祖象歡　楊傳雷　王銀燕　王賀春　杜　俊

(1.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院， 哈爾濱 150001； 2.91458部隊(duì)， 三亞 572000)

0　引言

廢氣再循環(huán)(EGR)是目前降低柴油機(jī)NOx排放量的主要措施[1]，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要是將排氣中的一部分廢氣引入到進(jìn)氣管，同新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸重新參與燃燒的過(guò)程[2-3]。EGR技術(shù)關(guān)鍵在于使足夠的廢氣回流到進(jìn)氣管，克服增壓柴油機(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(wèn)題[4-5]，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況給出最佳的EGR率。

EGR的主要實(shí)施方式包括安裝節(jié)氣門[6-8]或者文丘里管[9-11]，其中，安裝節(jié)氣門易于實(shí)現(xiàn)，但會(huì)對(duì)渦輪增壓器造成一定負(fù)面影響，惡化柴油機(jī)掃氣效果，影響柴油機(jī)正常運(yùn)行，而安裝文丘里管結(jié)構(gòu)僅對(duì)進(jìn)氣壓力產(chǎn)生較小影響，但不便于布置。

目前，關(guān)于最佳EGR率的確定問(wèn)題，尚沒(méi)有針對(duì)性的研究和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。楊帥等[12]在確定最佳EGR率時(shí)，以13個(gè)工況點(diǎn)顆粒不超過(guò)原機(jī)為原則；張振東等[13]在PM不超過(guò)原機(jī)基礎(chǔ)上，綜合考慮油耗的增加程度、NOx的改善程度等因素，低負(fù)荷時(shí)選擇高EGR率，高負(fù)荷時(shí)選擇低EGR率；文獻(xiàn)[14-16]均采取類似方法。上述方法能夠充分利用專家及技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)最佳EGR率的確定。但是評(píng)估結(jié)果僅依賴于決策者的主觀判斷和理解，不同的決策者在性能折衷取舍上的差異都會(huì)導(dǎo)致不同的決策結(jié)果。

本文針對(duì)一款V型增壓柴油機(jī)的高壓EGR系統(tǒng)進(jìn)行研究，為柴油機(jī)設(shè)計(jì)并搭配文丘里管式高壓廢氣再循環(huán)(Venturi tube EGR)系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)分析EGR對(duì)不同工況下柴油機(jī)性能的影響，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提出一種增壓柴油機(jī)EGR性能評(píng)估及最佳EGR率決策優(yōu)化方法。

1　試驗(yàn)設(shè)備及方法

以河柴重工生產(chǎn)的增壓中冷型TBD234V12型柴油機(jī)為研究對(duì)象，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示， 主要測(cè)試儀器設(shè)備如表2所示。

表1　TBD234V12型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　Main technical parameters of TBD234V12

表2　主要測(cè)試儀器設(shè)備Tab.2　Main instruments and equipments

2　文丘里管EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TBD234V12型柴油機(jī)原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,增壓后的進(jìn)氣壓力明顯高于排氣壓力，給實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)帶來(lái)困難。因此本文考慮采用加裝文丘里管來(lái)實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)混合。

在考慮柴油機(jī)臺(tái)架空間布局和文丘里管尺寸后，決定選擇串聯(lián)的文丘里管系統(tǒng)，其示意圖見(jiàn)圖1。新鮮空氣經(jīng)2個(gè)并聯(lián)壓氣機(jī)壓縮，經(jīng)1個(gè)三叉管道匯合后流入文丘里管進(jìn)口截面，然后空氣流經(jīng)收縮段，流速增加，壓力減小。廢氣從排氣管中引出，經(jīng)廢氣中冷和EGR閥后與新鮮空氣在喉口部位進(jìn)行混合，隨后在擴(kuò)壓段恢復(fù)壓力，最后到達(dá)各缸進(jìn)行燃燒。

