作者简介：王继勇(1980—)，男，硕士研究生，研究方向：发动机燃烧与排放控制。收稿日期:2005-12-21
王继勇2
，李助军1
，刘晓婧1
，黄永全2
，何云信
1咸宁学院学报
(1.广西大学，广西南宁 530004;2.广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005)摘要：在发动机模拟软件AVL boost 上使用均匀试验设计方法安排了不同水平的喷孔直径、喷油压力、喷油提前角和燃烧室压缩比对柴油机性能影响的模拟试验。然后建立回归方程进行优化，模拟和优化结果的对比表明：均匀设计方法在大大减少试验次数的同时仍可获得对燃油消耗率、功率和NOx 排放的精确预测，其在发动机模拟计算上的应用是可行的。关键词：柴油机；均匀试验设计；多变量优化 中图分类号:T K 42 文献标识码:A 文章编号:1672-545X (2006)01-0006-03
前言
柴油机的优化是一个系统工程，不仅涉及到的因数较多而且许多因数间还存在交互作用，所以优化过程的工作量一般较大。均匀试验设计法[1]
，通过合理设计试验过程，使试验点具有“均匀分散”的特点，不但使试验的安排更有代表性，而且可减少试验次数，易于安排多水平试验。
以往均匀试验设计方法在柴油机上的应用多是针对两个因素，本文对多因素、多水平的柴油机优化中进行了尝试。由于台架试验的不确定因素较多，所以先在发动机模拟软件上做探索性研究。
1 模拟模型和试验方案
现有多种成熟的发动机模拟软件，均具有较高的精度和可靠性。本文采用AVL boost 商用软件对YC 4112电控柴油机标定工况转速进行了模拟计算。根据发动机的结构及台架布置，建立模型的框架如图1。燃烧室部分选择AVL MCC 燃烧放热率模型、Woschni 1978传热模型，增压器选择简单模式。通过参数修正使模拟结果与原机接近。
模拟过程考虑四个因素：喷孔直径、喷油压力、喷油提前角和燃烧室压缩比对发动机燃油消耗率、功率和NOx 排放的影响。其对应的水平数如见表1
。
图1 YC4G 四气门柴油机计算模型
表1 因素、水平组合
因素 水平
喷孔直径(mm)喷油定时(CA.deg )喷油压力
x 3(M Pa )压缩比
x 410.18-1614517.520.19-1215517
30.20-8
165
40.2150.236
0.24
6
Equipm ent M anufacturing T echnolo gy No.1,2006
远程会诊 如表1所示各因素的最大水平数为6、最小为2，属于拟水平试验。根据王玉方编写的“均匀设计软件”来选择均匀设计表[2]。选择试验次数为最大水平数两倍的拟水平设计表“12×6×6×2”。方案如表2。
表2 试验方案
喷孔直径(mm)喷油定时
(CA.deg)
喷油压力
(M P a)
压缩比
0.21-1614517.5 0.18-1215517.5 0.19-816517.5 0.20-1616517.5 0.23-1214517.5 0.238-815517.5 0.21-1615517.0 0.18-1216517.0 0.19-814517.0 0.20-1614517.0 0.23-1215517.0 0.238-816517.0
表3 模拟计算结果
喷孔直径(mm)燃油消耗率
(g/kW・h)
N O x
(g/kW・h)
功率(kW)
0.21216.280215.60723159.99
0.18215.375712.62231160.65
0.19218.0328.550803158.70
0.20216.799515.10101159.61
关于党政机关厉行节约若干问题的通知0.23222.42788.456206155.59
0.238225.9885 5.858623153.14
0.21217.062214.87346159.41
0.18216.171712.10203160.06
0.19218.99518.155796158.00
0.20217.682814.21768158.96
0.23223.36178.103385154.94
0.238226.9484 5.651532152.49
2 模拟结果及优化分析
软件模拟结果如表3。根据数学理论，任何连续函数均可用足够高阶的多项式来任意逼近。因此，对于尚不知道的目标函数与优化变量的关系问题，不论其复杂程度，选用多项式回归都可满足要求[5]。以喷孔直径、喷油定时、喷油压力和压缩比为自变量，分别以功率、燃油消耗率和NOx排放为因变量，构造三个多元二项式回归方程，其通用式见式1。
y=c0+c1x1+c2x2+c3x3+c4x4+c5x1x2+c6x1x3 +c7x1x4+c8x2x3+c9x2x4+c10x3x4+c11x1x1+c12x2x2+c13x3x3+c14x4x4(1)
表4 变量对照表
x1x2x3x4y f y N y p
喷孔直径喷油定时喷油压力压缩比
燃油消
耗率
NOx功率
使用最小二乘法确定各方程的系数，通过变量筛选和模型显著性检验来获得最显著的回归方程。式2到式4分别是喷孔直径、喷油定时、喷油压力和压缩比对燃油消耗率、NOx排放和功率的最优回归方程。
mib y f=-301.8367+46.08248x1+15.08232x2-0.09860813x3- 2.518475x4+0.4943372x1x2+ 0.0047263
39x1x3+0.04274645x1x4-0.9803589x21 -0.2509516x22(2) R2=0.99998,F=11271.3991>F A=0.05(9,2)= 19.385,P=8.8715e-0.05<0.05
