董 飛，胡 鬧，2，3，楊建國，2，3

（1.武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院，武漢 430063；2.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063；3.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，武漢 430063）

0 概述

船用發(fā)動機通常采用選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）后處理系統(tǒng)和余熱利用等技術(shù)來滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和提高綜合效率。一些豪華郵輪出于舒適性與美觀性要求，將發(fā)動機的排氣口設(shè)置在水下，甚至某些船用發(fā)動機出于特殊用途需要在高背壓（不小于130 kPa）環(huán)境下工作。在這些情況下，船用發(fā)動機的高排氣背壓使得渦輪膨脹比減小，增壓器轉(zhuǎn)速及進氣流量降低，帶來發(fā)動機功率下降、排氣溫度升高和熱負(fù)荷增加等問題［1］。研究排氣背壓對船用發(fā)動機性能與排放的影響，探索高背壓下發(fā)動機的性能優(yōu)化對某些特殊用途的船用發(fā)動機具有十分重要的意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者開展了排氣背壓對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的影響規(guī)律及優(yōu)化研究。文獻(xiàn)［2-3］中用一維模型預(yù)測了高速直噴自然吸氣柴油機在110 kPa～150 kPa 排氣背壓下的平均有效壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）與殘余廢氣系數(shù)，發(fā)現(xiàn)排氣背壓升高使殘余廢氣系數(shù)升高和進氣量降低，且由于柴油機低負(fù)荷的高空燃比對稀釋效應(yīng)更加敏感，其主要放熱反應(yīng)延后，碳煙排放降低。文獻(xiàn)［4］中試驗研究了帶后處理裝置的二級渦輪增壓柴油機不同排氣背壓下的動力性和經(jīng)濟性變化規(guī)律，找到了后處理裝置的最佳排氣背壓。文獻(xiàn)［5-7］中研究了排氣背壓對渦輪增壓柴油機性能、燃油消耗率和排放的影響，結(jié)果表明隨著排氣背壓的增加，增壓柴油機的進氣量和功率均下降，燃油消耗率和排氣溫度升高，碳煙和一氧化碳（carbon monoxide，CO）排放增加，而氮氧化物（nitrogen oxide，NOx）排放由于缸內(nèi)燃燒不充分反而有所降低。文獻(xiàn)［8］中利用GTPower 模擬2.0 L 進/排氣氣門連續(xù)可變正時（double continuous variable valve timing，DCVVT）汽油機研究了不同轉(zhuǎn)速下余熱回收導(dǎo)致的背壓對發(fā)動機功率的影響，結(jié)果表明背壓增加時，發(fā)動機功率損失線性增加。此外，文獻(xiàn)［9］中研究了排氣背壓對單缸柴油機排氣的影響。以上研究主要針對排氣背壓對小排量發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放的影響，而針對排氣背壓對大功率船用發(fā)動機性能影響的研究相對較少。

對于高背壓下柴油機的優(yōu)化與改造，文獻(xiàn)［10］中利用仿真模型研究了100 kPa～185 kPa 排氣背壓對渦輪增壓柴油機性能的影響，采用帶放氣閥的渦輪增壓器或可變截面渦輪增壓器來改善柴油機高排氣背壓的適應(yīng)性，使柴油機在100 kPa～185 kPa 排氣背壓下動力性恢復(fù)至標(biāo)定功率的80%。文獻(xiàn)［11］中用一維仿真模型研究不同型號渦輪增壓器對柴油機性能和燃油消耗率的影響，減少了試驗次數(shù)，大幅降低了缸內(nèi)最高燃燒壓力和燃油消耗率。文獻(xiàn)［12］中用仿真和試驗方法優(yōu)化了高排氣背壓下渦輪增壓柴油機的配氣相位，降低了渦輪前排氣溫度。文獻(xiàn)［13］中試驗研究了排氣背壓對某型船用中速增壓柴油機性能的影響，提出一種排氣背壓可接受度的評價方法，利用脈沖增壓系統(tǒng)為增壓器提供額外功的特點和減小氣門重疊角的方法來提高柴油機對高排氣背壓的適應(yīng)性。鮮有學(xué)者從油氣匹配的角度，采用適配增壓器和結(jié)合配氣和噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方法來進行優(yōu)化。