圖1　串聯(lián)文丘里管系統(tǒng)示意圖Fig.1　Venturi tube system structure diagram

決定文丘里管性能的關(guān)鍵參數(shù)有喉部面積和擴(kuò)壓段錐角。喉部面積決定了文丘里管的引射能力，擴(kuò)壓段錐角決定了混合后氣體壓力的恢復(fù)狀況。將管內(nèi)流動(dòng)簡(jiǎn)化為定常流，若柴油機(jī)在設(shè)計(jì)工況工作，調(diào)節(jié)EGR閥的開度從全閉到全開時(shí)，文丘里管均能起到降壓引射的作用，達(dá)到試驗(yàn)需要的EGR率，并且當(dāng)EGR閥全開時(shí)文丘里管喉口部位剛好不發(fā)生壅塞現(xiàn)象，因此，選取柴油機(jī)額定工況(1 800 r/min，444 kW)為文丘里管設(shè)計(jì)工況。

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，首先計(jì)算確定喉口面積；在確定喉口面積后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定文丘里管噴嘴長(zhǎng)度L1、混合段長(zhǎng)度Lt和擴(kuò)壓器長(zhǎng)度L2，為了兼顧試驗(yàn)臺(tái)架的空間布置，總長(zhǎng)度L的選取需具備安裝的可行性。經(jīng)過(guò)計(jì)算，各主要參數(shù)如下：喉口直徑dt=54.84 mm；收縮錐角α=24°，滿足10°<α<40°；L1=141.5 mm;L=441.5 mm，Lt=50 mm，L2=245 mm；擴(kuò)壓角β=14°，滿足11°<β<18°[11]，故設(shè)計(jì)的擴(kuò)壓段滿足要求。

最終的文丘里管實(shí)物如圖2所示，EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物如圖4所示。

圖2　文丘里管實(shí)物圖Fig.2　Venturi physical map

圖3　EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Physical map of EGR system structure1.中冷器　2.文丘里管　3.EGR閥　4.EGR冷卻管　5.壓氣機(jī)　6.過(guò)濾器　7.排氣管　8.三通閥　9.渦輪　10.前置過(guò)濾器　11.廢氣分析儀　12.不透光式煙度計(jì)　13.燃燒分析儀　14.油耗儀　15.發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀　16.水力測(cè)功機(jī)　17.TBD234V12型柴油機(jī)　18.壓力、轉(zhuǎn)速傳感器　19.試驗(yàn)臺(tái)架監(jiān)測(cè)臺(tái)　20.進(jìn)氣歧管

圖4　試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖Fig.4　Test bench physical map

3　性能試驗(yàn)

3.1　EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖5為不同工況下EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力的影響曲線。由圖5可知，同一工況下缸壓曲線變化趨勢(shì)基本相似，在中低轉(zhuǎn)速下呈單峰，高轉(zhuǎn)速下呈雙峰，燃燒形成的波峰值基本都在剛過(guò)上止點(diǎn)后出現(xiàn)，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)壓力峰值呈下降趨勢(shì)。如圖5a轉(zhuǎn)速900 r/min、25%負(fù)荷工況點(diǎn)時(shí)，峰值下降了0.63 MPa。其原因是由于EGR廢氣的引入導(dǎo)致進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量的降低，同時(shí)混合氣中氧濃度降低而惰性氣體分子數(shù)增多，對(duì)燃燒的阻滯作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致缸內(nèi)的初始?jí)毫蛪毫Ψ逯档南陆?。缸?nèi)壓力在低轉(zhuǎn)速工況下呈單峰狀，燃燒形成的波峰值基本在剛過(guò)上止點(diǎn)后2°～8°出現(xiàn)。圖5b為1 500 r/min、25%負(fù)荷工況點(diǎn)，可以看出缸內(nèi)壓力呈雙峰分布，第1峰在上止點(diǎn)后2°左右，燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)前，主要是由于活塞上行引起的壓縮峰，隨著EGR率的增加第1峰值逐漸減小。第2峰出現(xiàn)在上止點(diǎn)后8°左右，當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)后開始下行，下行引起缸內(nèi)壓力降低，但燃燒造成的壓力升高幅度大于活塞下行引起的壓力下降幅度，所以出現(xiàn)了第2峰。隨著EGR率的增大，進(jìn)入氣缸的廢氣成分增多，缸內(nèi)氣體的比熱容升高，導(dǎo)致滯燃期時(shí)間延長(zhǎng)，最終使燃燒始點(diǎn)相應(yīng)延遲。因此EGR的引入使缸內(nèi)壓力曲線整體向上止點(diǎn)后偏移。

