董 飛，胡 鬧，2，3，楊建國，2，3

（1.武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063；3.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063）

0 概述

船用發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）后處理系統(tǒng)和余熱利用等技術(shù)來滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和提高綜合效率。一些豪華郵輪出于舒適性與美觀性要求，將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口設(shè)置在水下，甚至某些船用發(fā)動(dòng)機(jī)出于特殊用途需要在高背壓（不小于130 kPa）環(huán)境下工作。在這些情況下，船用發(fā)動(dòng)機(jī)的高排氣背壓使得渦輪膨脹比減小，增壓器轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣流量降低，帶來發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、排氣溫度升高和熱負(fù)荷增加等問題［1］。研究排氣背壓對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放的影響，探索高背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化對(duì)某些特殊用途的船用發(fā)動(dòng)機(jī)具有十分重要的意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者開展了排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律及優(yōu)化研究。文獻(xiàn)［2-3］中用一維模型預(yù)測了高速直噴自然吸氣柴油機(jī)在110 kPa～150 kPa 排氣背壓下的平均有效壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）與殘余廢氣系數(shù)，發(fā)現(xiàn)排氣背壓升高使殘余廢氣系數(shù)升高和進(jìn)氣量降低，且由于柴油機(jī)低負(fù)荷的高空燃比對(duì)稀釋效應(yīng)更加敏感，其主要放熱反應(yīng)延后，碳煙排放降低。文獻(xiàn)［4］中試驗(yàn)研究了帶后處理裝置的二級(jí)渦輪增壓柴油機(jī)不同排氣背壓下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變化規(guī)律，找到了后處理裝置的最佳排氣背壓。文獻(xiàn)［5-7］中研究了排氣背壓對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)性能、燃油消耗率和排放的影響，結(jié)果表明隨著排氣背壓的增加，增壓柴油機(jī)的進(jìn)氣量和功率均下降，燃油消耗率和排氣溫度升高，碳煙和一氧化碳（carbon monoxide，CO）排放增加，而氮氧化物（nitrogen oxide，NOx）排放由于缸內(nèi)燃燒不充分反而有所降低。文獻(xiàn)［8］中利用GTPower 模擬2.0 L 進(jìn)/排氣氣門連續(xù)可變正時(shí)（double continuous variable valve timing，DCVVT）汽油機(jī)研究了不同轉(zhuǎn)速下余熱回收導(dǎo)致的背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響，結(jié)果表明背壓增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失線性增加。此外，文獻(xiàn)［9］中研究了排氣背壓對(duì)單缸柴油機(jī)排氣的影響。以上研究主要針對(duì)排氣背壓對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的影響，而針對(duì)排氣背壓對(duì)大功率船用發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究相對(duì)較少。

對(duì)于高背壓下柴油機(jī)的優(yōu)化與改造，文獻(xiàn)［10］中利用仿真模型研究了100 kPa～185 kPa 排氣背壓對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)性能的影響，采用帶放氣閥的渦輪增壓器或可變截面渦輪增壓器來改善柴油機(jī)高排氣背壓的適應(yīng)性，使柴油機(jī)在100 kPa～185 kPa 排氣背壓下動(dòng)力性恢復(fù)至標(biāo)定功率的80%。文獻(xiàn)［11］中用一維仿真模型研究不同型號(hào)渦輪增壓器對(duì)柴油機(jī)性能和燃油消耗率的影響，減少了試驗(yàn)次數(shù)，大幅降低了缸內(nèi)最高燃燒壓力和燃油消耗率。文獻(xiàn)［12］中用仿真和試驗(yàn)方法優(yōu)化了高排氣背壓下渦輪增壓柴油機(jī)的配氣相位，降低了渦輪前排氣溫度。文獻(xiàn)［13］中試驗(yàn)研究了排氣背壓對(duì)某型船用中速增壓柴油機(jī)性能的影響，提出一種排氣背壓可接受度的評(píng)價(jià)方法，利用脈沖增壓系統(tǒng)為增壓器提供額外功的特點(diǎn)和減小氣門重疊角的方法來提高柴油機(jī)對(duì)高排氣背壓的適應(yīng)性。鮮有學(xué)者從油氣匹配的角度，采用適配增壓器和結(jié)合配氣和噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方法來進(jìn)行優(yōu)化。