本研究中基于GT-Power 軟件建立了某船用高速發(fā)動機的一維工作過程仿真模型并進行試驗驗證，基于驗證的模型研究不同排氣背壓對發(fā)動機性能和熱負(fù)荷的影響；針對高背壓發(fā)動機功率急劇下降的問題，重新匹配了渦輪增壓器。從油氣匹配的角度，采用粒子群優(yōu)化算法對配氣和噴油系統(tǒng)多個參數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化，提升了該船用高速發(fā)動機在高背壓下的性能。

1 船用發(fā)動機模型的建立

高背壓下發(fā)動機性能研究與優(yōu)化總體流程如圖1 所示。針對高背壓下發(fā)動機性能惡化的問題，在正常大氣背壓與高背壓下進行了試驗，建立發(fā)動機一維模型并校核，基于驗證的模型分析了不同背壓對發(fā)動機性能的影響，并在高背壓下匹配新的增壓器，優(yōu)化噴油和配氣系統(tǒng)參數(shù)。

圖1 高背壓下發(fā)動機性能研究與優(yōu)化總體流程

以某型船用高速發(fā)動機為研究對象，其基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 某型船用高速柴油機的基本技術(shù)參數(shù)

建模過程中采用了DIPulse 燃燒預(yù)測模型，包括燃油噴射、卷吸、蒸發(fā)、混合、著火、預(yù)混燃燒和擴散燃燒等幾個子模型，以模擬燃料注入、蒸發(fā)、與周圍氣體混合等物理過程及燃燒過程。其中有限化學(xué)動力學(xué)燃燒計算公式［14］見式（1）。

式中，mk為化學(xué)動力學(xué)限定的燃燒燃料質(zhì)量；τ為時間；為有限化學(xué)動力學(xué)燃燒率；C為燃燒率比例因子；p為壓力；T為子區(qū)域溫度；φ為當(dāng)量比，φ≥3.0 時燃燒率為0。

缸內(nèi)傳熱模型采用WoshniGT 模型，摩擦模型采用Chen-Flynn 模型，用硬度塞測量的試驗數(shù)據(jù)作為氣缸壁溫度的輸入，廢氣渦輪增壓器采用詳細(xì)模型，需輸入增壓器特性曲線的離散圖譜［8，15-17］。

2 臺架試驗及模型驗證

在試驗臺架上對發(fā)動機性能進行測試，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2［12］所示，圖中T、p 和ω 分別代表溫度、壓力和轉(zhuǎn)速傳感器。在發(fā)動機上布置的傳感器有氣缸壓力傳感器、單缸排氣溫度傳感器、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速傳感器、渦輪后排氣溫度傳感器、渦輪前排氣溫度和壓力傳感器、空冷器前進氣溫度、壓力傳感器及柴油機轉(zhuǎn)速傳感器等。試驗中用到的主要測試儀器設(shè)備如表2 所示，均經(jīng)過校準(zhǔn)且在有效期內(nèi)。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 臺架試驗中的測試儀器設(shè)備

用大氣背壓下發(fā)動機100% 負(fù)荷、75% 負(fù)荷、50% 負(fù)荷和25% 負(fù)荷測量參數(shù)驗證所建模型的精度，如輸出功率、燃油消耗率、氣缸壓力、平均有效壓力、最高燃燒壓力pmax、管道內(nèi)氣體壓力和溫度等。其中功率、燃油消耗率、最高燃燒壓力及渦輪前排氣溫度的對比如圖3 所示。出于保密需要，對比驗證結(jié)果使用了相對值，即以100% 負(fù)荷下原機的各參數(shù)值為參考基準(zhǔn)值，以其他工況下的參數(shù)值（或仿真值）分別和對應(yīng)的基準(zhǔn)值相比，比值作為相對值。可以看出，仿真結(jié)果最大誤差分別為4.67%、4.40%、2.94% 和3.25%。對燃燒模型進行標(biāo)定，其卷吸系數(shù)、著火延遲系數(shù)、預(yù)混燃燒系數(shù)和擴散燃燒系數(shù)分別為1.48、1.68、1.26 和0.57，100% 和75% 負(fù)荷下試驗與仿真的缸內(nèi)壓力曲線對比如圖4 所示，結(jié)果表明模型標(biāo)定效果可靠。