圖5　不同EGR率對(duì)缸壓的影響Fig.5　Effects of different EGR rates on cylinder pressure

3.2　EGR率對(duì)油耗的影響

圖6為900 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷分別為25%、50%、75%時(shí)油耗率隨EGR率的變化曲線。由圖6可知，在同等負(fù)荷下，隨著EGR率增加，廢氣引入量的增多使得燃燒室內(nèi)的燃燒惡化，燃燒不充分，故油耗基本與EGR率呈線性變化。小負(fù)荷時(shí)，由于空燃比大，進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣富余，廢氣的增多對(duì)燃油消耗率影響不大，因此燃油消耗率變化緩慢，如1 500 r/min轉(zhuǎn)速、25%負(fù)荷時(shí)，當(dāng)EGR率由0升至10.8%時(shí)，油耗率由257.5 g/(kW·h)上升至268.1 g/(kW·h)，增加了4.12%。而在高負(fù)荷區(qū)，由于EGR引入使空燃比嚴(yán)重降低，導(dǎo)致缸內(nèi)局部混合氣濃度過(guò)高，并發(fā)生缺氧狀況，因此，隨著EGR率的增加混合氣濃度繼續(xù)升高，最終導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化。隨著后燃加重，在活塞下行階段仍有部分燃油燃燒，放熱率峰值后移，使對(duì)外做功能力減弱，所以大負(fù)荷區(qū)扭矩下降幅度大于小負(fù)荷扭矩下降幅度，試驗(yàn)中為了彌補(bǔ)功率的損失，唯有通過(guò)加大噴油量來(lái)維持足夠的功率輸出，故燃油消耗率隨著EGR率增加而升高。如1 500 r/min轉(zhuǎn)速、75%負(fù)荷時(shí)，當(dāng)EGR率由0上升至10.8%時(shí)，油耗率由200.4 g/(kW·h)上升至212.2 g/(kW·h)，增加了5.89%；在小負(fù)荷區(qū)由于扭矩?fù)p失較小，故耗油上升較大負(fù)荷區(qū)更加平緩。

圖6　不同EGR率對(duì)油耗率的影響Fig.6　Effects of different EGR rates on fuel consumption rate

3.3　EGR率對(duì)NOx排放量的影響

圖7為900 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷分別為25%、50%、75%時(shí)NOx排放量隨EGR率的變化曲線。由圖7可知， EGR廢氣的引入可以有效改善NOx的排放，特別在高負(fù)荷時(shí)效果更加明顯。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EGR率升高至8%左右時(shí)，NOx排放量均能降低25%左右。

在900 r/min轉(zhuǎn)速、25%負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率的增加，NOx排放量開始呈下降趨勢(shì)，從3.769 9×10-4下降至2.512×10-4；當(dāng)EGR率從10.4%繼續(xù)增加到11.6%時(shí)，NOx增加了1.01×10-5。主要原因是因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速工況點(diǎn)時(shí)，隨著EGR廢氣的引入，一方面降低缸內(nèi)總體氧濃度，另一方面使得缸內(nèi)溫度上升，相應(yīng)高溫持續(xù)時(shí)間也增加，此時(shí)氧濃度下降的效果會(huì)被抵消，故在此時(shí)EGR對(duì)NOx產(chǎn)生負(fù)面效果，NOx排放量會(huì)略微升高。

