论文摘要
在石油资源面临枯竭和温室效应日益严重的今天,柴油机热效率较高的特点显得更为重要,但柴油机的燃烧方式使其NOx和PM的排放都相对较高。随着人们环保意识的提高和排放法规的愈发严格,柴油机高排放问题必须得到解决。解决柴油机排放问题的难点在于NOx和PM之间的折衷（trade-off）。经过多年的努力,研究者发现：将燃油分次喷入燃烧室可同时降低NOx和PM,这种手段即多次喷射。但多次喷射的性能严重依赖具体的喷射参数,如果喷射参数选择的不好反而会恶化柴油机的性能。以往的实验研究很多是只单一改变某个因子来考察因子与实验结果的关系。考虑多个因子时,每次只改变一个因子的实验很难找到最优解。因子之间存在着交互作用,即当改变其他因子的水平时,所研究的因子与响应之间的关系会发生很大的变化。并且,这种实验的效率很低即进行很多次实验,但得到的关于系统的信息却很少。在实际实验时发现：当打开后喷并在标定系统中固定循环总喷油量及循环后喷油量时,实际由油耗仪测量得到的燃油消耗量随主后喷间隔的变化产生较大的波动,并且发动机的扭矩也产生大幅度的变化。通过对这一现象的深入分析,认为它是由主喷喷射结束的喷孔关闭事件所导致的高压油管中（指连接喷油器和共轨的这部分高压油管）燃油压力的脉动造成。本文将考虑五个因子对排放和经济性的影响,即共轨压力（因素A）、主喷正时（因素B）、主后喷间隔（因素C）、后喷循环油量（因素D）、EGR率（因素E）。为了利用较少的实验获得更多的信息,以及更准确的找到目标下的最优点,本文利用实验设计与统计分析的知识分析和处理数据。本文构建了后喷油量预测模型和排放模型（黑盒模型）,利用他们稳定多次喷射造成的喷油质量的变动和解决柴油机排放性、经济性的多参数优化问题。构建模型的数据来自发动机台架试验。实验对象为无锡柴油机厂生产的CA6DL2-35E3增压中冷、电控、共轨柴油机。采用INCA标定及测量系统及单片机控制的EGR阀系统实时修改发动机的喷油参数及EGR率。通过实验获得数据,并对其进行分析处理,所得的结论有：1)应用单因子方差分析法对几种喷油参数是否会引起喷射油量的变动进行了考察。结果表明：1、喷射正时的变化使单次喷射的喷射油量产生波动（在显著性水平α=0.05情况下）。2、在打开后喷的情况下,主喷加电时间对后喷循环油量有显著性的影响。3、在打开后喷的情况下,主喷正时会对后喷循环油量产生显著的影响。2)采用改变后喷加电时间的方法,稳定后喷循环油量从而稳定循环总喷油量。为此构建了后喷油量预测模型。模型的整体适合性F检验的P值<0.0001,R2=0.9994、Ra2=0.9988、R2jackknif=0.9981,但拟合不足F检验的P值为0.0145。随后进行了验证实验。验证实验的结果为R2pred=0.9863。未根据模型修改后喷加电时间前,打开后喷后实际循环总喷油量与目标循环总喷油量离差的均方为39.066,使用模型修正后为0.457,其效果比较显著。3)利用实验数据构建了自变量为主喷正时（因素A）、共轨压力（因素B）、主后喷间隔（因素C）、后喷循环油量（因素D）、EGR率（因素E）,响应量为消光烟度、NOx比排放和燃油消耗率be的模型。在1650r·min-1,循环总供油量85.34mg/cyc下进行实验。消光烟度模型表征拟合优度的相关参数为：模型的整体适合性F检验的P值<0.0001,R2=0.9995、Ra2=0.9979、R2jackknif=0.9888,拟合不足F检验的P值为0.0513；NOx比排放模型的参数为：模型的整体适合性F检验的P值<0.0001,R2=0.9994、Ra2=0.9988、R2jackknif=0.9975,拟合不足F检验的P值为0.1028。be模型的参数为：模型的整体适合性F检验的P值<0.0001,R2=0.9953、Ra2=0.9917、R2jackknif=0.9878,拟合不足F检验的P值为0.3354。利用模型,通过满意度函数求取满足国Ⅳ排放标准且油耗尽可能低的控制因素组合,其值为共轨压力118.08MPa、主喷正时BTDC3.26°CA、主后喷间隔1197us、后喷油量30mg/cyc、EGR率10%,预测的响应值：烟度为4.18、NOx比排放为3.42 g/kw.h、be为214.76g/kw.h。利用上述控制因素组合进行台架实验,得到验证值烟度为4.08、NOx比排放为3.43 g/kw.h、be为214.32g/kw.h。预测值与实验值吻合的相当好。但优化后be上升了7%,模型显示,如果使be和烟度固定在原机水平,那么可得到的最低NOx比排放为5.43 g/kw.h,比原机下降了37%。