柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機替代率與噴油提前角優(yōu)化*

張承維,肖 兵,鐘家明

(華南理工大學自動化科學與工程學院，廣州 510640)

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2015210

柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機替代率與噴油提前角優(yōu)化*

張承維,肖 兵,鐘家明

(華南理工大學自動化科學與工程學院，廣州 510640)

利用GT-power軟件建立了柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機工作過程仿真模型，用偏最小二乘回歸方法建立NOX,HC,CO和煙度排放模型，研究燃料替代率和噴油提前角對發(fā)動機可靠性和排放的影響。以發(fā)動機可靠性作為優(yōu)化約束條件，兼顧動力性和排放，對各工況的替代率和噴油提前角進行優(yōu)化。把優(yōu)化后的替代率和噴油提前角脈譜圖嵌入發(fā)動機電子控制單元中，通過臺架試驗對替代率和噴油提前角進一步優(yōu)化，最終得到滿足可靠性、動力性、經(jīng)濟性和排放的最優(yōu)替代率和噴油提前角。

雙燃料發(fā)動機；排放模型；替代率；噴油正時；可靠性

前言

柴油發(fā)動機如何可靠地摻燒天然氣是值得深入研究的課題，開發(fā)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)時，有兩個問題需要解決：一是不同工況下的替代率；二是柴油的噴油提前角。

本文中專門針對高壓共軌柴油機，開發(fā)柴油-天然氣雙燃料摻燒控制系統(tǒng)。有別于采用被動控制的第一代高壓共軌柴油-天然氣電控系統(tǒng)[1](控制噴氣量和噴油量)，所開發(fā)的摻燒控制系統(tǒng)采用主動燃燒控制策略，即不僅控制噴氣量、噴油量，還控制噴油提前角。國內(nèi)外學者對柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機開展了大量研究，總結(jié)了負荷、轉(zhuǎn)速、替代率、噴油提前角和燃燒室形狀等對缸內(nèi)燃燒壓力、放熱規(guī)律、著火特性和排放的影響[2]。從這些研究表面看，柴油機摻燒天然氣是順理成章的事，較易實施。天然氣價格比柴油便宜，天然氣對柴油的替代率越大，經(jīng)濟性越好，為了追求經(jīng)濟性，在發(fā)動機改裝時盲目追求高替代率，且第一代摻燒電控系統(tǒng)的噴油提前角簡單沿用原柴油機的噴油提前角，導致了發(fā)動機實際運行效果都不理想，頻繁發(fā)生拉缸[3]、活塞熔頂?shù)裙收希瑯O大地打擊了用戶的積極性。究其原因是摻燒發(fā)動機的替代率和噴油提前角選擇不合理，須針對摻燒工況對替代率和噴油提前角進行優(yōu)化。

本文中針對摻燒電控系統(tǒng)開發(fā)需求，定量研究替代率、噴油提前角的優(yōu)化規(guī)律。采用GT-power仿真軟件建立雙燃料摻燒發(fā)動機工作過程模型，用偏最小二乘(PLS)回歸方法建立排放模型，以發(fā)動機可靠性為主要優(yōu)化約束條件，兼顧經(jīng)濟性、排放和動力性，尋找各工況的最優(yōu)替代率和噴油提前角，并以脈譜圖形式嵌入到摻燒ECU軟件中。在此基礎上，通過臺架試驗對替代率和噴油提前角作進一步在線優(yōu)化。

1 雙燃料發(fā)動機模型

為了更好地研究燃料替代率和噴油提前角對柴油-天然氣雙燃料摻燒發(fā)動機工作過程和排放規(guī)律的影響，建立了摻燒發(fā)動機模型，以觀察臺架試驗中不便測量的燃燒過程關鍵參數(shù)，為替代率和噴油提前角的優(yōu)化提供依據(jù)。

1.1 發(fā)動機工作過程模型

雙燃料發(fā)動機工作過程采用GT-power仿真軟件來模擬，以中國重汽的WD615-93高壓共軌柴油發(fā)動機為原型機，該柴油機基本參數(shù)如表1所示。

表1 柴油發(fā)動機的基本參數(shù)