圖3 大氣背壓下模型校核

圖4 大氣背壓下缸內(nèi)壓力曲線校核

為了校驗?zāi)Ｐ驮诟弑硥合碌木?，在發(fā)動機臺架上進行了背壓試驗。在發(fā)動機100% 負(fù)荷工況下通過調(diào)節(jié)試驗臺架排氣管處的蝶形背壓閥來調(diào)節(jié)排氣背壓，分別將排氣背壓調(diào)節(jié)至115 kPa、125 kPa、135 kPa 和165 kPa。在排氣背壓為115 kPa、125 kPa和135 kPa 工況時，保持熱負(fù)荷不變，即發(fā)動機渦輪前排氣溫度保持680 ℃（等熱負(fù)荷條件）的前提下，保證其最大功率輸出；在165 kPa 工況下，調(diào)節(jié)噴油器使發(fā)動機功率保持在1 000 kW（等功率條件），以防其意外熄火。在等熱負(fù)荷條件下，背壓135 kPa 時功率下降最大，為76.7 kW，驗證結(jié)果如圖5 所示。發(fā)動機功率、燃油消耗率和渦輪前排溫等指標(biāo)的誤差均在5% 以內(nèi)，其余指標(biāo)的誤差均在7% 以內(nèi)，所建模型能滿足不同排氣背壓下的仿真精度要求。

圖5 不同排氣背壓下模型校核

為了考察背壓對發(fā)動機性能參數(shù)的影響程度，在保持噴油量不變的條件下，分別使模型運行在100 kPa、110 kPa、130 kPa、150 kPa、170 kPa 和190 kPa 背 壓下，壓氣機后進氣壓力及溫度和渦輪前排氣壓力及溫度的變化如圖6 所示，缸內(nèi)壓力的變化如圖7 所示。從圖6 可知隨著背壓增加，壓氣機后進氣壓力溫度呈下降趨勢，渦輪前排氣壓力總體呈下降趨勢，在190 kPa 處略有上升，渦輪前排氣溫度先上升后下降。排氣背壓為100 kPa 時渦輪增壓器在設(shè)計工況運行，缸內(nèi)進氣量充足，燃燒較好，渦輪膨脹比大。隨著排氣背壓的增加，發(fā)動機渦輪膨脹比下降，增壓器轉(zhuǎn)速降低，壓氣機后進氣溫度壓力降低，進入氣缸的空氣量減小，過量空氣系數(shù)降低，帶走缸內(nèi)廢熱的能力降低，缸內(nèi)的熱負(fù)荷增加，燃燒質(zhì)量變差，缸內(nèi)壓力降低，如圖7 所示。

圖6 不同背壓下發(fā)動機熱力參數(shù)變化

圖7 不同排氣背壓下發(fā)動機氣缸壓力曲線變化

對于渦輪前排氣溫度來說，一方面排氣背壓上升使渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降，效率降低和殘余廢氣系數(shù)升高，缸內(nèi)熱負(fù)荷增加；另一方面排氣背壓升高使進氣流量下降，此時缸內(nèi)進氣量不足，燃燒惡化，只有部分燃料燃燒，燃燒的放熱量降低，使得排氣溫度下降。

對于渦輪前壓力，一方面排氣背壓的上升使得增壓器轉(zhuǎn)速下降，進氣量的下降導(dǎo)致渦輪前壓力相應(yīng)降低；另一方面，從圖7 中可知，170 kPa～190 kPa高背壓下的氣缸壓力較100 kPa～150 kPa 低背壓時大幅降低，渦輪膨脹比急劇減小，增壓器排氣受阻嚴(yán)重，反而使得渦輪前排氣壓力略微升高。

在翻譯實踐中，“權(quán)”就是把具體的翻譯理論及策略運用到具體的翻譯實踐中去，使理論與實踐相結(jié)合，解決翻譯中遇到的具體問題。經(jīng)權(quán)觀指的就是不拘泥于經(jīng)法，靈活應(yīng)變，經(jīng)權(quán)觀不僅可以指導(dǎo)人們進行道德選擇與判斷，更是我們生活處事，尤其是翻譯實踐的不二法則。規(guī)律是普遍存在的，而規(guī)則是人為制定的用來指導(dǎo)具體實踐的。因此，翻譯時便要靈活運用規(guī)則，適應(yīng)普遍規(guī)律，譯出達(dá)意的譯文。這是一種表面上的“反經(jīng)”，實則在“行權(quán)”，合理行權(quán)，結(jié)果便是有價值的行為實踐。

