(yōu)點(diǎn)，且使用丁醇作為替代燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改動(dòng)少，因而越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視[4]。當(dāng)前對(duì)船用柴油機(jī)摻燒丁醇綜合性能的優(yōu)化，集中在改善缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量上[5]，主要措施有：選取合適的摻混比、進(jìn)行廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）實(shí)現(xiàn)低溫燃燒、采用進(jìn)氣道加水等方法優(yōu)化燃燒過(guò)程。張宗喜等[6]在一臺(tái)單缸四沖程船用柴油機(jī)上進(jìn)行了不同摻混比的柴油甲醇正丁醇混合燃料的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明合適的摻混比可以同時(shí)降低NO和PM25的排放。肖合林等[7]研究了EGR對(duì)生物柴油摻燒異丁醇性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腅GR率能降低碳煙和模態(tài)顆粒物等常規(guī)污染物的排放。胡登等[8]采用仿真平臺(tái)研究了進(jìn)氣道加水對(duì)生物柴油排放性能的影響，發(fā)現(xiàn)NOx排放大幅降低。

丁醇柴油混合燃料的理化特性不同于傳統(tǒng)柴油燃料，影響其燃燒過(guò)程的因素很多，其中燃燒邊界條件的優(yōu)化是重要一環(huán)[9]，較高的噴油壓力可以提高油氣混合速率，直接影響缸內(nèi)燃燒質(zhì)量[10]。船用電控柴油機(jī)噴油壓力高、霧化質(zhì)量好，能很好地改善缸內(nèi)燃燒[11]，但也會(huì)引起油束碰壁、影響缸內(nèi)氣體流動(dòng)等問(wèn)題，需要對(duì)噴油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化。HUANG等[12]研究了電控柴油機(jī)摻燒正丁醇的性能表現(xiàn)，指出提高噴油壓力和噴油正時(shí)均有利于降低CO、HC和碳煙的排放。

本文基于4190型船用電控柴油機(jī)的高壓共軌平臺(tái)，分別利用AMESim和AVLFIRE軟件建立噴油系統(tǒng)模型和丁醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型，通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。選取4個(gè)重要的燃油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到符合設(shè)計(jì)噴油壓力（≥105 MPa）的3組最優(yōu)參數(shù)組合，設(shè)置丁醇摻混比，研究燃油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化對(duì)船用電控柴油機(jī)摻燒丁醇綜合性能的影響，最后對(duì)NO排放再進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的排放性能。

1實(shí)驗(yàn)裝置介紹及模型建立

1 1實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)裝置為4190型船用柴油機(jī)機(jī)械式噴油泵電控化改造后的電控組合泵，見(jiàn)圖1。它由機(jī)械液力和電子控制兩個(gè)系統(tǒng)組成。機(jī)械液力部分主要包括電控單體泵和電磁閥。電子控制系統(tǒng)的核心是電子控制單元（electronic control unit， ECU），它通過(guò)分析傳感器采集的溫度、轉(zhuǎn)速、壓力等重要參數(shù)，控制電磁閥的啟閉時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精確化控制噴油時(shí)刻和噴油量的目的[13]。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖2：采用Kistler2893A型燃燒分析儀，采集缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率、累計(jì)放熱量等數(shù)據(jù);采用日本Horiba公司MEXA7100D型排放分析儀和奧地利AVL煙度分析儀分析廢氣的成分，并對(duì)其體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量;采用FC2210智能油耗儀測(cè)算油耗。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架通過(guò)專用軟件，可以完成電腦與ECU的信息交互，通過(guò)ECU控制電磁閥的啟閉，進(jìn)而控制噴油過(guò)程。

