《Fuel Processing Technology》：A comparison study and multi-objective optimization of a DICI engine fueled with petroleum diesel and Fischer-Tropsch diesel
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在能源與環境問題日益嚴峻的當下，為探究柴油發動機使用費托合成柴油（FT100）時燃油經濟性與排放間的矛盾，研究人員對比 FT100 和石油柴油（PD100），經多目標優化，發現 FT100 優勢顯著，為發動機優化提供策略。
隨著全球對能源需求的不斷增長以及環境問題的日益突出，汽車的燃油消耗和排放法規愈發嚴格。傳統的石油柴油在燃燒過程中會產生大量污染物，對環境和人類健康造成威脅。尋找清潔的替代燃料成為緩解這些問題的關鍵。費托合成柴油（FT100）作為一種來自間接煤制油的新型燃料，具有改善排放和提升發動機性能的潛力，受到了廣泛關注。然而，目前對于 FT100 在柴油發動機中的應用研究還存在諸多不足，比如不同噴射參數對其發動機性能影響的研究不夠系統，缺乏對其發動機控制參數的協同優化等。為了解決這些問題，相關研究人員開展了一系列研究，該研究成果發表在《Fuel Processing Technology》上。
研究人員以一臺渦輪增壓六缸共軌直噴壓縮點火（DICI）發動機為研究對象，使用 FT100 和石油柴油（PD100）作為燃料。在不同的制動平均有效壓力（BMEP）、噴射正時（IT）和共軌壓力（Pcr）條件下，系統地研究了兩種燃料的燃燒和排放特性。
研究人員采用了多種技術方法。首先，搭建了實驗平臺，使用特定的測試燃料（FT100 和 PD100），在不同工況下進行發動機實驗，獲取大量實驗數據。其次，運用數據驅動方法，通過 BP 神經網絡構建發動機輸入輸出參數的映射關系，以預測燃油經濟性（如制動特定燃油消耗率 BSFC）、排放（如制動特定氮氧化物排放 BSNOx和碳煙排放）等指標。最后，利用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）對構建的模型進行多目標優化，求解出最佳的控制參數組合。
實驗結果
- IT 和 Pcr對燃燒特性的影響：隨著 IT 的提前，氣缸壓力明顯增加，預混燃燒的峰值放熱率（PHRR）先降低后升高。FT100 的點火正時和燃燒相位比 PD100 明顯更早，尤其是在低負荷時。Pcr增加時，氣缸壓力和 HRR 的峰值上升，燃燒期縮短，燃燒相位提前。FT100 在擴散燃燒階段的 HRR 略高于 PD100。FT100 的壓力上升率（PRR）比 PD100 低，燃燒更溫和。
- IT 和 Pcr對燃油經濟性和排放特性的影響：IT 提前時，BSFC 先降低后升高，在 IT 約為 14 °CA BTDC 時相對較低。BSNOx隨 IT 提前明顯增加，而碳煙排放呈下降趨勢。Pcr增加時，BSFC 明顯降低，BSNOx增加，碳煙排放顯著減少。
- BMEP 對燃油經濟性和排放特性的影響：隨著 BMEP 的增加，BSFC 先明顯降低后略有增加，FT100 的燃油經濟性更好。BSNOx隨 BMEP 增加而明顯降低，而碳煙排放則相反，BSCO 隨發動機負荷增加而增加。
預測模型和多目標優化
- 模型建立：確定了以 BMEP、IT 和 Pcr為輸入變量，BSFC、BSNOx和碳煙（用消光系數 K 表示）為優化目標的目標函數。采用 BP 神經網絡進行數據建模，通過調整網絡權重和偏移量，最小化均方誤差（MSE）來構建可靠的預測模型。同時，使用 MSE、擬合優度（R2）和泛化能力來評估模型性能。
- 模型驗證：構建的 BSFC、BSNOx和碳煙模型經驗證，MSE 較小，R2接近 1，預測值與實驗值接近，表明模型具有良好的可靠性和預測能力。
- 多目標優化結果：NSGA-II 算法優化得到的結果顯示，FT100 在更寬的 IT 范圍和更低的 Pcr下可實現多目標優化。與 PD100 相比，FT100 在優化后，BSFC 平均降低 1.6%，BSNOx平均降低 25.3%，K 平均降低 59.0% 。
研究表明，FT100 在 DICI 發動機中具有顯著的應用潛力。它不僅燃燒特性與 PD100 相近，且燃油經濟性更好，排放更低。通過 BP 神經網絡和 NSGA-II 算法建立的預測模型和優化策略，為 FT100 在發動機中的應用提供了更合適的控制策略，有助于滿足更嚴格的排放標準，推動可持續燃料的使用。不過，該研究存在一定局限性，如研究范圍較窄，僅針對特定發動機配置、工況和燃料成分，且模型開發和優化方法較為單一。未來研究可擴大發動機配置范圍、研究不同燃料添加劑的影響，并采用多種數學方法，以進一步優化 FT100 在發動機中的應用。