3 高排氣背壓工況優(yōu)先條件下的增壓器匹配

由仿真計算可知，發(fā)動機原機在170 kPa 以上高排氣背壓下的功率降低，為原發(fā)動機功率的77%。其主要原因是原機的渦輪增壓器效率在150 kPa 以上高排氣背壓下開始急劇下降［1］，因此需為原發(fā)動機重新匹配一個更小流通截面積的渦輪增壓器，以提升發(fā)動機在特殊高背壓工況下的性能。

增壓器廠家提供了5 種型號的增壓器信息，其渦輪流通截面積依次增大。為了保證低背壓時機械負(fù)荷與增壓器轉(zhuǎn)速不超標(biāo)，在110 kPa 排氣背壓下匹配增壓器時重點關(guān)注最高燃燒壓力和增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖8 所示。在高背壓時功率急劇下降，需重點關(guān)注，在190 kPa 排氣背壓下匹配增壓器時柴油機功率的變化規(guī)律如圖9 所示?？梢钥吹?，隨著渦輪流通面積減?。ㄔ鰤浩? 到增壓器1），增壓器的轉(zhuǎn)速上升，壓氣機的壓比增加，增壓壓力升高，進入氣缸的空氣量增大，從而使柴油機功率增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高。從圖8 中可知，在110 kPa排氣背壓下，隨著渦輪流通截面積的減小，缸內(nèi)最高燃燒壓力達(dá)到原機的119%，增壓器1 轉(zhuǎn)速超過了其最大轉(zhuǎn)速（60 000 r/min）。而從圖9 中可知，在190 kPa 排氣背壓下，渦輪流通截面積越小，發(fā)動機的功率越高，但渦輪流通截面積太小增壓器轉(zhuǎn)速會超過限制。綜上，選擇增壓器2 進行進一步研究。

圖8 110 kPa 背壓下匹配5 種增壓器時的最高燃燒壓力和轉(zhuǎn)速比較

圖9 190 kPa 背壓下匹配5 種增壓器時的功率比較

為了考察增壓器2 的表現(xiàn)，分別在100 kPa、110 kPa、130 kPa、150 kPa、170 kPa 和190 kPa 情況下與原機進行功率、燃油消耗率及增壓器效率等多方面的對比，如圖10 所示。匹配小截面增壓器發(fā)動機在中高背壓下的功率大于原機功率。這是因為發(fā)動機高排氣背壓的情況下，原機渦輪的膨脹比下降，增壓器轉(zhuǎn)速降低，壓氣機增壓比減小，增壓器效率降低，進入氣缸的空氣量減小，從而導(dǎo)致發(fā)動機功率減小，燃油消耗率增加。更換流通面積小的增壓器后改善了這些情況，發(fā)動機功率上升，燃油消耗率降低。在發(fā)動機低排氣背壓下，與原機匹配的渦輪增壓器工作在設(shè)計工況附近，進氣流量下降較小，發(fā)動機功率、燃油消耗率變化不大；而對于小截面增壓器，其膨脹比過大，增壓器轉(zhuǎn)速急劇上升，壓氣機在喘振邊界附近工作，發(fā)動機功率下降，燃油消耗率增加。100 kPa、110 kPa 背壓下兩增壓器效率相差不大，而130 kPa～190 kPa 背壓下新增壓器效率大于原增壓器效率。

圖10 不同背壓下匹配新舊增壓器時發(fā)動機功率、油耗及增壓器效率比較

由圖10 可知，在100 kPa～130 kPa 背壓下匹配增壓器2 的柴油機功率小于原機功率，而在150 kPa～190 kPa 背壓下的功率表現(xiàn)則遠(yuǎn)好于原機。對于長期工作在140 kPa 以上高背壓條件下的發(fā)動機，選擇增壓器2 時發(fā)動機功率和增壓器效率高，燃油消耗率低。