圖7　不同EGR率對(duì)NOx排放量的影響Fig.7　Effects of different EGR rates on NOx emission

當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到1 500 r/min時(shí)，廢氣中的大量惰性氣體開始凸顯作用，阻礙燃燒的快速進(jìn)行，缸內(nèi)溫度隨之降低，由于NO的生成速度低于燃燒反應(yīng)速度，故僅有少部分的NO產(chǎn)生于火焰的外沿區(qū)，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高，高溫持續(xù)時(shí)間縮短使NO達(dá)不到平衡含量，故NOx生成量隨著廢氣量的增多而下降。如在1 500 r/min，75%負(fù)荷工況，當(dāng)EGR率從0.6%變化到10.1%時(shí)，NOx從2.101×10-4降低到1.465×10-4，共下降了30.27%。

3.4　EGR率對(duì)煙度的影響

圖8為900 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷分別為25%、50%、75%時(shí)煙度隨EGR率的變化曲線。由圖8可知，煙度的變化趨勢(shì)與NOx排放量的變化趨勢(shì)基本相反。小負(fù)荷時(shí)，煙度幾乎不隨著EGR率變化或變化很小。隨著負(fù)荷的增加，煙度增大，同時(shí)隨EGR率的增加，煙度的增幅也變大。同轉(zhuǎn)速下，高煙度區(qū)向大負(fù)荷、高EGR率區(qū)域轉(zhuǎn)移。變化的主要因素來(lái)源于空燃比和缸內(nèi)局部的溫度。

如900 r/min、25%負(fù)荷時(shí)，EGR率變化初期煙度排放值基本保持不變，當(dāng)EGR率增至約9%時(shí)，煙度才明顯上升，此后隨著EGR率的不斷增大，煙度基本呈指數(shù)曲線大幅度上升。隨著EGR率不斷增大，較之低負(fù)荷工況點(diǎn)，高負(fù)荷下煙度突變點(diǎn)也相應(yīng)的提前，在900 r/min、75%負(fù)荷工況下，煙度在EGR率達(dá)到5.4%時(shí)發(fā)生突變，劇烈增加。這主要由于在相同轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷越高，空燃比越小，EGR率對(duì)空燃比的影響對(duì)缸內(nèi)燃燒作用就越敏感，產(chǎn)生的效果就越突出，同時(shí)缸內(nèi)溫度的上升，加劇了二次燃燒，致使該工況下煙度排放提高。在高負(fù)荷下，EGR對(duì)煙度排放的負(fù)面影響越發(fā)明顯，因此在高負(fù)荷工況點(diǎn)下，柴油機(jī)應(yīng)控制EGR率避免過(guò)高。

圖8　不同EGR率對(duì)煙度的影響Fig.8　Effects of different EGR rates on SOOT

4　最佳EGR率的確定

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同EGR率對(duì)增壓柴油機(jī)燃燒與排放改善效果是不同的。由于本試驗(yàn)條件的限制以及加工條件受限，導(dǎo)致在進(jìn)排氣混合的過(guò)程中，壓力有一定損失，最高EGR率也被限制在15%，獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)也有限?？紤]到多目標(biāo)灰色決策理論在解決少數(shù)據(jù)決策問(wèn)題上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[17-20]，本文考慮引入多目標(biāo)決策方法。

4.1　基本模型

灰色決策是灰色理論的重要組成部分[21]，傳統(tǒng)多目標(biāo)灰色決策模型的主要構(gòu)成部分包括事件集、對(duì)策集、局勢(shì)集、決策目標(biāo)以及決策權(quán)重等。

(2)選取決策目標(biāo)，每個(gè)決策目標(biāo)都需要確定其效果測(cè)度，其中上限效果測(cè)度為

(1)

主要著限于衡量白化值偏離最大白化值的程度。

下限效果測(cè)度為

(2)

主要著限于白化值偏離下限的程度。

適中效果測(cè)度為

(3)

這3種測(cè)度分別適用于不同場(chǎng)合：希望局勢(shì)越大越好，則可用上限效果測(cè)度；希望局勢(shì)損失越小越好，則用下限效果測(cè)度，希望效果是某個(gè)指定值的附近，則用適中效果測(cè)度。

(3)根據(jù)每個(gè)決策目標(biāo)的效果測(cè)度，求解局勢(shì)集在k目標(biāo)下一致效果測(cè)度矩陣

(4)

(5)

(6)