本研究中基于GT-Power 軟件建立了某船用高速發(fā)動(dòng)機(jī)的一維工作過程仿真模型并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，基于驗(yàn)證的模型研究不同排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和熱負(fù)荷的影響；針對(duì)高背壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率急劇下降的問題，重新匹配了渦輪增壓器。從油氣匹配的角度，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)配氣和噴油系統(tǒng)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，提升了該船用高速發(fā)動(dòng)機(jī)在高背壓下的性能。

1 船用發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

高背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究與優(yōu)化總體流程如圖1 所示。針對(duì)高背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化的問題，在正常大氣背壓與高背壓下進(jìn)行了試驗(yàn)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型并校核，基于驗(yàn)證的模型分析了不同背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并在高背壓下匹配新的增壓器，優(yōu)化噴油和配氣系統(tǒng)參數(shù)。

圖1 高背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究與優(yōu)化總體流程

以某型船用高速發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，其基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 某型船用高速柴油機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)

建模過程中采用了DIPulse 燃燒預(yù)測模型，包括燃油噴射、卷吸、蒸發(fā)、混合、著火、預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒等幾個(gè)子模型，以模擬燃料注入、蒸發(fā)、與周圍氣體混合等物理過程及燃燒過程。其中有限化學(xué)動(dòng)力學(xué)燃燒計(jì)算公式［14］見式（1）。

式中，mk為化學(xué)動(dòng)力學(xué)限定的燃燒燃料質(zhì)量；τ為時(shí)間；為有限化學(xué)動(dòng)力學(xué)燃燒率；C為燃燒率比例因子；p為壓力；T為子區(qū)域溫度；φ為當(dāng)量比，φ≥3.0 時(shí)燃燒率為0。

缸內(nèi)傳熱模型采用WoshniGT 模型，摩擦模型采用Chen-Flynn 模型，用硬度塞測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為氣缸壁溫度的輸入，廢氣渦輪增壓器采用詳細(xì)模型，需輸入增壓器特性曲線的離散圖譜［8，15-17］。

2 臺(tái)架試驗(yàn)及模型驗(yàn)證

在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2［12］所示，圖中T、p 和ω 分別代表溫度、壓力和轉(zhuǎn)速傳感器。在發(fā)動(dòng)機(jī)上布置的傳感器有氣缸壓力傳感器、單缸排氣溫度傳感器、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速傳感器、渦輪后排氣溫度傳感器、渦輪前排氣溫度和壓力傳感器、空冷器前進(jìn)氣溫度、壓力傳感器及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等。試驗(yàn)中用到的主要測試儀器設(shè)備如表2 所示，均經(jīng)過校準(zhǔn)且在有效期內(nèi)。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 臺(tái)架試驗(yàn)中的測試儀器設(shè)備

用大氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)100% 負(fù)荷、75% 負(fù)荷、50% 負(fù)荷和25% 負(fù)荷測量參數(shù)驗(yàn)證所建模型的精度，如輸出功率、燃油消耗率、氣缸壓力、平均有效壓力、最高燃燒壓力pmax、管道內(nèi)氣體壓力和溫度等。其中功率、燃油消耗率、最高燃燒壓力及渦輪前排氣溫度的對(duì)比如圖3 所示。出于保密需要，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果使用了相對(duì)值，即以100% 負(fù)荷下原機(jī)的各參數(shù)值為參考基準(zhǔn)值，以其他工況下的參數(shù)值（或仿真值）分別和對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值相比，比值作為相對(duì)值?？梢钥闯?，仿真結(jié)果最大誤差分別為4.67%、4.40%、2.94% 和3.25%。對(duì)燃燒模型進(jìn)行標(biāo)定，其卷吸系數(shù)、著火延遲系數(shù)、預(yù)混燃燒系數(shù)和擴(kuò)散燃燒系數(shù)分別為1.48、1.68、1.26 和0.57，100% 和75% 負(fù)荷下試驗(yàn)與仿真的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比如圖4 所示，結(jié)果表明模型標(biāo)定效果可靠。