1.2噴油系統(tǒng)模型建立及驗(yàn)證

噴油系統(tǒng)改造前的參數(shù)為：標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，凸輪型線速度0.43 mm/（°），噴孔直徑0.30 mm，柱塞直徑13 mm，油管長(zhǎng)度900 mm，油管直徑2.0 mm。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)到原機(jī)泵端壓力為68.1 MPa，沒(méi)有達(dá)到電控化改造的設(shè)計(jì)壓力105～135 MPa。AMESim是法國(guó)的Imagine公司開(kāi)發(fā)的一款液壓仿真軟件，它被廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、工程等領(lǐng)域的液壓建模與仿真研究。這里運(yùn)用AMESim軟件建立噴油系統(tǒng)模型，優(yōu)化原機(jī)噴油壓力，見(jiàn)圖3。依據(jù)改造前的技術(shù)參數(shù)，在標(biāo)定工況下將嘴端噴油壓力和噴油速率的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比。由圖4可知，兩者的變化趨勢(shì)基本吻合，相同曲軸轉(zhuǎn)角下的實(shí)驗(yàn)值與仿真值的誤差≤5%，這說(shuō)明建立的仿真模型較準(zhǔn)確，可用于仿真研究。

2噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

采用一次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)4個(gè)重要的燃油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在標(biāo)定工況下，以噴油壓力（105～135 MPa）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，噴油脈寬取14（曲軸轉(zhuǎn)角為30°）。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料及廠家說(shuō)明書選取各參數(shù)取值范圍：柱塞直徑X1取13～15 mm、油管長(zhǎng)度X2取850～1 050 mm、噴孔直徑X3取0.22～0.30 mm、凸輪型線速度X4取0.40～0.46 mm/（°）。對(duì)這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行編碼（詳見(jiàn)文獻(xiàn)[14]），選取正交表L8（27），實(shí)驗(yàn)方案和仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表1中：Zi（i=1，2，3，4）分別為自然變量Xi的規(guī)范變量，評(píng)價(jià)指標(biāo)Y為最高噴油壓力仿真值。

采用Microsoft Excel 2020軟件的數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立Zi（i=1，2，3，4）與評(píng)價(jià)指標(biāo)Y間的一次回歸方程：

（1）

整理得到自然變量的回歸方程為

（2）

從式（1）可以得出：對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響較大的為柱塞直徑Z1和凸輪型線速度Z4，因此X1和X4分別取15.0 mm 和046 mm/（°），X2取900 mm?？紤]到噴孔數(shù)會(huì)影響油束在燃燒室內(nèi)的分布進(jìn)而影響燃燒過(guò)程，在流通面積不變的條件下，可以得到3組最優(yōu)組合：（6×0.28， 0.46， 15.0， 900），（8×0.26， 0.46， 15.0， 900），（10×0.22， 0.46， 15.0， 900），各組合的第1、2、3、4項(xiàng)分別表示噴孔數(shù)×噴孔直徑（mm）、凸輪型線速度（mm/（°））、柱塞直徑（mm）和油管長(zhǎng)度（mm）。為方便表述，將這3個(gè)組合分別記為組合A、B、C。表1中實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3的噴油壓力滿足要求，分別等于組合A和C的仿真值。

將表1中除實(shí)驗(yàn)1和3外的其余6組實(shí)驗(yàn)參數(shù)，與最優(yōu)參數(shù)組合A、B、C和原機(jī)參數(shù)組合（記為D）一起進(jìn)行仿真分析，得到10組參數(shù)下的仿真曲線，見(jiàn)圖5和6。由圖5和6可知：各組合參數(shù)下的噴油規(guī)律變化趨勢(shì)基本一致;在參數(shù)組合A、B、C下，噴油前期噴油速率波動(dòng)較小，中期噴油速率上升較快，后期斷油迅速，是較為理想的噴油模式[15];在參數(shù)組合A、B、C下，嘴端噴油壓力分別為1208、124.2、133.9 MPa，遠(yuǎn)大于其他參數(shù)組合下的嘴端噴油壓力，比原機(jī)參數(shù)組合D下的嘴端噴油壓力（68.1 MPa）分別提高了約77.4%、82.4%、966%。

3燃燒模型建立與仿真分析

本節(jié)利用AVLFIRE軟件建立丁醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型。將得到的3組優(yōu)化參數(shù)和原機(jī)參數(shù)，以及丁醇與國(guó)Ⅳ柴油的摻混比（0、20%）分別導(dǎo)入建立的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型的ESE模塊進(jìn)行仿真，研究它們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