4.2　模型優(yōu)化

由上述原理可以看出，決策目標(biāo)和對(duì)應(yīng)的目標(biāo)權(quán)重在傳統(tǒng)決策模型中占據(jù)主要因素。考慮到EGR率對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性的綜合影響，本文選取燃油消耗率、CO、NOx、煙度及缸內(nèi)爆壓作為決策目標(biāo)，不同的決策目標(biāo)代表著柴油機(jī)不同方面的性能，從而將不同性能之間的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為決策目標(biāo)權(quán)重問(wèn)題。

通常，決策權(quán)重的分配都由決策者按照決策目標(biāo)的重要程度予以賦值，雖然一定程度上可以充分發(fā)揮專業(yè)人士或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)特長(zhǎng)，但是，單純依靠主觀判斷會(huì)使得最終的決策結(jié)果缺乏客觀合理性。此外，不同于一般決策問(wèn)題，最優(yōu)EGR率的決策需要綜合考慮柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性等因素，無(wú)論是單純的主觀賦值法還是客觀賦權(quán)法，都無(wú)法滿足EGR的實(shí)際特點(diǎn)。因此，本文考慮以最優(yōu)EGR率的確定基本原則為優(yōu)化背景，采用主客觀綜合賦權(quán)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)決策模型的優(yōu)化，并最終選擇采用基于專家打分和灰關(guān)聯(lián)分析的權(quán)重優(yōu)化方法，從而更好地貼近EGR優(yōu)化原則。

作為灰色系統(tǒng)理論中一個(gè)重要分支，灰色關(guān)聯(lián)分析主要是通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程發(fā)展態(tài)勢(shì)的量化分析，完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)序列幾何關(guān)系的比較，求出參考數(shù)列與各比較數(shù)列之間的灰關(guān)聯(lián)程度，與參考數(shù)列關(guān)聯(lián)度越大的比較數(shù)列，與參考數(shù)列的關(guān)系越緊密。具體建模過(guò)程不再贅述，可參照文獻(xiàn)[21-22]。

(1)EGR的主要目的在于有效降低NOx污染物的排放，考慮到不同工況EGR的不同運(yùn)行特點(diǎn)，首先根據(jù)柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)決策目標(biāo)NOx進(jìn)行賦值：若柴油機(jī)處于低轉(zhuǎn)速工況(n≤900 r/min)，NOx排放濃度較低，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。若柴油機(jī)處于高轉(zhuǎn)速工況(n>1 200 r/min)，NOx排放濃度較高，為了有效降低柴油機(jī)排放污染物，宜采用較大EGR率，因此令NOx權(quán)重η3=0.5。若柴油機(jī)處于中等轉(zhuǎn)速工況(900 r/min

(2)由于不同決策目標(biāo)分別反映著柴油機(jī)不同方面的性能，因此各指標(biāo)之間必然存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，筆者認(rèn)為可以將這種關(guān)系看成一種特定的“灰關(guān)系”。在本研究中，主要考慮的因素是NOx的改善情況，其次再去權(quán)衡其他性能指標(biāo)的影響，因此本文考慮引入灰關(guān)聯(lián)分析來(lái)計(jì)算NOx與其他決策目標(biāo)之間的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，從而作為分配權(quán)重的依據(jù)。

將不同EGR率下對(duì)應(yīng)的NOx排放量(包括原機(jī))作為母序列；以其他4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)值(包括原機(jī)值)作為子序列；求解其他4個(gè)決策指標(biāo)與NOx指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度，r′i(i=1,2,3,4)，進(jìn)而得到它們之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(7)

已知η3和ri，由ri(1-η3)求解其他4個(gè)決策目標(biāo)權(quán)重值ηk(k=1,2,4,5)，并構(gòu)成最終的優(yōu)化權(quán)重ηk(k=1,2,3,4,5)。