圖3 大氣背壓下模型校核

圖4 大氣背壓下缸內(nèi)壓力曲線校核

為了校驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟弑硥合碌木龋诎l(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了背壓試驗(yàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)100% 負(fù)荷工況下通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)架排氣管處的蝶形背壓閥來調(diào)節(jié)排氣背壓，分別將排氣背壓調(diào)節(jié)至115 kPa、125 kPa、135 kPa 和165 kPa。在排氣背壓為115 kPa、125 kPa和135 kPa 工況時(shí)，保持熱負(fù)荷不變，即發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前排氣溫度保持680 ℃（等熱負(fù)荷條件）的前提下，保證其最大功率輸出；在165 kPa 工況下，調(diào)節(jié)噴油器使發(fā)動(dòng)機(jī)功率保持在1 000 kW（等功率條件），以防其意外熄火。在等熱負(fù)荷條件下，背壓135 kPa 時(shí)功率下降最大，為76.7 kW，驗(yàn)證結(jié)果如圖5 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油消耗率和渦輪前排溫等指標(biāo)的誤差均在5% 以內(nèi)，其余指標(biāo)的誤差均在7% 以內(nèi)，所建模型能滿足不同排氣背壓下的仿真精度要求。

圖5 不同排氣背壓下模型校核

為了考察背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的影響程度，在保持噴油量不變的條件下，分別使模型運(yùn)行在100 kPa、110 kPa、130 kPa、150 kPa、170 kPa 和190 kPa 背 壓下，壓氣機(jī)后進(jìn)氣壓力及溫度和渦輪前排氣壓力及溫度的變化如圖6 所示，缸內(nèi)壓力的變化如圖7 所示。從圖6 可知隨著背壓增加，壓氣機(jī)后進(jìn)氣壓力溫度呈下降趨勢，渦輪前排氣壓力總體呈下降趨勢，在190 kPa 處略有上升，渦輪前排氣溫度先上升后下降。排氣背壓為100 kPa 時(shí)渦輪增壓器在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，缸內(nèi)進(jìn)氣量充足，燃燒較好，渦輪膨脹比大。隨著排氣背壓的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪膨脹比下降，增壓器轉(zhuǎn)速降低，壓氣機(jī)后進(jìn)氣溫度壓力降低，進(jìn)入氣缸的空氣量減小，過量空氣系數(shù)降低，帶走缸內(nèi)廢熱的能力降低，缸內(nèi)的熱負(fù)荷增加，燃燒質(zhì)量變差，缸內(nèi)壓力降低，如圖7 所示。

圖6 不同背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)熱力參數(shù)變化

圖7 不同排氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力曲線變化

對(duì)于渦輪前排氣溫度來說，一方面排氣背壓上升使渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降，效率降低和殘余廢氣系數(shù)升高，缸內(nèi)熱負(fù)荷增加；另一方面排氣背壓升高使進(jìn)氣流量下降，此時(shí)缸內(nèi)進(jìn)氣量不足，燃燒惡化，只有部分燃料燃燒，燃燒的放熱量降低，使得排氣溫度下降。

對(duì)于渦輪前壓力，一方面排氣背壓的上升使得增壓器轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)氣量的下降導(dǎo)致渦輪前壓力相應(yīng)降低；另一方面，從圖7 中可知，170 kPa～190 kPa高背壓下的氣缸壓力較100 kPa～150 kPa 低背壓時(shí)大幅降低，渦輪膨脹比急劇減小，增壓器排氣受阻嚴(yán)重，反而使得渦輪前排氣壓力略微升高。

在翻譯實(shí)踐中，“權(quán)”就是把具體的翻譯理論及策略運(yùn)用到具體的翻譯實(shí)踐中去，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，解決翻譯中遇到的具體問題。經(jīng)權(quán)觀指的就是不拘泥于經(jīng)法，靈活應(yīng)變，經(jīng)權(quán)觀不僅可以指導(dǎo)人們進(jìn)行道德選擇與判斷，更是我們生活處事，尤其是翻譯實(shí)踐的不二法則。規(guī)律是普遍存在的，而規(guī)則是人為制定的用來指導(dǎo)具體實(shí)踐的。因此，翻譯時(shí)便要靈活運(yùn)用規(guī)則，適應(yīng)普遍規(guī)律，譯出達(dá)意的譯文。這是一種表面上的“反經(jīng)”，實(shí)則在“行權(quán)”，合理行權(quán)，結(jié)果便是有價(jià)值的行為實(shí)踐。