4 不同排氣背壓下的發(fā)動機多目標(biāo)優(yōu)化

前述研究發(fā)現(xiàn)，排氣背壓的增加使發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性急劇惡化，同時渦輪前排氣溫度急劇上升，發(fā)動機熱負(fù)荷增加。雖然在匹配新的增壓器后其動力性和經(jīng)濟性得到一定改善，依舊存在通過優(yōu)化油-氣的匹配提升性能并降低油耗的可能。擬在130 kP 和170 kPa 排氣背壓下，通過優(yōu)化發(fā)動機配氣系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)來提高發(fā)動機排氣背壓下的動力性和經(jīng)濟性。噴油相關(guān)參數(shù)包括噴油量、噴油正時和噴油脈寬等，而配氣相關(guān)參數(shù)包括進排氣正時、氣門開啟持續(xù)時間及氣門升程等。

4.1 優(yōu)化目標(biāo)

以發(fā)動機功率和燃油消耗率為優(yōu)化目標(biāo)，以渦輪前排氣溫度約束與原機一致和最高燃燒壓力不超過原機的120% 為約束條件，以實現(xiàn)其高排氣背壓下的最大功率輸出，其優(yōu)化目標(biāo)及約束參數(shù)如表3所示。如此設(shè)計約束是因為：原機機械負(fù)荷設(shè)計時有一定余量，最高燃燒壓力約束放寬到120%；渦輪增壓器長時間工作時對渦輪前排氣溫度有要求，約束與原機一致。

表3 高背壓下發(fā)動機優(yōu)化目標(biāo)與約束

4.2 優(yōu)化參數(shù)

計算中將進/排氣正時、進/排氣持續(xù)期、排氣門升程、噴油量、噴油正時和噴油持續(xù)期設(shè)置為優(yōu)化變量。發(fā)動機采用的是是機械式氣門系統(tǒng)，優(yōu)化計算中氣門升程曲線根據(jù)排氣門升程的變化進行縱向的拉伸或壓縮，其中凸輪尺寸的變化經(jīng)計算滿足動力約束，噴油壓力被約束在75 MPa～95 MPa 之間。各參數(shù)的單位、初始值及變化范圍如表4 所示。

表4 配氣、噴油系統(tǒng)參數(shù)初始值及變化范圍

4.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型

式中，i為粒子編號；j為解空間的維數(shù)；vij為粒子i的速度；xij為粒子i的位置；t為迭代次數(shù)；c1和c2為加速度系數(shù)，設(shè)置為2；r1和r2為在［0，1］范圍內(nèi)隨機生成的數(shù)字；w為慣性權(quán)重，用于平衡算法的局部和全局搜索能力(t)為個體最優(yōu)解(t)為群體最優(yōu)解。

圖11 給出了粒子群優(yōu)化算法的計算過程，主要包括以下步驟：（1）初始化一個粒子群，隨機產(chǎn)生10 個個體，每個個體的維度為優(yōu)化參數(shù)的個數(shù)8；（2）根據(jù)初始種群計算目標(biāo)值函數(shù)，目標(biāo)值函數(shù)包括功率、油耗和殘余廢氣系數(shù)；（3）搜索個體最優(yōu)解和群體最優(yōu)解；（4）執(zhí)行迭代計算；（5）迭代計算完成后，輸出最優(yōu)解。圖中T為進化代數(shù)，Tmax為最大進化代數(shù)。

圖11 粒子群優(yōu)化算法計算流程

本研究中以GT-Power/Isight 聯(lián)合仿真的方式，采用粒子群算法來進行不同排氣背壓下發(fā)動機配氣和噴油系統(tǒng)的優(yōu)化，包括發(fā)動機GT-Power 模型、Isight 優(yōu)化模型及模型間的數(shù)據(jù)流文件3 個部分，如圖12 所示。GT-Power 模型編譯生成DAT和BAT 等文件，將功率、燃油消耗率等參數(shù)反饋給Isight 優(yōu)化模型；Isight 優(yōu)化模型將每個粒子的參數(shù)輸入給編譯文件，如此循環(huán)進行聯(lián)合仿真。

圖12 GT-Power/Isight 聯(lián)合仿真模型數(shù)據(jù)流

優(yōu)化算法選用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，把功率和燃油消耗率設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)權(quán)重設(shè)置為1∶1，種群大小設(shè)置為10，進化代數(shù)為20［12，19］。目標(biāo)值函數(shù)計算式見式（4）。