柴油-天然氣摻燒發(fā)動機仿真模型包括：進氣、渦輪增壓、氣缸、曲軸箱和排氣等模塊，具體如圖1所示。氣缸的傳熱采用Woschni模型，柴油的噴油采用InjProfileConn模型，啟噴壓力為30MPa，最高噴油壓力達到160MPa。天然氣的噴射采用InjAFSeqConn模型。

針對雙燃料摻燒，重新構(gòu)建的燃燒模型由3個零維的單Weibe函數(shù)疊加而成。模型中有9個待定參數(shù)，分別是滯燃期、預混合分數(shù)、后燃燒分數(shù)、預混合燃燒持續(xù)期、主燃燒持續(xù)期、后燃燒持續(xù)期、預混合燃燒指數(shù)、主燃燒指數(shù)和后燃燒指數(shù)。不同工況下，替代率和噴油提前角不同，這些參數(shù)相應變化。柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機的滯燃期與純柴油發(fā)動機不同，不能完全引用柴油發(fā)動機滯燃期預測模型，本文中以Assanis公式為基礎，引入含有十六烷值的溫度系數(shù)，得到柴油-天然氣雙燃料摻燒發(fā)動機滯燃期公式：

(1)

CCN=CCN1·MCNG+CCN2·MDIESEL

(2)

式中:τ為滯燃期；φ為當量比；p，T和R分別為噴油時刻的壓力、溫度以及氣體常數(shù)；CCN是按柴油、天然氣混合氣體質(zhì)量摻混比計算出來的十六烷值；CCN1和CCN2分別為天然氣和柴油的十六烷值；MCNG和MDIESEL分別為天然氣和柴油的質(zhì)量分數(shù)。式(1)計算的滯燃期是以時間來表示，仿真時轉(zhuǎn)化為曲軸轉(zhuǎn)角單位。

表2為發(fā)動機工況1(轉(zhuǎn)速1 000r/min、全負荷功率91.5kW)和工況2(轉(zhuǎn)速1 400r/min、全負荷功率166kW)，噴油提前角為11°CA，替代率為70%時，摻燒燃燒模型的8個參數(shù)，它們在柴油機模型的基礎上進行修正。圖2為工況1、替代率為70%時，缸內(nèi)壓力和放熱率的仿真與試驗對比曲線圖。

參數(shù)工況1工況2預混合燃燒分數(shù)0.50.5預混合燃燒持續(xù)期/(°CA)55.5預混合燃燒指數(shù)0.50.5主燃燒持續(xù)期/(°CA)1516主燃燒指數(shù)0.60.7后燃燒分數(shù)0.080.08后燃燒持續(xù)期/(°CA)1820后燃燒指數(shù)0.80.8

1.2 排放模型

GT-power中的排放模型是針對單燃料建立的，不適合柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機，須重新建立排放模型。發(fā)動機的排放與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、噴油提前角、替代率和當量比有很大關系。本文中用偏最小二乘(PLS)回歸方法[4]建立了氮氧(NOX)、一氧化碳(CO)、碳氫(HC)和煙度等排放模型。以轉(zhuǎn)速(r/min)、轉(zhuǎn)矩(N·m)、噴油提前角(°CA)、替代率和當量比等作為自變量，NOX，CO，HC和煙度等作為因變量。用matlab編寫了PLS分析程序，以雙燃料發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)作為檢驗樣本，經(jīng)標準化處理后轉(zhuǎn)化為標準數(shù)據(jù)，再進行PLS回歸分析。得到NOX，CO，HC和煙度(BSU)排放的回歸優(yōu)化模型，分別如式(3)～式(6)所示。

y1= -889.01+0.22x2+201.24x3+34.95x4+

(3)

y2= 147.64+0.04x1+0.0163x2-

39.10x3-6.9x4+223.54x5

(4)

y3= 170.98+0.018x1+0.0055x2-

83.93x3+4.58x4+132.31x5

(5)

y4= 1.48+0.0003x1+0.0001x2-

1.3x3-0.11x4+1.29x5

(6)

式中：變量y1，y2，y3和y4分別代表NOX，CO，HC和煙度；x1，x2，x3，x4和x5分別代表轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、替代率、噴油提前角和當量比。