3 高排氣背壓工況優(yōu)先條件下的增壓器匹配

由仿真計(jì)算可知，發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)在170 kPa 以上高排氣背壓下的功率降低，為原發(fā)動(dòng)機(jī)功率的77%。其主要原因是原機(jī)的渦輪增壓器效率在150 kPa 以上高排氣背壓下開始急劇下降［1］，因此需為原發(fā)動(dòng)機(jī)重新匹配一個(gè)更小流通截面積的渦輪增壓器，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)在特殊高背壓工況下的性能。

增壓器廠家提供了5 種型號(hào)的增壓器信息，其渦輪流通截面積依次增大。為了保證低背壓時(shí)機(jī)械負(fù)荷與增壓器轉(zhuǎn)速不超標(biāo)，在110 kPa 排氣背壓下匹配增壓器時(shí)重點(diǎn)關(guān)注最高燃燒壓力和增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖8 所示。在高背壓時(shí)功率急劇下降，需重點(diǎn)關(guān)注，在190 kPa 排氣背壓下匹配增壓器時(shí)柴油機(jī)功率的變化規(guī)律如圖9 所示。可以看到，隨著渦輪流通面積減小（增壓器5 到增壓器1），增壓器的轉(zhuǎn)速上升，壓氣機(jī)的壓比增加，增壓壓力升高，進(jìn)入氣缸的空氣量增大，從而使柴油機(jī)功率增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高。從圖8 中可知，在110 kPa排氣背壓下，隨著渦輪流通截面積的減小，缸內(nèi)最高燃燒壓力達(dá)到原機(jī)的119%，增壓器1 轉(zhuǎn)速超過了其最大轉(zhuǎn)速（60 000 r/min）。而從圖9 中可知，在190 kPa 排氣背壓下，渦輪流通截面積越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越高，但渦輪流通截面積太小增壓器轉(zhuǎn)速會(huì)超過限制。綜上，選擇增壓器2 進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖8 110 kPa 背壓下匹配5 種增壓器時(shí)的最高燃燒壓力和轉(zhuǎn)速比較

圖9 190 kPa 背壓下匹配5 種增壓器時(shí)的功率比較

為了考察增壓器2 的表現(xiàn)，分別在100 kPa、110 kPa、130 kPa、150 kPa、170 kPa 和190 kPa 情況下與原機(jī)進(jìn)行功率、燃油消耗率及增壓器效率等多方面的對(duì)比，如圖10 所示。匹配小截面增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)在中高背壓下的功率大于原機(jī)功率。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)高排氣背壓的情況下，原機(jī)渦輪的膨脹比下降，增壓器轉(zhuǎn)速降低，壓氣機(jī)增壓比減小，增壓器效率降低，進(jìn)入氣缸的空氣量減小，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率減小，燃油消耗率增加。更換流通面積小的增壓器后改善了這些情況，發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升，燃油消耗率降低。在發(fā)動(dòng)機(jī)低排氣背壓下，與原機(jī)匹配的渦輪增壓器工作在設(shè)計(jì)工況附近，進(jìn)氣流量下降較小，發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油消耗率變化不大；而對(duì)于小截面增壓器，其膨脹比過大，增壓器轉(zhuǎn)速急劇上升，壓氣機(jī)在喘振邊界附近工作，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，燃油消耗率增加。100 kPa、110 kPa 背壓下兩增壓器效率相差不大，而130 kPa～190 kPa 背壓下新增壓器效率大于原增壓器效率。

圖10 不同背壓下匹配新舊增壓器時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、油耗及增壓器效率比較

由圖10 可知，在100 kPa～130 kPa 背壓下匹配增壓器2 的柴油機(jī)功率小于原機(jī)功率，而在150 kPa～190 kPa 背壓下的功率表現(xiàn)則遠(yuǎn)好于原機(jī)。對(duì)于長期工作在140 kPa 以上高背壓條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇增壓器2 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和增壓器效率高，燃油消耗率低。

4 不同排氣背壓下的發(fā)動(dòng)機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化

前述研究發(fā)現(xiàn)，排氣背壓的增加使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性急劇惡化，同時(shí)渦輪前排氣溫度急劇上升，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加。雖然在匹配新的增壓器后其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到一定改善，依舊存在通過優(yōu)化油-氣的匹配提升性能并降低油耗的可能。擬在130 kP 和170 kPa 排氣背壓下，通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。噴油相關(guān)參數(shù)包括噴油量、噴油正時(shí)和噴油脈寬等，而配氣相關(guān)參數(shù)包括進(jìn)排氣正時(shí)、氣門開啟持續(xù)時(shí)間及氣門升程等。