(3)將優(yōu)化權(quán)重ηk(k=1,2,3,4,5)返回到?jīng)Q策模型中，重新得到優(yōu)化后決策結(jié)果。

該方法以不同工況EGR運(yùn)行特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下NOx排放量變化，通過(guò)專家打分來(lái)賦值NOx指標(biāo)權(quán)重，再利用灰關(guān)聯(lián)分析求解其他決策目標(biāo)與NOx之間的緊密程度，從而求解所有決策目標(biāo)的權(quán)重，再將優(yōu)化后的權(quán)重向量代入決策模型中，對(duì)不同EGR率對(duì)應(yīng)的性能程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4.3　評(píng)估及決策結(jié)果分析

任意選取試驗(yàn)中3個(gè)工況點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)低、中、高轉(zhuǎn)速工況。其中部分工況點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

表3　部分工況點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3　Part of test data

(1)工況1

EGR率分別選取2.2%、4.6%、7.5%、8.8%和10.5%；不同EGR率下各指標(biāo)參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成了效果樣本矩陣為

其中，矩陣中行向量i代表依次代表燃油消耗率、CO排放量、NOx排放量、煙度和缸內(nèi)爆壓，列向量j代表不同EGR率。

首先，求得k目標(biāo)下一致效果測(cè)度矩陣為

構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)序列：

母序列

X0=[1 093 1104.5 1002.6943.5890.65783.6]

子序列

X1=[236.3241.6242.7243.9246.9248.7]
X2=[316.57335.53366.7427.84503.62]
X3=[0.0450.0630.0880.0840.120.27]
X4=[7.254 57.210 87.139 37.016 76.956 8]

通過(guò)計(jì)算可得燃油消耗率、缸內(nèi)爆壓、煙度及CO與NOx的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

ri=[0.282 40.287 90.209 50.220 2]

因該工況屬于低轉(zhuǎn)速工況，因此η3=0.3，則可得到優(yōu)化后綜合權(quán)重向量ηk為

ηk=[0.197 70.201 50.300 00.146 60.154 2]

最后求得綜合效果測(cè)度矩陣，并根據(jù)最優(yōu)原則進(jìn)行優(yōu)劣排序

R=[0.904 60.876 10.884 40.848 20.824 7]

根據(jù)最優(yōu)決策原則可知，該工況下不同EGR率對(duì)應(yīng)的性能影響由大到小為2.2%、7.5%、4.6%、8.8%、10.5%，即該工況最佳EGR率為2.2%。

由結(jié)果可以看出，較低EGR率對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)估值較高，隨著EGR率的增大，相應(yīng)的綜合評(píng)估值下降較為明顯，因此宜采用較小EGR率。分析其原因，當(dāng)柴油機(jī)處于低速工況時(shí)，NOx排放量較低，為了保證充分的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，不宜采取EGR或者較低EGR率。

(2)工況2

同理可知，工況2屬于中等轉(zhuǎn)速工況，故η3=0.4，最終求解優(yōu)化后權(quán)重為

ηk=[0.160 80.166 10.400 00.133 10.140 0]

最終的加權(quán)綜合評(píng)估值

R=[0.828 40.821 90.833 20.842 50.810 2]

則該工況下不同EGR率對(duì)應(yīng)的性能影響由大到小為：9.8%、6.8%、0.8%、3.1%、12.3%，該工況下最佳EGR率為9.8%。

由結(jié)果可以看出，當(dāng)EGR率小于9.5%時(shí)，隨著EGR率的增大，不同EGR率對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)估值呈增大趨勢(shì)，當(dāng)EGR率增大至12.3%時(shí)，對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)估值反而下降。原因?yàn)椋寒?dāng)柴油機(jī)處于中等速度工況時(shí)，NOx排放量逐漸升高，較低EGR率已經(jīng)無(wú)法滿足降低NOx污染物的要求，因此應(yīng)該適當(dāng)增大EGR率，但是為了同時(shí)保證柴油機(jī)良好的加速性能，EGR率增大的不宜過(guò)大。

(3)工況3

工況3屬于高轉(zhuǎn)速工況，因此η3=0.5，最終求解優(yōu)化后權(quán)重為

ηk=[0.138 90.140 90.500 00.104 90.115 2]

最終的加權(quán)綜合評(píng)估值

R=[0.843 30.849 60.879 40.880 00.861 5]