y N=637.0791-50.15x1+12.26428x2-0.35019x3- 3.75876x4-0.37623x1x2+ 0.018094x1x3+0.252883x1x4+0.91935x21+ 0.251778x22(3) R2=0.99969,F=709.1954>F A=0.05(9,2)= 19.385,P=0.0014088<0.05
y p=546.9065-34.53947x1+10.64718x2+ 0.05387951x3+ 1.731008x4-0.3570162x1x2-0.000735986x1x3+0.01192948x2x4-0.002152622x3x4+0.7159677x21+0.1797435x22(4) R2=1,F=29948.6848>F A=0.05(10,1)= 241.88,P=0.0044969<0.05
从上述回归方程可以看出R2几乎接近1,F远远大于F A(k,n-k-1),P均小于0.05，故回归显著，回归方程是可用的。
根据YC4112柴油机的实际运行情况和设计要求，建立以喷孔直径、喷油压力、喷油定时和压缩比为优化变量，燃油消耗率和NOx排放为优化目标函数，功率为优化约束条件，利用数学上有约束、非线性规划理论建立双目标优化模型。结果如表5。
m in y f(x1,x2,x3,x4)
m in y N(x1,x2,x3,x4)
s.t.: y p-157≤0
154-y p≤0
18≤x1≤24
-20≤x2≤0
150≤x3≤175
16.5≤x4≤17.5
7
《装备制造技术》 2006年第1期
表5 优化结果
喷孔直径(mm)
喷油定时
(CA.deg)
喷油压力
(M Pa)压缩比
燃油消耗率
(g/kW・h)
NOx
(g/kW・h)
0.198-9171.7517.4222.4808 4.7646
表6是优化结果与boo st模拟结果对比。可以看出，燃油消耗率的结果比较相近，误差不超过0.46%，而NOx排放的结果相差较大，不过误差也不超过9%，这表明回归方程的拟合效果是准确的。燃油消耗率优化结果的误差较小与式2中燃油消耗率回归方程更加显著是一致的，证明了研究中采用
的对回归方程显著性检验的方法是可靠的。
表6 优化结果与bo ost验证结果对比
燃油消耗率(g/kW・h)NO x(g/kW・h)
优化结果模拟结果优化结果模拟结果
222.4808221.4480 4.9857 5.412646
3 结论
本文使用均匀设计为多变量、拟水平试验安排模拟试验方案，在AVL boo st模拟计算的结果上采用回归分析和优化计算，结果表明:
(1)回归方程显著性检验的方法是准确可靠的;
(2)均匀设计方法在大大减少试验次数的同时仍可获得对各指标的精确预测，其在发动机多因素、多水平优化的应用是可行的;
(3)NOx在多元二项式方程中的回归显著性较差，有待寻精度更高的模型。
如来神掌之宇宙争雄
参考文献:
[1] 方开泰，王 元.均匀设计与均匀设计表[M].北京:莪术醇
科学出版社,1994.15～24.
[2] 王玉方.均匀设计和均匀设计软件[Z].讲稿,2003.
[3] 阎 伟，李国祥，徐秀兰.用均匀试验设计法优化直喷
式柴油机喷油系统[J].农业机械学报,2002(5)10～
12.
[4] 隆曙红，龚金科，刘孟祥.A V L BO OST软件应用于
HD6105ZL Q柴油机的性能分析与研究[J].移动电源
与车辆,2002(1)20～21.
[5] 林学东.车用柴油机燃烧系统参数优化及其流动分析
[C].吉林：吉林大学,2004.
Application of Uniform Design Experimentation
on Multivariable Optimization of Diesel Engine
WA N G Ji-yong2,LI Zhu-jun1,
LIU Xiao-qian1,HU A N G Yong-quan2,HE Y un-xin1
(1.Guang xi Univer sity,Nanning530004,China;
2.Yulin Diesel Engine Co.Ltd.,Yulin Guangx i537005,China)
Abstract:By using unifo rm design ex perimentation,a simulatio n test based o n AVL boost w as done to study the influence o f no zzle diameter,injectio n pr essure,injectio n timing and co mpression ratio on perform ance o f diesel eng ine.T est result pro ves that Unifor m Desig n Exper im entation achieves an accurate pr ediction of BSFC,pow er and NOx em issio n w hile reducing experiment times,and it is applicable to engine simulation calculation.
Key words:diesel engine;Unifor m Design Ex perimentation;multivariable optimization
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