式中，O 為目標(biāo)值函數(shù)；B為燃油消耗率；P為輸出功率。

4.4 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化過程以170 kPa 排氣背壓為例進行介紹。利用粒子群算法對2 種背壓下的8 個參數(shù)進行200次迭代優(yōu)化，隨著迭代次數(shù)的增加其目標(biāo)值逐漸減小，迭代次數(shù)大于142 時目標(biāo)值函數(shù)下降較慢且趨于穩(wěn)定，計算收斂較好，如圖13 所示。優(yōu)化初期功率和燃油消耗率的波動較大，優(yōu)化過程中功率逐漸升高，燃油消耗率逐漸降低，波動也慢慢下降，最終功率逐漸收斂至0.942，比優(yōu)化前的0.858 上升9.9% 左右。燃油消耗率在優(yōu)化后期穩(wěn)定在1.127附近，比優(yōu)化前的1.165 下降3.2%。隨著迭代次數(shù)的增加，最高燃燒壓力總體呈上升趨勢，除了個別算例外均滿足小于1.2 的約束條件。隨迭代次數(shù)增加，殘余廢氣系數(shù)總體呈下降趨勢，渦輪前排氣溫度無明顯上升或下降趨勢，部分算例超過了渦輪前排氣溫度622 ℃的限制條件。

圖13 170 kPa 背壓下多目標(biāo)優(yōu)化計算結(jié)果與收斂趨勢

功率和油耗間的Pareto 權(quán)衡結(jié)果如圖14 所示。優(yōu)化目標(biāo)是功率越高越好，燃油消耗率越低越好，即最優(yōu)值位于圖的右下角。

圖14 Pareto 權(quán)衡結(jié)果

優(yōu)化后發(fā)動機輸出功率、燃油消耗率和原機的對比如圖15 所示，兩種排氣背壓下優(yōu)化參數(shù)的對比如表5 所示。優(yōu)化結(jié)果表明，排氣背壓為170 kPa 時，相比原機，優(yōu)化后的發(fā)動機油耗降低3.2%，渦輪前排氣溫度降低13.8%，最高燃燒壓力升高了25.4%，輸出功率提高近10%。排氣背壓為130 kPa 時，相比原機，優(yōu)化后的發(fā)動機功率提高10.2%，油耗降低0.6%，殘余廢氣系數(shù)降低27.2%，其余參數(shù)也在約束條件之內(nèi)。

表5 兩種排氣背壓下優(yōu)化參數(shù)的對比

圖15 優(yōu)化前后發(fā)動機性能對比

兩種背壓下發(fā)動機配氣和噴油系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表6 所示。兩種背壓下的最優(yōu)參數(shù)中，共同點是進氣正時延后，排氣正時提前，排氣持續(xù)期與噴油持續(xù)期保持不變，噴油量增加，這使得氣門重疊角減小，高排氣背壓下缸內(nèi)廢氣倒灌程度減小，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)降低，充量系數(shù)的增加使得缸內(nèi)熱負(fù)荷和渦輪前排氣溫度下降，缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變好，燃油消耗率降低。優(yōu)化的渦輪前排氣溫度和殘余廢氣系數(shù)能使噴油量增加，發(fā)動機的功率得到提高。雖然噴油量和充氣效率的升高也使得最高燃燒壓力增加，但仍在約束范圍內(nèi)。

表6 優(yōu)化前后的配氣、噴油系統(tǒng)參數(shù)

5 結(jié)論

（1）排氣背壓對發(fā)動機的性能和熱負(fù)荷影響顯著，排氣背壓由100 kPa 升高到190 kPa 時發(fā)動機功率嚴(yán)重下降；渦輪前排氣溫度先大幅上升，在150 kPa時達(dá)到最大值，然后下降。

（2）為原機匹配適當(dāng)減小流通截面積的增壓器后，在100 kPa～140 kPa 低排氣背壓工況下發(fā)動機功率及油耗表現(xiàn)雖不如原機，但在140 kPa～190 kPa 高背壓工況下，發(fā)動機功率較原機顯著上升，燃油消耗率顯著下降。

（3）采用粒子群優(yōu)化算法，通過多目標(biāo)優(yōu)化對發(fā)動機配氣、噴油系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化后，發(fā)動機在170 kPa背壓下的功率提高9.9%，油耗降低3.2%，殘余廢氣系數(shù)降低48.4%，渦輪前排氣溫度下降99.3℃，有效改善了高排氣背壓給增壓發(fā)動機帶來的動力性、經(jīng)濟性下降及熱負(fù)荷問題。