則該工況下不同EGR率對(duì)應(yīng)的性能影響由大到小為：8.3%、6.1%、10.8%、3.5%、1.2%，該工況對(duì)應(yīng)的最佳EGR率為8.3%。

由結(jié)果可知，當(dāng)EGR率小于3.5%時(shí)，不同EGR率對(duì)應(yīng)的評(píng)估值比較接近，當(dāng)EGR率大于3.5%時(shí)，綜合評(píng)估值呈明顯增大趨勢(shì)，當(dāng) EGR率增至10.8%時(shí)，綜合評(píng)估值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。分析其原因，當(dāng)柴油機(jī)處于高速工況時(shí)，NOx排放量較高，必須采取較大EGR率才能有效降低NOx污染物，但是當(dāng)EGR率過(guò)高時(shí)，過(guò)量EGR廢氣的引入可能會(huì)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能造成損失，因此，在上述仿真結(jié)果中，過(guò)高EGR率對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)估值反而下降。

對(duì)比分析工況2和工況3可以看出，當(dāng)柴油機(jī)處于中、高速工況時(shí)，較高EGR率都獲得了更高的評(píng)估值，而過(guò)高的EGR率的評(píng)估值反而下降，但是，區(qū)別于工況2，在工況3中較低EGR率獲得的評(píng)估值最低，而工況2中則是過(guò)高EGR率獲得評(píng)估值最低。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)柴油機(jī)處于中等速度工況時(shí)，為了保證柴油機(jī)的加速性能，通常不宜采用過(guò)高EGR率，因此，相比與過(guò)高EGR率，中低EGR率對(duì)應(yīng)的評(píng)估值相對(duì)較高；而當(dāng)柴油機(jī)處于高速工況時(shí)，降低排放的需求相對(duì)更高更嚴(yán)格，較低EGR率對(duì)柴油機(jī)的改善效果較差，因此對(duì)應(yīng)的評(píng)估值也最小，而較高EGR率對(duì)柴油機(jī)的改善效果更佳，也就獲得更高的評(píng)估值。

5　結(jié)論

(1)以TDB234V12型柴油機(jī)為研究對(duì)象，選定原機(jī)的額定工況點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，計(jì)算出匹配柴油機(jī)的文丘里管結(jié)構(gòu)，可以滿足廢氣的引射要求，有效改善柴油機(jī)的排放性能。

(2)當(dāng)柴油機(jī)按負(fù)荷特性穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，采用EGR循環(huán)，可以有效地降低NOx的排放量，特別是在高轉(zhuǎn)速時(shí)效果更為明顯，NOx的排放量隨著EGR率的升高而明顯降低，當(dāng)EGR率升高到8%左右，NOx均能降低25%左右，而煙度及油耗等小幅增長(zhǎng)。

(3)EGR率的增加導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)和終點(diǎn)都有不同程度的延遲。低負(fù)荷時(shí)，油耗呈小幅度升高，同一轉(zhuǎn)速下，油耗在高負(fù)荷工況點(diǎn)升高較低負(fù)荷明顯；低負(fù)荷時(shí)EGR率對(duì)煙度的影響效果不大；當(dāng)EGR率增大到9%左右時(shí)，隨著EGR率的增加，煙度基本呈指數(shù)曲線上升；較之低負(fù)荷工況點(diǎn)，高負(fù)荷下煙度值突變點(diǎn)相應(yīng)提前。

(4)基于灰關(guān)聯(lián)分析優(yōu)化的多目標(biāo)灰色決策方法實(shí)現(xiàn)了不同EGR率性能綜合評(píng)估。低轉(zhuǎn)速工況宜采用較小EGR率，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提升，較高EGR率取得更好的評(píng)估值，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，過(guò)高的EGR率對(duì)應(yīng)的評(píng)估值反而下降。該方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，有助于解決目前最佳EGR率確定過(guò)程中對(duì)主觀判斷的單一依賴，提高了決策結(jié)果的合理性，為EGR的優(yōu)化研究提供了一種研究思路。

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