相繼增壓柴油機(jī)廢氣再循環(huán)性能評估及最優(yōu)決策

祖象歡,楊傳雷,王賀春,王銀燕

(哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院,150001,哈爾濱)

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格,國際海事組織在2008年出臺了一項(xiàng)國際性防止船舶造成空氣污染的法律法規(guī),對船舶柴油機(jī)氮氧化物(NOx)的排放進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。作為目前降低船舶柴油機(jī)NOx排放的主要措施[1],廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。EGR技術(shù)的關(guān)鍵在于克服柴油機(jī)高工況下增壓壓力高于排氣壓力導(dǎo)致的EGR廢氣回流困難的問題,以保證足夠的廢氣回流到進(jìn)氣管并合理控制EGR率。目前公開的文獻(xiàn)中關(guān)于EGR的研究主要包括EGR的實(shí)現(xiàn)方式[2-3]、EGR仿真與建模[4]、EGR特性實(shí)驗(yàn)[5-6]以及EGR控制策略研究[7-8]等方面,而關(guān)于增壓柴油機(jī)EGR性能評估等方面的研究尚少。不同EGR率對柴油機(jī)的燃燒與排放性能影響不同,在確定最佳EGR率時必須兼顧柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能,既要盡可能地降低廢氣中的NOx,又要盡可能小地影響顆粒等其他污染物的排放。

目前普遍采取的辦法是通過大量實(shí)驗(yàn)獲取柴油機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,主觀制定相應(yīng)的確定原則,從而得到實(shí)驗(yàn)工況下的最佳EGR率。由于不同學(xué)者研究的目的和側(cè)重點(diǎn)不同,因此各自制定的原則也有所不同。楊帥等在確定最佳EGR率時采取13個工況點(diǎn)顆粒不超過原機(jī)為原則[9];鄭清平等建立帶EGR率增壓中冷柴油機(jī)Boost計(jì)算模型,首先以不過度降低扭矩、增加燃油消耗率和碳煙排放為原則選取較低EGR率,其次考慮13個工況排放實(shí)驗(yàn)中每一個工況的排放量占總實(shí)驗(yàn)工況的總排放量的比例,將總排放量降至最低水平作為最終目標(biāo),從而最終確定最佳EGR率[10];王迎迎等通過分析功率、油耗和煙度隨EGR率變化的趨勢,綜合判定給出不同工況點(diǎn)的最佳EGR率[11];張振東等在PM不超過原機(jī)的基礎(chǔ)上,考慮油耗的增加程度、NOx的改善程度等綜合因素,低負(fù)荷時選擇高EGR率,高負(fù)荷時選擇低EGR率[12];張振坤等以中高負(fù)荷選擇較大EGR率、低負(fù)荷采取較低EGR率為基本原則,通過分析燃油消耗率、煙度等參數(shù)隨EGR率變化曲線的斜率來確定相應(yīng)的最佳EGR率[13];杜俊等通過實(shí)驗(yàn)研究柴油機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)隨EGR率的變化情況,綜合分析柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性,確定各個工況的最佳EGR率[14]。

雖然上述方法可以成功解決最佳EGR率的決策問題,但是存在一些共同的缺點(diǎn)。例如:過于單純依賴主觀判斷,缺乏客觀性;過度依賴數(shù)據(jù)的完整性,不適用于“小樣本、貧數(shù)據(jù)”等問題。鑒于多目標(biāo)灰色局勢決策理論在針對若干方案中選擇最好方案的決策問題上的獨(dú)特優(yōu)勢[15-18],本文將其引入到最佳EGR率的決策問題中,通過特定的數(shù)學(xué)模型來發(fā)掘柴油機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),從而對不同EGR率下柴油機(jī)的綜合性能進(jìn)行優(yōu)劣評估。

綜上所述,本文以TBD234V12相繼增壓柴油機(jī)為研究對象,以EGR性能評估及最佳EGR率決策問題為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合不同工況下EGR運(yùn)行特點(diǎn)和優(yōu)化要求,提出了一種基于主客觀綜合賦權(quán)優(yōu)化的多目標(biāo)灰色局勢決策方法。該方法融合了傳統(tǒng)灰色局勢決策、灰關(guān)聯(lián)分析法以及熵權(quán)法各自的優(yōu)點(diǎn),以不同評價指標(biāo)對應(yīng)的參數(shù)為輸入,通過發(fā)掘各個參數(shù)指標(biāo)之間內(nèi)在的變化關(guān)系來建立主客觀賦權(quán)優(yōu)化權(quán)重的多目標(biāo)灰色局勢決策模型,通過該模型可以直接輸出不同EGR方案對應(yīng)的性能優(yōu)劣排序,有助于解決目前主流方法中存在的過于依賴主觀判斷的問題,為增壓柴油機(jī)EGR性能評估及進(jìn)一步優(yōu)化研究提供了一種新的研究思路?；贛atlab Guide設(shè)計(jì)和建立了增壓柴油機(jī)EGR性能評估及決策仿真平臺,提高了建模仿真效率。