3.1燃燒模型的建立及驗(yàn)證

本文研究對(duì)象4190型船用電控柴油機(jī)基本參數(shù)為：缸數(shù)4缸、ω型燃燒室、總排量23.82 L、標(biāo)定功率220 kW、標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 000 r/min、標(biāo)定扭矩2 100 N·m、壓縮比14∶1。依據(jù)原燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用CAD軟件繪出燃燒室二維幾何模型，并導(dǎo)入ESE模塊中，生成三維動(dòng)網(wǎng)格，網(wǎng)格平均尺寸為1 mm，網(wǎng)格數(shù)為30 225，經(jīng)檢查其中無(wú)三角形、不規(guī)則網(wǎng)格[16]。

考慮到燃燒室的對(duì)稱性及噴孔數(shù)n（n=6， 8， 10），選擇燃燒室的1/n作為計(jì)算區(qū)域，該區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖7。1/n燃燒室的噴油量為0.394 88/n（單位為g），初始湍動(dòng)能為18.375 m2/s2，貫穿距（上止點(diǎn)時(shí)）為0.012 m，原機(jī)噴孔直徑0.30 mm。在求解器設(shè)置中，采用WANG等[17]提出的正庚烷丁醇多環(huán)芳香烴燃燒機(jī)理，替代原有的反應(yīng)機(jī)理，此機(jī)理涉及O2、NC5H14、CO2、HC、N2等70多種成分以及近200多步化學(xué)反應(yīng)方程式。液滴表面破碎選擇WAVE模型;蒸發(fā)霧化選擇Multicomponent模型;液滴碰壁選取Walljet1模型;湍流擴(kuò)散選取Enable模型;NOx排放選取Zeldovich模型[18]。仿真邊界條件采用發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型得到，初始溫度和壓力分別為335.15 K和1.93 MPa，氣缸蓋底、缸套壁面和活塞頂平均溫度分別為55115、40515、63015 K，研究采用丁醇柴油混合燃料，進(jìn)氣采用空氣。

考慮到雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，這里主要研究丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0和20%的混合燃料，其中：丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0對(duì)應(yīng)的燃料為純柴油（采用0#國(guó)Ⅳ柴油），記為B00;丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的混合柴油記為B20。0#國(guó)Ⅳ柴油（B00）與B20的主要物理性質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表2。

在標(biāo)定工況和相同技術(shù)參數(shù)下，分別采用B00和B20進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真。如圖8所示：缸內(nèi)壓力和放熱率的實(shí)驗(yàn)值與仿真值變化趨勢(shì)基本一致，誤差≤5%;因?yàn)槎〈加辛己玫娜紵匦裕訠20放熱率曲線波動(dòng)較小，燃燒較為平緩。該燃燒模型較準(zhǔn)確，可用于仿真研究。

3.23組優(yōu)化參數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

3.2.1對(duì)燃燒性能的影響

從圖9可以看出，在噴油初期，原機(jī)參數(shù)組合D下的索特平均直徑最大，優(yōu)化參數(shù)組合C下的索特平均直徑明顯比其他3組的小。索特平均直徑與噴油壓力和噴孔直徑關(guān)系密切，優(yōu)化參數(shù)組合C下的噴油壓力最大（133.9 MPa），噴孔直徑（0.22 mm）最小，而參數(shù)組合A、B、D中的噴孔直徑分別為0.28、0.26、0.30 mm。索特平均直徑越小意味著油束霧化越細(xì)，越有利于油氣蒸發(fā)和混合[10]。在圖10中，優(yōu)化參數(shù)組合C下的油束噴射速度較快，其湍動(dòng)能明顯比其他3組的大，缸內(nèi)混合氣的運(yùn)動(dòng)