本文中主要研究替代率和噴油提前角對雙燃料摻燒發(fā)動機性能的影響，從式(3)～式(6)可以看出，NOX排放隨著替代率和噴油提前角的增加而增大，因為替代率和噴油提前角增加時，缸內(nèi)燃燒溫度升高，導致NOX排放增加；CO排放隨著替代率和噴油提前角的增加而減小，因為替代率增加時，柴油噴射量減小，天然氣噴射量增加且與空氣混合均勻，使得CO的排放減小。噴油提前角增加時，燃燒溫度較高有利于CO的氧化；隨著替代率的增加，當排氣門打開時，未燃的HC增加。噴油提前角增加時，引燃的燃油混合更均勻，燃燒更充分，從而使得HC排放降低；煙度隨著替代率和噴油提前角的增加而減小，因為替代率增加時，柴油噴油量減少，使得擴散燃燒的柴油量減少， 煙度排放降低。噴油提前角增加時，引燃的燃油混合更均勻，擴散燃燒減少，使得煙度排放下降。圖3為替代率和噴油提前角變化時，NOX排放的仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比圖。

2 最優(yōu)替代率

天然氣對柴油的替代率，指在某一工況下，將部分柴油按等熱值轉(zhuǎn)換成天然氣后，天然氣燃燒所放出的熱量占柴油和天然氣摻燒時所放出總熱量的百分比，即

(7)

式中：mc和md分別為天然氣和柴油質(zhì)量；Hc和Hd分別為天然氣和柴油低熱值。

表3和表4分別為工況1和工況2在噴油提前角為11°CA、不同替代率時，發(fā)動機工作過程的主要指標。圖4示出其中NOx排放和最大壓力升高率隨替代率的變化曲線。從表可以看出，隨著替代率的增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力值逐漸增大，最大壓力值出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角在TDC之后且越靠近TDC，發(fā)動機爆燃傾向增加，最大壓力升高率、最高燃燒溫度和轉(zhuǎn)矩也都隨著替代率的增加而增大。說明不能為經(jīng)濟性而片面追求高替代率，必須仔細考慮發(fā)動機的可靠性。在工況1時選擇替代率為75%，在工況2時選擇替代率為85%，以獲得良好的經(jīng)濟性。雖然這樣選擇替代率，最大壓力升高率均超過了爆燃界限[5](1.00MPa/°CA)，但后面通過調(diào)整噴油提前角仍可保證發(fā)動機可靠性。若選擇過大的替代率，通過調(diào)整噴油提前角來保證可靠性會使動力性變差。另外，從圖4可以看出，最大壓力升高率超過爆燃界限時，NOX排放超過了800×10-6。

替代率/%NOX/10-6CO/10-6HC/10-6煙度/BSU最大爆發(fā)壓力/MPa最大壓力位置/(°CA)最大壓力升高率(MPa/°CA)最高燃燒溫度/K轉(zhuǎn)矩/(N·m)307232202280.9913.3110.130.612096882407382162370.7913.569.940.672145886507562112460.6613.929.780.752195892607732072540.5814.269.490.832263896707922022620.5014.589.370.932295899758411982670.4514.939.241.162395901808511972710.2815.029.081.272428903908731932790.0715.139.021.312426905

表4 工況2，發(fā)動機工作指標隨替代率變化規(guī)律

對各工況進行仿真，得到基于轉(zhuǎn)速、負荷的最優(yōu)替代率脈譜圖，如圖5所示。當負荷小于30%時，每個循環(huán)的噴油量比較小，為了保證發(fā)動機的可靠運行，均采用純柴油的供油方式[6]。

3 最優(yōu)噴油提前角

與純柴油模式一個氣缸工作循環(huán)中多次柴油噴射不同，雙燃料摻燒時可只噴一次柴油，該次柴油噴射定時定義為噴油提前角[7]。噴油提前角是柴油-天然氣摻燒過程中的一個重要參數(shù)，影響著發(fā)動機的可靠性、動力性、經(jīng)濟性和排放，正確選擇噴油提前角有利于改善發(fā)動機的各項指標[8]。

表5和表6分別是發(fā)動機工況1、替代率75%和工況2、替代率85%，不同噴油提前角，發(fā)動機工作的主要指標。由表5可見，當噴油提前角為11°CA時，最大爆發(fā)壓力值為14.93MPa，最大壓力升高率為1.16MPa/°CA超過了爆燃界限，NOX排放達到了841×10-6，為了保證發(fā)動機的可靠性，綜合考慮動力性和排放，選擇工況1的噴油提前角為9.5°CA。類似地，選擇工況2的噴油提前角為10.5°CA。由圖6可見，NOX排放和最大壓力升高率與噴油提前角成正相關關系，當最大壓力升高率高于爆燃界限值時，NOX排放超過了800×10-6。所以，控制NOX的排放保持在800×10-6以內(nèi)，則能基本保證雙燃料摻燒發(fā)動機的安全可靠性。