1 EGR性能評估優(yōu)化模型的建立

1.1 基本理論知識

考慮到不同工況EGR運(yùn)行特點(diǎn)和要求的不同,在建模中分別引入了多目標(biāo)灰色局勢決策、灰關(guān)聯(lián)分析法及熵權(quán)法。通過灰色局勢決策建立的數(shù)學(xué)模型可定量計(jì)算不同方案的綜合效果測度[15,19];通過灰關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算不同序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度,從而達(dá)到優(yōu)化的目的[15,19];通過熵權(quán)法能夠有效反映數(shù)據(jù)隱含的信息,增強(qiáng)指標(biāo)的差異性,達(dá)到全面反映各類信息的目的[20]。

1.2 決策目標(biāo)的選擇

不同EGR率對柴油機(jī)燃燒與排放改善效果不同,如何取得二者之間的合理折衷是評價EGR性能的重點(diǎn)。評價指標(biāo)的選取應(yīng)該盡可能兼顧柴油機(jī)燃燒和排放性能,分別選取燃油消耗率、缸內(nèi)爆壓、NOx的排放量、煙度以及CO的排放量等5個參數(shù)作為決策目標(biāo)。EGR的主要實(shí)現(xiàn)目的在于降低NOx污染物排放,因此定義NOx的排放量為主要決策目標(biāo),其他4個參數(shù)為次要決策目標(biāo)。

1.3 決策目標(biāo)權(quán)重優(yōu)化

最佳EGR率的確定實(shí)質(zhì)上是尋求柴油機(jī)燃燒與排放性能之間的最佳折衷,而如何將這種折衷體現(xiàn)到優(yōu)化模型中是首要考慮的問題。由于不同決策目標(biāo)分別代表柴油機(jī)不同方面的性能,同時考慮到?jīng)Q策目標(biāo)權(quán)重在決策模型中的作用,在優(yōu)化模型中,通過調(diào)整目標(biāo)權(quán)重ηk(k=1,2,3,4,5)來替代柴油機(jī)燃燒及排放性能之間的折衷關(guān)系,其對應(yīng)的決策權(quán)重值分別為η1、η2、η3、η4及η5。

傳統(tǒng)多目標(biāo)灰色決策模型中普遍采用主觀賦權(quán)法來確定決策目標(biāo)權(quán)重,該方法雖然能夠發(fā)揮專家或技術(shù)人員的專業(yè)知識及經(jīng)驗(yàn),具有一定的專業(yè)性,但是具有較大的主觀性和隨意性,會對評估決策結(jié)果造成影響。同時考慮到EGR性能評估問題的多因素性,無論主觀賦權(quán)或者客觀賦權(quán)均無法充分滿足EGR性能評估問題的特點(diǎn),因此考慮結(jié)合不同工況EGR性能的特點(diǎn),采取主客觀綜合賦權(quán)法來對決策目標(biāo)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化。

步驟1為了有效降低NOx排放,船舶柴油機(jī)EGR率的控制原則大致如下:①在怠速、暖機(jī)時,不采用EGR循環(huán),低負(fù)荷時,采用較小EGR率[14];②柴油機(jī)在加速過渡過程中,宜采用較低EGR率,隨著負(fù)荷的增加,EGR率應(yīng)相應(yīng)地增加,但要控制在一定的范圍內(nèi)[14];③高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時,宜采用較大EGR率[13]。