更劇烈，擾動(dòng)加強(qiáng)有利于油氣混合均勻。

圖11中，4組參數(shù)組合下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線變化趨勢(shì)基本一致，優(yōu)化參數(shù)組合C下的缸內(nèi)壓力和放熱率最大而參數(shù)組合D下的最小，這與4組參數(shù)組合下的噴油壓力、湍動(dòng)能、索特平均直徑的大小關(guān)系一致。在優(yōu)化參數(shù)組合C下燃?xì)饣旌细鶆?，燃燒更充分，在預(yù)混合燃燒階段放熱率較大。燃燒初期放熱率越高，壓力升高率和峰值就越大。與圖11a相比，圖11b中丁醇的摻入使得各種參數(shù)組合下的發(fā)火時(shí)刻均延遲，最高爆發(fā)壓力降低，最高放熱率增大，放熱率最高的時(shí)刻延后。由于丁醇的汽化潛熱較高，所以在預(yù)混合階段缸內(nèi)平均溫度較低，同時(shí)其十六烷值也較低，從而延長(zhǎng)了滯燃期，導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)刻延遲，燃?xì)饣旌系酶鶆颍罡叻艧崧室矔?huì)隨之增大。圖12a（無(wú)丁醇摻入）中：原機(jī)參數(shù)組合D下的缸內(nèi)高溫場(chǎng)溫度較低，高溫區(qū)面積最小;優(yōu)化參數(shù)組合C下的高溫場(chǎng)溫度比其他3組的高，高溫區(qū)的面積更大一些。從圖12a和圖12b（有丁醇摻入）可以看出：在曲軸轉(zhuǎn)角為740°時(shí)高溫區(qū)覆蓋了燃燒室整個(gè)凹坑區(qū)和部分上部區(qū)域;參數(shù)組合 C下高的噴油壓力和較高的缸內(nèi)溫度使油氣混合得更均勻，霧化更充分，擴(kuò)散面積更廣。與圖12a相比，圖12b中丁醇的摻入使得缸內(nèi)高溫區(qū)減小，高溫區(qū)溫度降低，這與丁醇的汽化潛熱較高和熱值低有關(guān)。

3.2.2對(duì)排放性能的影響

圖13a顯示，優(yōu)化參數(shù)組合C下的NO排放量最大，燃燒初期NO生成速率較快。“高溫、富氧、高溫中持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)”是熱力型NO生成的重要因素[19]。由于優(yōu)化參數(shù)組合C下噴油壓力較高，噴孔直徑較小，霧化效果好，燃?xì)饣旌细浞郑灶A(yù)混合階段放熱率較高，缸內(nèi)平均溫度也更高。燃燒充分、高溫富氧有利于NO生成。圖13b中，各參數(shù)組合下的NO排放大小關(guān)系與圖13a的一致，但均有一定程度的增大，燃燒初期NO生成速率更快。由于丁醇的高汽化潛熱和低十六烷值，導(dǎo)致滯燃期延a）B00b）B20

長(zhǎng)，燃?xì)饣旌细浞?，燃燒初期放熱率均升高，丁醇含有氧，造成了富氧的環(huán)境，也會(huì)促進(jìn)NO的生成。

圖14b顯示，優(yōu)化參數(shù)組合C下的缸內(nèi)平均溫度最高，但與圖14a相比，各組合參數(shù)下的溫度均略有降低。這主要是因?yàn)閮?yōu)化參數(shù)組合C下的噴油壓力和湍動(dòng)能較高、索特平均直徑較小，燃?xì)饣旌细鶆?，燃燒更充分，平均溫度最高。圖14b中，丁醇的高汽化潛熱和低熱值，使得各組合參數(shù)下的平均溫度略有降低，這會(huì)降低NO排放。綜合圖13b來(lái)看，NO的排放實(shí)際上有所增加，如前文分析，丁醇的摻入會(huì)延長(zhǎng)滯燃期，使得缸內(nèi)燃燒更完全，同時(shí)丁醇含有氧，造成了富氧環(huán)境，這些因素起了主導(dǎo)作用，最終導(dǎo)致NO的排放實(shí)際上有所增加。

