基于Pareto前沿的采样方法以优化柴油机性能

作     者：吴长坤 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘明章

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：PF-Voronoi采样算法 柴油机 平均指示有效压力 Soot排放 NOX排放 

摘      要：柴油机燃烧和排放性能受多种运行参数控制。恰当的运行参数选择有助于改善燃烧性能和排放性能。然而,十余种运行参数使得柴油机的性能优化成为一个高维,多目标问题。因此,本文提出一种新的采样方法,并搭建了PFVNSGA-Ⅱ优化框架,结合一维、三维数值仿真,辅以试验验证手段,对柴油机燃烧性能和排放特性进行优化匹配,并进一步揭示多个运行参数耦合对柴油机性能的影响。首先,本文提出了一种基于Pareto前沿(PF)的采样算法,即PF-Voronoi采样方法,以解决中等规模多目标问题。接着,搭建了PFVNSGA-Ⅱ优化框架,并通过ZDT数学实例验证了其有效性。结果表明,MCC准则有助于提高PF的分布多样性,MLEC准则和MMMSEC准则分别减少了38.9%和21.7%的训练样本数量。与公开文献中的算法相比,该算法的计算量降低了44.2%以上。该算法可以应用于多学科、多目标的复杂系统。其次,采用PFVNSGA-Ⅱ和GEINSGA-II优化框架,以12个运行参数为变量,IMEP、NO排放量和soot排放量为目标进行柴油机性能的多目标优化,验证PFVNSGA-Ⅱ优化框架在实际工程问题上的适应性。研究显示,GEINSGA-II优化框架下的样本点分布多样性不如PFVNSGA-Ⅱ。PFVNSGA-Ⅱ优化框架在450个样本条件下达到收敛,表现出对柴油机性能优化问题具有较强的适应性。再次,在Pareto前沿解集中选择三个案例,采用GT-Power分析运行参数对其性能的影响。研究显示,喷油策略和喷油压力的共同作用导致EGR率提高对压升率的影响趋势有所差异;转速越低,柴油机IMEP提高越明显;增压配合高EGR率有效降低NO和soot排放;保持进气低温是提高发动机性能的有效措施;喷油压力和喷油策略影响着最佳喷油角的位置;一味提高喷油压力导致柴油机工作粗暴,降低热效率,提高NO排放。最后,采用CONVERGE对比了两个原始案例(案例a,案例b)和上述三个案例(案例1,案例2,案例3)的缸内燃烧过程,以揭示运行参数对柴油机缸内燃烧过程的影响。研究结果显示,对于单喷策略,推迟喷油至上止点之后避免了压缩负功;进气增压和高喷油压力有利于缸内充分燃烧,提高了案例2的IMEP和NO排放。采用高EGR率降低缸内氧浓度的同时,降低了燃烧温度,有力降低了NO的生成。此外,上止点后喷射导致更多混合气靠近缸盖底和壁面,形成淬熄层。低压喷油结合高EGR率加剧了淬熄层附近的混合气浓度。对于后喷策略,远离上止点喷油结合高EGR率有利于缸内混合气的均匀性,降低燃烧温度,并延长滞燃期。同时,大量混合气接触缸盖顶部,形成淬熄层。因此,相比于案例b,案例1的NO排放更少,但soot排放较高。而案例1更低的转速给予燃料更充分的燃烧时间,IMEP高于案例b。