基于上述原則,本文考慮根據(jù)柴油機(jī)不同負(fù)荷工況,通過專家經(jīng)驗(yàn)打分來確定主要決策目標(biāo)NOx的排放量的權(quán)重值。首先假設(shè)5個決策目標(biāo)均等重要,因此初始權(quán)值均為0.2,得到初始決策結(jié)果,通過分析初始決策結(jié)果與EGR實(shí)際運(yùn)行趨勢和優(yōu)化要求對比,從而逆推調(diào)整η3的權(quán)值。最終,NOx的權(quán)重的經(jīng)驗(yàn)確定規(guī)則如下:①若柴油機(jī)處于低負(fù)荷工況(小于25%負(fù)荷),NOx排放濃度較低,EGR降低NOx排量的效果一般,為了保證柴油機(jī)工作的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,宜采取較低EGR率,因此令NOx權(quán)重η3=0.3;②若柴油機(jī)處于中高負(fù)荷(大于75%負(fù)荷),NOx排放濃度較高,EGR降低NOx排量的效果顯著,為了有效降低柴油機(jī)NOx排放污染物,宜采用較大EGR率,因此令NOx權(quán)重η3=0.5;③柴油機(jī)負(fù)荷介于①、②兩者之間時,令η3=0.4。

(1)

該關(guān)聯(lián)系數(shù)ri(i=1,2,3,4)代表次要決策目標(biāo)與主要決策目標(biāo)NOx的排放量的貼近程度。

步驟3已知η3和ri,由式ri(1-η3)求解其他4個次要決策目標(biāo)權(quán)重值ηk(k=1,2,4,5),并構(gòu)成初始主觀權(quán)重ηk(k=1,2,3,4,5)。

步驟4構(gòu)建原始評價矩陣,通過熵權(quán)法求得客觀權(quán)重αk(k=1,2,3,4,5),并最終求得綜合權(quán)重

(2)

該優(yōu)化方法結(jié)合EGR運(yùn)行特點(diǎn)和要求,以NOx權(quán)重為中心,通過灰關(guān)聯(lián)分析法求得其他評價指標(biāo)與NOx的貼近程度,進(jìn)而利用貼近程度來求解其他權(quán)重,并引入熵權(quán)法削弱主觀賦權(quán)帶來的主觀誤差,提高評價的客觀合理性。

2 具體建模步驟

步驟2根據(jù)柴油機(jī)不同工況,通過專家打分和灰關(guān)聯(lián)分析法求解初始主觀權(quán)重ηk(k=1,2,3,4,5),再通過熵權(quán)法求得客觀權(quán)重αk(k=1,2,3,4,5),并最終求得綜合權(quán)重βk(k=1,2,3,4,5)。

步驟3求解相應(yīng)的綜合效果測度矩陣R,根據(jù)最優(yōu)決策原則,對不同EGR方案進(jìn)行優(yōu)劣排序,并得到最佳EGR率。

3 基于Guide的仿真優(yōu)化平臺

圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境(Guide)是Matlab軟件中一個重要功能模塊,主要用于快捷創(chuàng)立圖形用戶界面(GUI)對象,因其具有操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的仿真研究。GUI的創(chuàng)立大致分為3部分:構(gòu)建基本功能框架、選擇控件并設(shè)計(jì)GUI界面,以及最后的編寫回調(diào)函數(shù)、激活相應(yīng)控件。

為了避免建模過程中由編程帶來的不便,同時提高建模仿真計(jì)算的效率,采用Matlab/Guide設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了EGR的性能評估及決策GUI,最終編譯生成可以獨(dú)立運(yùn)行的EGR性能評估及決策仿真優(yōu)化平臺。用戶只需要將EGR性能參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入該平臺,即可快速完成不同工況下的EGR性能評估及最優(yōu)決策,并將結(jié)果輸出至指定位置以方便后處理分析。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取

研究對象為某型相繼增壓柴油機(jī),柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 TBD234V12柴油機(jī)主要性能參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)原機(jī)為V型柴油機(jī),通過對系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)并建立了文丘里管式高壓EGR系統(tǒng)。具體臺架實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺架實(shí)物圖

由于實(shí)驗(yàn)條件限制,為了保證柴油機(jī)穩(wěn)定工作,最高EGR率限制在15%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)選取低、中、高3個轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn),每個轉(zhuǎn)速依次選取25%、50%、75%負(fù)荷共計(jì)9個工況點(diǎn),其中6個工況點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

4.2 驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.2.1 低負(fù)荷工況 在負(fù)荷不高的情況下,NOx排放量不高,應(yīng)該更多兼顧柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性,因此宜采用較低EGR率。工況1、2分別表示不同轉(zhuǎn)速下25%負(fù)荷工況。以工況1為例,EGR率分別選取2.4%、4.6%、8.6%、10.4%及11.6%,該工況下各指標(biāo)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成了效果樣本矩陣