圖15a中，優(yōu)化參數(shù)組合C下的碳煙排放峰值及排放最小。高溫缺氧的環(huán)境會(huì)促進(jìn)碳煙生成[20]。優(yōu)化參數(shù)組合C下的噴油壓力、湍動(dòng)能均較大，油滴霧化細(xì)，燃燒充分完全，碳煙生成最少。圖15b中，丁醇的摻入使得各組合參數(shù)下的碳煙排放明顯降低，這與缸內(nèi)溫度降低（見(jiàn)圖14b）和低溫富氧的環(huán)境有關(guān)。圖16a中，如前文分析，優(yōu)化參數(shù)組合C對(duì)缸內(nèi)空氣卷流作用更明顯，在燃燒室凹坑和上部區(qū)域燃空當(dāng)量比均比其他3組的高，進(jìn)一步說(shuō)明了其霧化效果好，油霧擴(kuò)散面積大。丁醇是含氧燃料，分析4種參數(shù)組合下B20的燃空當(dāng)量比可知，其值均略有減小。

3.2.3對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響

由圖17可知：在燃燒B00時(shí)優(yōu)化參數(shù)組合C下的指示功率最高，優(yōu)化參數(shù)組合A與B下的指示功率比較接近，原機(jī)參數(shù)組合D下的指示功率最低;優(yōu)化參數(shù)組合C下的指示功率比原機(jī)參數(shù)組合D下的指示功率高了29%，指示油耗率低了64%;在燃燒B20時(shí)各參數(shù)組合下的指示功率和指示

油耗率均有降低，優(yōu)化參數(shù)組合C下的指示功率比原機(jī)參數(shù)組合D下的指示功率高了35.8%，指示油耗率低了67%。如前文分析，丁醇的加入使得滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)平均壓力（圖11）和平均溫度（圖14）均有所降低，使得指示功率降低而指示油耗率有所提高。

4NO排放再優(yōu)化

針對(duì)優(yōu)化參數(shù)組合C下NO排放最高、船用電控柴油機(jī)摻燒丁醇改善NO排放不明顯的問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化NO排放。柴油機(jī)排放影響因素較多，渦流比可以影響缸內(nèi)的氣體流動(dòng)，對(duì)混合氣霧化有重要影響。這里采用精度較高的二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以NO排放為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定噴孔數(shù)和渦流比的最優(yōu)值，同時(shí)考慮因素間的交互作用，建立NO排放預(yù)測(cè)模型，為柴油機(jī)的改造提供理論指導(dǎo)。查閱柴油機(jī)說(shuō)明書和相關(guān)文獻(xiàn)資料，噴孔數(shù)取值范圍為6～10個(gè)，渦流比取值范圍為04～14。

該試驗(yàn)設(shè)計(jì)由二水平試驗(yàn)、星號(hào)試驗(yàn)和零水平試驗(yàn)三類試驗(yàn)點(diǎn)組成。二元二次的二水平試驗(yàn)次數(shù)mc=22=4;星號(hào)試驗(yàn)次數(shù)mr=2m=2×2=4，m為試驗(yàn)的因素?cái)?shù);零水平試驗(yàn)次數(shù)m0=2?？傇囼?yàn)次數(shù)n=mc+mr+m0=10次，因素水平編碼表[14]見(jiàn)表3。試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果如表4所示，其中：Z5、Z6分別為噴孔數(shù)、渦流比的規(guī)范變量，y為NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù);試驗(yàn)1～4是二水平試驗(yàn)，試驗(yàn)5～8是星號(hào)試驗(yàn)，試驗(yàn)9～10是零水平試驗(yàn)。表4中，Z5Z6、Z25、Z26、Z′5、Z′6分別為Z5與Z6的交互項(xiàng)、二次項(xiàng)、二次項(xiàng)中心化項(xiàng)。

利用參考文獻(xiàn)[14]的方法對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到回歸方程的系數(shù)，從而得到規(guī)范變量與評(píng)價(jià)指標(biāo)間的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型為