4.1 優(yōu)化目標(biāo)

以發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃油消耗率為優(yōu)化目標(biāo)，以渦輪前排氣溫度約束與原機(jī)一致和最高燃燒壓力不超過原機(jī)的120% 為約束條件，以實(shí)現(xiàn)其高排氣背壓下的最大功率輸出，其優(yōu)化目標(biāo)及約束參數(shù)如表3所示。如此設(shè)計(jì)約束是因?yàn)椋涸瓩C(jī)機(jī)械負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)有一定余量，最高燃燒壓力約束放寬到120%；渦輪增壓器長時(shí)間工作時(shí)對(duì)渦輪前排氣溫度有要求，約束與原機(jī)一致。

表3 高背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化目標(biāo)與約束

4.2 優(yōu)化參數(shù)

計(jì)算中將進(jìn)/排氣正時(shí)、進(jìn)/排氣持續(xù)期、排氣門升程、噴油量、噴油正時(shí)和噴油持續(xù)期設(shè)置為優(yōu)化變量。發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是是機(jī)械式氣門系統(tǒng)，優(yōu)化計(jì)算中氣門升程曲線根據(jù)排氣門升程的變化進(jìn)行縱向的拉伸或壓縮，其中凸輪尺寸的變化經(jīng)計(jì)算滿足動(dòng)力約束，噴油壓力被約束在75 MPa～95 MPa 之間。各參數(shù)的單位、初始值及變化范圍如表4 所示。

表4 配氣、噴油系統(tǒng)參數(shù)初始值及變化范圍

4.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型

式中，i為粒子編號(hào)；j為解空間的維數(shù)；vij為粒子i的速度；xij為粒子i的位置；t為迭代次數(shù)；c1和c2為加速度系數(shù)，設(shè)置為2；r1和r2為在［0，1］范圍內(nèi)隨機(jī)生成的數(shù)字；w為慣性權(quán)重，用于平衡算法的局部和全局搜索能力(t)為個(gè)體最優(yōu)解(t)為群體最優(yōu)解。

圖11 給出了粒子群優(yōu)化算法的計(jì)算過程，主要包括以下步驟：（1）初始化一個(gè)粒子群，隨機(jī)產(chǎn)生10 個(gè)個(gè)體，每個(gè)個(gè)體的維度為優(yōu)化參數(shù)的個(gè)數(shù)8；（2）根據(jù)初始種群計(jì)算目標(biāo)值函數(shù)，目標(biāo)值函數(shù)包括功率、油耗和殘余廢氣系數(shù)；（3）搜索個(gè)體最優(yōu)解和群體最優(yōu)解；（4）執(zhí)行迭代計(jì)算；（5）迭代計(jì)算完成后，輸出最優(yōu)解。圖中T為進(jìn)化代數(shù)，Tmax為最大進(jìn)化代數(shù)。

圖11 粒子群優(yōu)化算法計(jì)算流程

本研究中以GT-Power/Isight 聯(lián)合仿真的方式，采用粒子群算法來進(jìn)行不同排氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)配氣和噴油系統(tǒng)的優(yōu)化，包括發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power 模型、Isight 優(yōu)化模型及模型間的數(shù)據(jù)流文件3 個(gè)部分，如圖12 所示。GT-Power 模型編譯生成DAT和BAT 等文件，將功率、燃油消耗率等參數(shù)反饋給Isight 優(yōu)化模型；Isight 優(yōu)化模型將每個(gè)粒子的參數(shù)輸入給編譯文件，如此循環(huán)進(jìn)行聯(lián)合仿真。

圖12 GT-Power/Isight 聯(lián)合仿真模型數(shù)據(jù)流

優(yōu)化算法選用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，把功率和燃油消耗率設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)權(quán)重設(shè)置為1∶1，種群大小設(shè)置為10，進(jìn)化代數(shù)為20［12，19］。目標(biāo)值函數(shù)計(jì)算式見式（4）。