U=

矩陣中行向量依次代表燃油消耗率、缸內(nèi)爆壓、NOx的排放量、煙度和CO的排放量;列向量代表不同EGR率。

從具體實(shí)施內(nèi)容來講，智能樓宇通常包括安防監(jiān)控、出入口控制（門禁、停車場）、入侵防范、電梯控制、供配電、空調(diào)新風(fēng)、照明控制、停車場管理、廣播、信息發(fā)布和能耗統(tǒng)計(jì)等數(shù)十個信息化子系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)將上述子系統(tǒng)歸納為五類，分別是建筑設(shè)備自動化（BA）、通訊自動化（CA）、辦公自動化（OA）、火災(zāi)報警與消防自動化（FA）以及安全防范自動化（SA），即智能樓宇5A系統(tǒng)[2]。

步驟1求得k目標(biāo)下一致效果測度矩陣

V=

步驟2求解初始主觀權(quán)重。由于工況1處于低工況點(diǎn),故η3=0.3。構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)序列如下:

母序列X0=(423 376.99 329.65 287.32 251.2 231.3)

子序列

X1=(297.4299.2302.5305.6310.6313.1)

X2=(5.954 75.800 15.558 35.467 15.431 85.309 4)

表2 部分工況點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

X3=(0.0340.0460.0490.0580.090.14)

X4=(324336.37354.73395.36504.82633.94)

ri=(0.267 8 0.293 7 0.209 1 0.229 4)

初始主觀權(quán)重

ηk=(0.187 4 0.205 6 0.300 0 0.146 3 0.160 6)

步驟3求解綜合權(quán)重。利用熵權(quán)法求得客觀權(quán)重

αk=(0.254 7 0.180 5 0.198 8 0.177 3 0.188 7)

綜合權(quán)重為

βk=(0.237 8 0.184 9 0.297 1 0.129 3 0.151 0)

步驟4求解綜合效果測度矩陣

R1=[0.885 2 0.902 7 0.900 1 0.873 5 0.820 3]

由結(jié)果可知,工況1下當(dāng)EGR率為4.6%時取得的綜合效果測度值最高,EGR率為11.6%時最低。同時可以看出,當(dāng)EGR率低于10%左右時,對應(yīng)的綜合性能評估值相差不是很大,當(dāng)EGR率升高至10%左右時,隨著EGR率的升高綜合性能評估值下降較為明顯,說明該工況下較高EGR率會對柴油機(jī)的綜合性能造成較為明顯的不良影響,因此宜采用較小EGR率。

同理,可得工況2下綜合效果測度矩陣

R2=[0.849 2 0.847 4 0.839 4 0.834 3 0.832 6]

當(dāng)EGR率為1.5%時取得的綜合效果測度值最高,EGR率為12.6%時最低。由結(jié)果可以看出:當(dāng)EGR率小于7.8%左右時,不同EGR率對應(yīng)的綜合評估值差別不大;隨EGR率的不斷升高對應(yīng)的綜合評估值相應(yīng)地呈減小趨勢,特別地,當(dāng)EGR率大于9.5%時,隨著EGR率的升高,對應(yīng)的綜合性能評估值下降的較為明顯。

4.2.2 高負(fù)荷工況 在高負(fù)荷工況下,NOx排放量較高,為了滿足船用柴油機(jī)NOx排放要求,宜采用較高EGR率,達(dá)到有效降低NOx的目的。工況3、4分別代表不同轉(zhuǎn)速下75%負(fù)荷工況。在確定初始主觀權(quán)重時,令η3=0.5。通過仿真計(jì)算可得工況3和工況4優(yōu)化后的綜合效果測度矩陣分別為

R3=[0.826 0 0.831 2 0.845 6 0.878 8 0.895 4]

R4=[0.837 1 0.851 5 0.897 1 0.915 9 0.887 1]

由結(jié)果可知,在工況3、4下,最佳EGR率分別為11.6%和9.7%。小EGR率對應(yīng)的評估值最低,說明該工況小EGR率對柴油機(jī)的改善情況最差。隨著EGR率的升高,二者綜合評估值呈增大趨勢,且當(dāng)EGR率大于8%時,評估值增大較為明顯。其中,工況4下EGR率升高至11.1%時,綜合評估值反而減小,分析其原因?yàn)?該工況屬于高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況,過高的EGR率可能會對柴油機(jī)的動力性造成不良影響,因此導(dǎo)致綜合評估值下降。綜上所述,在高負(fù)荷工況下宜采用較高EGR率,而過高EGR率會對柴油機(jī)產(chǎn)生負(fù)面影響。