綜合仿真數(shù)據(jù)，得到基于轉(zhuǎn)速、負荷的噴油提前角脈譜圖，如圖7所示。

表5 工況1，發(fā)動機工作指標隨噴油提前角變化規(guī)律

表6 工況2，發(fā)動機工作指標隨噴油提前角變化規(guī)律

4 雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)描述

圖8為柴油-天然氣雙燃料主動摻燒電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中主要描述與摻燒ECU有關的部分，不包括高壓共軌柴油電控系統(tǒng)。摻燒ECU通過測量發(fā)動機進氣歧管壓力、進氣溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速來計算發(fā)動機運行負荷。再查詢ECU內(nèi)的替代率脈譜圖、噴油提前角脈譜圖，確定天然氣與柴油的噴射質(zhì)量和柴油噴射提前角，分別對雙燃料發(fā)動機的柴油噴嘴和天然氣噴嘴進行控制。

5 臺架試驗結(jié)果

采用所開發(fā)的摻燒電控系統(tǒng)，以仿真得到的數(shù)據(jù)作為初始脈譜圖，對發(fā)動機進行臺架試驗。對替代率和噴油提前角進行臺架試驗優(yōu)化，圖9和圖10分別為實驗優(yōu)化后的替代率和噴油提前角脈譜圖。工況1的替代率為76.3%，噴油提前角為9.1°CA；工況2的替代率為83.6%，噴油提前角為10.6°CA。對于發(fā)動機所有運行工況點，實測NOX排放都在800×10-6以內(nèi)，以Kistler壓力傳感器實測得到的最大壓力升高率小于1.00MPa/°CA，說明雙燃料發(fā)動機運行在安全范圍內(nèi)，試驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)相吻合。

6 結(jié)論

通過仿真對柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機的替代率和噴油提前角進行了初步優(yōu)化，把替代率和噴油提前角脈譜圖嵌入ECU中，通過臺架試驗對替代率和噴油提前角進行在線優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

(1) NOX排放與發(fā)動機可靠性成正相關關系，當發(fā)動機的最大壓力升高率超過爆燃界限(1.00MPa/°CA)時，NOX排放超過800×10-6。要保證發(fā)動機的可靠性，要求NOX排放保持在800×10-6以內(nèi)。因此可采用NOX傳感器實時監(jiān)控摻燒發(fā)動機的可靠性。

(2) 高替代率使發(fā)動機獲得良好的經(jīng)濟性，調(diào)整噴油提前角可保證發(fā)動機的可靠性，兼顧發(fā)動機動力性和排放要求，對全工況運行時的噴油提前角進行全面優(yōu)化，實現(xiàn)柴油-天然氣雙燃料摻燒發(fā)動機的主動燃燒控制，保證發(fā)動機能安全可靠運行。

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Optimization on the Replacement Rate and Injection Timing of Diesel/Natural Gas Dual Fuel Engine

Zhang Chengwei ，Xiao Bing & Zhong Jiaming

CollegeofAutomationScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640

A working process simulation model for diesel / natural gas dual fuel engine is established with GT-power software, and an emission models of NOx, HC, CO and soot is created by using partial least squares regression algorithm. The effects of fuel replacement rate and injection timing on the reliability and emission of engine is studied. Concurrently considering the power performance and emission of engine, with reliability as constraint, an optimization is conducted on replacement rate and the advance angle of fuel injection in different conditions. With the map of optimized replacement rate and fuel injection angle embedded into the electrically controlled unit of engine, the replacement rate and fuel injection angle are further optimized by bench test, with the optimal replacement rate and injection angle meeting the requirements of reliability, power, fuel economy and emission performances obtained in the end.

dual fuel engine; emission model; replacement rate; injection timing; reliability

*國家自然科學基金(61174135)資助。

原稿收到日期為2014年3月19日，修改稿收到日期為2014年6月2日。