论文部分内容阅读
非道路用柴油机污染物排放问题日益突出,特别是受结构、成本限制的小功率单缸柴油机,面对居高不下的市场需求和愈发严格的排放限值,其关键技术升级和产品更新已经到了刻不容缓的地步。本文以某厂生产的186FA非道路用单缸柴油机为研究对象,采用一维与三维数值仿真相结合的方法,研究进气及燃烧系统主要参数对发动机动力和排放性能的影响规律。在此基础上,引入基于代理模型的多目标优化方法,通过优化匹配油、气、室关键参数来达到降低柴油机Soot和NOx排放的目的。主要研究工作及结论如下:(1)采用GT-POWER和CONVERGE软件建立了186FA柴油机缸内工作过程一维和三维仿真模型,并对三维模型进行了网格无关性检验,最后通过台架试验验证了一维和三维仿真模型的可靠性。其中,三维模型所需初始和边界条件来自于一维模型仿真结果。(2)应用所建发动机工作过程三维数值仿真模型,研究了进气涡流、喷油角度、喷油正时、喷油持续期四参数对发动机动力和排放性能的影响,获得了各参数对发动机性能的影响规律。(3)以进气涡流比、喷油角度、喷油正时和喷油持续期为设计变量,发动机平均指示压力、Soot和NOx排放指标为响应变量,采用试验设计与发动机燃烧过程三维数值仿真方法构建样本库,基于MATLAB平台建立了基于遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP)代理模型。样本测试结果显示该模型具有较强的鲁棒性和泛化能力,可近似代替三维仿真模型进行下一步研究。(4)耦合第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)与上述代理模型形成完整的多目标优化模型,实现柴油机Soot与NOx排放的双目标优化,得到帕累托(Pareto)最优解集,即进气涡流比、喷油角度、喷油正时和喷油持续期四参数的优化匹配方案集。最后取Pareto最优解集中三个典型的四参数匹配方案,即Soot排放最优、NOx排放最优及Soot-NOx等权重排放最优,通过发动机燃烧过程三维数值仿真验证了多目标优化结果的可靠性,结果表明三个匹配方案均能有效降低Soot和NOx排放量。(5)为了实现上述进气、喷油系统参数与燃烧室的优化匹配,对原机燃烧室结构进行改进,包括减小径深比、增大凹坑径深等,然后基于上述多目标优化方法,为改进后的燃烧室匹配合理的进气和喷油系统参数,实现油、气、室三者全面优化,进一步降低排放。结果表明,针对不同燃烧室,合理的进气、喷油参数范围不同,改进后的燃烧室在经过进气与喷油系统参数优化匹配后,其排放性能更佳,以Soot和NOx排放等权重优化方案为例,Soot和NOx排放性能较原机分别提高了27.9%和27.2%。