4.2.3 中等負(fù)荷 隨著負(fù)荷的增加,NOx排放也逐漸升高,宜適當(dāng)提高EGR率。工況5、6分別表示不同轉(zhuǎn)速下50%負(fù)荷工況。同理,仿真計(jì)算可得工況5、6優(yōu)化后的綜合效果測度矩陣分別為:

R5=[0.876 8 0.872 7 0.887 1 0.873 0 0.870 9];

R6=[0.883 7 0.879 9 0.901 9 0.922 6 0.892 0]。

由結(jié)果可知,在工況5和工況6下最佳EGR率分別為7.5%和9.1%,隨著EGR率的升高,綜合評估值大致呈先增大后減小的趨勢,分析其原因?yàn)?工況5、6分別代表不同轉(zhuǎn)速下中等負(fù)荷,該負(fù)荷下NOx排放量隨著轉(zhuǎn)速的不斷提升而增加,過低的EGR率并不能滿足有效降低NOx的要求,因此有必要適當(dāng)提高EGR率,但是為了保證EGR率的增加不會對柴油機(jī)的動力性能造成過多損失,應(yīng)該控制EGR率在一定范圍內(nèi),因此在綜合評估值方面,當(dāng)EGR率過高時,評估值反而下降。

綜上分析,通過優(yōu)化評估及決策結(jié)果可以看出:在低負(fù)荷工況下,由于NOx排放濃度較低,應(yīng)該更多兼顧柴油機(jī)的動力及經(jīng)濟(jì)性,因此宜采用較小EGR率;隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加,宜適當(dāng)增加EGR率。在高負(fù)荷工況下,NOx排放濃度較高,為了盡最大可能降低排放性能,宜采用較高的EGR率。這與目前增壓柴油機(jī)EGR性能特點(diǎn)基本保持一致,也說明了該優(yōu)化模型及方法的有效性,對增壓柴油機(jī)EGR性能評估及最優(yōu)決策具有一定的參考意義。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,本文實(shí)驗(yàn)中最高EGR率被限制在15%之內(nèi),但是這不影響本文研究的核心思想,本文主要目的是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探索一種同時適用于“大數(shù)據(jù)”和“小數(shù)據(jù)”場合的優(yōu)化決策方法,以緩解目前主流方法中對主觀判斷的依賴,為船舶柴油機(jī)EGR性能的評估及最佳EGR率的確定提供一種新的研究思路。

5 結(jié) 論

針對增壓柴油機(jī)EGR性能評估及最優(yōu)決策問題,提出了一種基于優(yōu)化多目標(biāo)灰色決策的評估方法,并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了仿真優(yōu)化平臺,具體結(jié)論如下:

(1)多目標(biāo)灰色局勢決策可以成功應(yīng)用于船舶增壓柴油機(jī)EGR性能評估及最佳EGR率的決策問題。柴油機(jī)燃燒與排放性能之間的最佳折衷可以轉(zhuǎn)化為模型評價指標(biāo)之間的權(quán)重問題;通過灰色關(guān)聯(lián)分析法及熵權(quán)權(quán)重優(yōu)化方法,既可以發(fā)揮主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)的優(yōu)點(diǎn),又能將增壓柴油機(jī)EGR運(yùn)行特點(diǎn)融入到優(yōu)化模型中,使得最終的決策結(jié)果更合理。

(2)當(dāng)增壓柴油機(jī)處于低負(fù)荷時,低EGR率對應(yīng)的綜合評估值較高,且EGR率低于10%時,不同EGR率的綜合評估值相差不大;當(dāng)EGR率大于10%左右時,綜合評估值下降較快,因此宜采用較低EGR率。當(dāng)柴油機(jī)處于高負(fù)荷時,隨著EGR率的增大,其對應(yīng)的綜合評估值也隨之增大,當(dāng)EGR率增加至8%左右時,不同EGR率對應(yīng)的綜合評估值增大較為明顯,但是過高的EGR率會造成綜合評估值減小,因此宜適當(dāng)采用較高EGR率,但不宜過高。當(dāng)柴油機(jī)處于中等負(fù)荷時,隨著EGR率的增加,對應(yīng)的綜合評估值基本呈先上升后減小的趨勢,但是變化較為緩和,因此宜適當(dāng)增加EGR率。

(3)基于Matlab Guide實(shí)現(xiàn)增壓柴油機(jī)EGR性能評估及決策仿真平臺的設(shè)計(jì)和建立,具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn),可以有效提高建模仿真效率,具有良好的工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn):

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