利用式（3）對(duì)表4中10組試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果與對(duì)應(yīng)的仿真值的比較見(jiàn)圖18。各試驗(yàn)預(yù)測(cè)值與仿真值比較接近，誤差≤3%，說(shuō)明建立的NO排放預(yù)測(cè)模型較準(zhǔn)確，可以起到預(yù)測(cè)功能，為發(fā)動(dòng)機(jī)排放的優(yōu)化研究提供指導(dǎo)。利用Microsoft Excel 2020規(guī)劃求解模塊對(duì)式（3）求解得到：噴孔數(shù)為7，渦流比為0.436，最優(yōu)參數(shù)組合為（7×0.28， 0.46， 15.0， 900），組合中第1、2、3、4項(xiàng)分別表示噴孔數(shù)×噴孔直徑（mm）、凸輪型線速度（mm/（°））、柱塞直徑（mm）和油管長(zhǎng)度（mm）。在該最優(yōu)參數(shù)組合下，嘴端噴油壓力最高（121.9 MPa），NO排放最低（NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.53×10-6），其對(duì)應(yīng)的是表4中的試驗(yàn)4的NO排放結(jié)果。采用這個(gè)最優(yōu)參數(shù)組合能在保證較好的缸內(nèi)燃燒質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)較少的NO排放。

5結(jié)論

本文通過(guò)4190型船用電控柴油機(jī)平臺(tái)優(yōu)化得到3組燃油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化組合，研究了其對(duì)船用電控柴油機(jī)摻燒丁醇燃燒和排放性能的影響，并對(duì)NO排放再進(jìn)行優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

（1）建立噴油系統(tǒng)模型，采用一次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化燃油系統(tǒng)參數(shù)，得到了3組噴油壓力大于105 MPa的最優(yōu)參數(shù)組合：（6×0.28， 0.46， 15.0， 900），（8×0.26， 0.46， 15.0， 900），（10×0.22， 0.46， 15.0， 900），將其分別記為組合A、B、C，組合中第1、2、3、4項(xiàng)分別表示噴孔數(shù)×噴孔直徑（mm）、凸輪型線速度（mm/（°））、柱塞直徑（mm）和油管長(zhǎng)度（mm）。展現(xiàn)出來(lái)的噴油模式較為理想。

（2）將3組優(yōu)化參數(shù)組合、原機(jī)參數(shù)組合D代入建立的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型ESE模塊中，并采用丁醇柴油混合燃料B00和B20進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明：優(yōu)化參數(shù)組合C下綜合性能最優(yōu)，噴油壓力最高，索特平均直徑最小，湍動(dòng)能較大，缸內(nèi)霧化質(zhì)量好，平均壓力和平均溫度較高，燃空當(dāng)量比和熱效率較高。優(yōu)化參數(shù)組合C下的指示功率最高，在燃燒B00、B20時(shí)分別比原機(jī)參數(shù)下的指示功率高了29%和35.8%;指示油耗率最低，分別低了6.4%和6.7%。

（3）在燃燒B20時(shí)，這3組優(yōu)化參數(shù)組合下的指示功率略有降低，指示油耗率略有升高。優(yōu)化參數(shù)組合A和B對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高相當(dāng)。優(yōu)化參數(shù)組合C是最優(yōu)的參數(shù)組合，碳煙排放最少，而NO排放較多，需要進(jìn)一步優(yōu)化。在3組優(yōu)化組合下，丁醇的摻入對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性影響不大，指示油耗率略有增加，缸內(nèi)平均壓力和平均溫度略有降低，最高放熱率提高較多，燃空當(dāng)量比略有減小。相較于改善NO排放，丁醇在改善發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放方面效果明顯。

（4）采用二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在優(yōu)化參數(shù)組合C的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)噴孔數(shù)和渦流比進(jìn)行優(yōu)化匹配，進(jìn)一步優(yōu)化NO排放，建立了以NO排放為評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型。該模型預(yù)測(cè)誤差在3%以內(nèi)，預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確。利用該模型優(yōu)化得到了噴孔數(shù)為7，渦流比為0.436時(shí)，NO排放最少。該參數(shù)組合下嘴端噴油壓力較高（121.9 MPa），能在保證較好的缸內(nèi)燃燒質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)較少的NO排放。

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（編輯趙勉）

收稿日期： 20210409修回日期： 20210922

基金項(xiàng)目： 福建省教育廳中青年科技項(xiàng)目（JAT190536）;泉州師范學(xué)院教育教學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（JGX2019021）;

泉州師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（20190399116）

作者簡(jiǎn)介： 楊柏楓（1985—），男，湖北宜昌人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化與排氣測(cè)試分析，

（Email）353635971@qq.com