式中，O 為目標(biāo)值函數(shù)；B為燃油消耗率；P為輸出功率。

4.4 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化過程以170 kPa 排氣背壓為例進(jìn)行介紹。利用粒子群算法對(duì)2 種背壓下的8 個(gè)參數(shù)進(jìn)行200次迭代優(yōu)化，隨著迭代次數(shù)的增加其目標(biāo)值逐漸減小，迭代次數(shù)大于142 時(shí)目標(biāo)值函數(shù)下降較慢且趨于穩(wěn)定，計(jì)算收斂較好，如圖13 所示。優(yōu)化初期功率和燃油消耗率的波動(dòng)較大，優(yōu)化過程中功率逐漸升高，燃油消耗率逐漸降低，波動(dòng)也慢慢下降，最終功率逐漸收斂至0.942，比優(yōu)化前的0.858 上升9.9% 左右。燃油消耗率在優(yōu)化后期穩(wěn)定在1.127附近，比優(yōu)化前的1.165 下降3.2%。隨著迭代次數(shù)的增加，最高燃燒壓力總體呈上升趨勢，除了個(gè)別算例外均滿足小于1.2 的約束條件。隨迭代次數(shù)增加，殘余廢氣系數(shù)總體呈下降趨勢，渦輪前排氣溫度無明顯上升或下降趨勢，部分算例超過了渦輪前排氣溫度622 ℃的限制條件。

圖13 170 kPa 背壓下多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與收斂趨勢

功率和油耗間的Pareto 權(quán)衡結(jié)果如圖14 所示。優(yōu)化目標(biāo)是功率越高越好，燃油消耗率越低越好，即最優(yōu)值位于圖的右下角。

圖14 Pareto 權(quán)衡結(jié)果

優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、燃油消耗率和原機(jī)的對(duì)比如圖15 所示，兩種排氣背壓下優(yōu)化參數(shù)的對(duì)比如表5 所示。優(yōu)化結(jié)果表明，排氣背壓為170 kPa 時(shí)，相比原機(jī)，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低3.2%，渦輪前排氣溫度降低13.8%，最高燃燒壓力升高了25.4%，輸出功率提高近10%。排氣背壓為130 kPa 時(shí)，相比原機(jī)，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高10.2%，油耗降低0.6%，殘余廢氣系數(shù)降低27.2%，其余參數(shù)也在約束條件之內(nèi)。

表5 兩種排氣背壓下優(yōu)化參數(shù)的對(duì)比

圖15 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

兩種背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)配氣和噴油系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表6 所示。兩種背壓下的最優(yōu)參數(shù)中，共同點(diǎn)是進(jìn)氣正時(shí)延后，排氣正時(shí)提前，排氣持續(xù)期與噴油持續(xù)期保持不變，噴油量增加，這使得氣門重疊角減小，高排氣背壓下缸內(nèi)廢氣倒灌程度減小，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)降低，充量系數(shù)的增加使得缸內(nèi)熱負(fù)荷和渦輪前排氣溫度下降，缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變好，燃油消耗率降低。優(yōu)化的渦輪前排氣溫度和殘余廢氣系數(shù)能使噴油量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率得到提高。雖然噴油量和充氣效率的升高也使得最高燃燒壓力增加，但仍在約束范圍內(nèi)。

表6 優(yōu)化前后的配氣、噴油系統(tǒng)參數(shù)

5 結(jié)論

（1）排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和熱負(fù)荷影響顯著，排氣背壓由100 kPa 升高到190 kPa 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率嚴(yán)重下降；渦輪前排氣溫度先大幅上升，在150 kPa時(shí)達(dá)到最大值，然后下降。

（2）為原機(jī)匹配適當(dāng)減小流通截面積的增壓器后，在100 kPa～140 kPa 低排氣背壓工況下發(fā)動(dòng)機(jī)功率及油耗表現(xiàn)雖不如原機(jī)，但在140 kPa～190 kPa 高背壓工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率較原機(jī)顯著上升，燃油消耗率顯著下降。

（3）采用粒子群優(yōu)化算法，通過多目標(biāo)優(yōu)化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣、噴油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)在170 kPa背壓下的功率提高9.9%，油耗降低3.2%，殘余廢氣系數(shù)降低48.4%，渦輪前排氣溫度下降99.3℃，有效改善了高排氣背壓給增壓發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降及熱負(fù)荷問題。