天然氣和生物柴油在氣道和缸內(nèi)噴射混合的燃燒特性分析

李軍， 蘇飚

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 重慶 400074)

天然氣和生物柴油在氣道和缸內(nèi)噴射混合的燃燒特性分析

李軍， 蘇飚

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 重慶 400074)

將某款柴油機(jī)改用進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的混合燃燒方式，通過(guò)均勻設(shè)計(jì)的方式，綜合運(yùn)用二次多項(xiàng)式逐步回歸法和綜合加權(quán)評(píng)分值法，確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比.通過(guò)GT-POWER仿真軟件創(chuàng)建柴油機(jī)模型，分析在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下該柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性.仿真結(jié)果表明：混合燃燒方式較原機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性略有下降；在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，混合燃燒方式的NO排放量低于原機(jī)，但CO排放量與原機(jī)相比基本保持不變.

柴油機(jī)； 燃燒特性； 天然氣； 生物柴油； 均勻設(shè)計(jì)； 摻燒比； GT-POWER仿真

Abstract： A mixed combustion mode was adopted for a diesel engine by the way of natural gas injected into the inlet and biodiesel directly injected into the cylinder. The two-polynomial stepwise regression method and comprehensive weighted score method were used to determine the optimal blending ratio of natural gas and biodiesel. The diesel engine model was built by GT-POWER simulation software, and the power, economy and emissions of the diesel engine at different engine speeds were analyzed. The simulation results show that comparing with the original mode the power and the economy of mixed combustion slightly decreased; in high speed, the NO emission is lower, but CO emission remained unchanged.

Keywords： diesel engine； combustion characteristics； natural gas； biodiesel； uniform design； blending ratio； GT-POWER simulation

環(huán)境污染嚴(yán)重和石油資源短缺這兩大問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)的熱點(diǎn)，而汽車尾氣排放卻是城市的主要污染源之一[1].因此，各國(guó)政府非常重視車用清潔能源的研究及應(yīng)用[1].生物柴油作為一種替代燃料，與石化柴油相比，其生命周期中CO凈釋放量少[2]，對(duì)解決日益嚴(yán)重的化石燃料短缺和溫室氣體的控制等問(wèn)題意義重大[3-8].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開展了大量生物柴油在柴油機(jī)上應(yīng)用的研究[9-10]，證明了生物柴油作為替代燃料的可行性.天然氣由于低排放、安全可靠、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，使其具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[11].當(dāng)天然氣與空氣混合充分、燃燒徹底，可大幅度降低CO和碳?xì)浠衔锏呐欧帕?，且天然氣的火焰溫度低，也?huì)使NO排放量減少[11].本文通過(guò)GT-POWER仿真軟件創(chuàng)建柴油機(jī)模型[12]，改用進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油混合燃燒方式，采用均勻設(shè)計(jì)的方式確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比例，并分析該款柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性.

1 均勻設(shè)計(jì)確定摻燒比

1.1均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)選擇[13-15]

選用柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù):發(fā)動(dòng)機(jī)位四缸、四沖程、增壓中冷型式；缸徑為100 mm;沖程為100 mm；連桿長(zhǎng)度為152 mm；排量為3.14 L；噴油壓力為95 MPa；全負(fù)荷時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)為1.68.運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)以扭矩、燃料消耗率、CO和NO排放為優(yōu)化目標(biāo)，研究確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比例.試驗(yàn)點(diǎn)摻燒比的分配,如表1所示.選擇天然氣摻燒比(x1)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(x2)和負(fù)荷(x3)為實(shí)驗(yàn)因素，均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)的安排及試驗(yàn)結(jié)果,如表2所示.表2中：y1,y2,y3,y4分別表示轉(zhuǎn)矩和燃油消耗(BSFC)，CO，NO的排放量.

表1 試驗(yàn)點(diǎn)摻燒比的分配Tab.1 Distribution of mixing ratio of test point

表2 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Arrangement of uniform design and test results

續(xù)表Continue table

1.2二次多項(xiàng)式逐步回歸法

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采取二次多項(xiàng)式逐步回歸法進(jìn)行分析，二次多項(xiàng)式模型為

以轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)的回歸方程為

以BSFC為優(yōu)化目標(biāo)的回歸方程為

以CO為優(yōu)化目標(biāo)的回歸方程為

以NO為優(yōu)化目標(biāo)的回歸方程為

1.3綜合加權(quán)評(píng)分值法

實(shí)驗(yàn)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,BSFC，CO和NO排放量進(jìn)行優(yōu)化.因此，要對(duì)各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行整合，從而得到可以量化的綜合優(yōu)化目標(biāo).文中采用加權(quán)綜合評(píng)分值法,得出綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)Yi，其計(jì)算式為

采用綜合加權(quán)評(píng)分值法確定各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，各權(quán)重系數(shù)絕對(duì)值之和應(yīng)為1.由于NO排放變化量較小，所以不將NO排放作為優(yōu)化目標(biāo)，取ci=0.由發(fā)動(dòng)機(jī)性能可知，扭矩越大越好，對(duì)于BSFC，CO的排放則是較小為好.為了統(tǒng)一優(yōu)化目標(biāo)，使得綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)大小的變化所代表的發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣，將扭矩的權(quán)重系數(shù)設(shè)置為負(fù)數(shù)，因此,綜合優(yōu)化目標(biāo)數(shù)值越小發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好.

根據(jù)各優(yōu)化目標(biāo)重點(diǎn)，設(shè)置了兩種權(quán)重分配方案.1) 方案一.a1=-0.3，b1=0.3，d3=0.4.2) 方案二.a2=-0.4，b2=0.4，d2=0.2.由此得到綜合優(yōu)化目標(biāo)方程Y1，Y2分別為

綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的各種使用工況，在不同的天然氣摻燒比下，對(duì)綜合優(yōu)化目標(biāo)方程Y1，Y2的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2和負(fù)荷x3進(jìn)行二重積分計(jì)算，x2的變化范圍為1 000～5 000 r·min-1，x3為25%～100%.由此得到綜合優(yōu)化目標(biāo)與不同天然氣摻燒比的關(guān)系曲線，如圖1所示.

(a) 方案一 (b) 方案二圖1 綜合優(yōu)化指標(biāo)與天然氣摻燒比的關(guān)系Fig.1 Relationship between comprehensive optimization index and blending ratio of natural gas

對(duì)于加權(quán)綜合評(píng)分值法的權(quán)重方案，當(dāng)綜合優(yōu)化目標(biāo)Y1,Y2取最小值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的天然氣摻燒比分別為0.4(方案一)和0.5(方案二)，即為綜合考慮所有工況下以扭矩,BSFC,CO排放為優(yōu)化目標(biāo)的較優(yōu)摻燒比.

2 較優(yōu)摻燒比下發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析

改用進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的混合燃燒方式后，通過(guò)均勻設(shè)計(jì)的方式，結(jié)合二次多項(xiàng)式逐步回歸法和綜合加權(quán)評(píng)分值法，確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比例.通過(guò)GT-POWER仿真軟件,分析在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下方案一、二和原機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，如圖2～5所示.圖2～5中：T為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Qb為燃油消耗率；QNO,QCO分別為NO，CO的排放量.

圖2 不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化 圖3 不同轉(zhuǎn)速下燃油消耗率的變化Fig.2 Variation of engine torque at different speeds Fig.3 Variation of fuel consumption under different speeds

圖4 不同轉(zhuǎn)速下NO排放的變化 圖5 不同轉(zhuǎn)速下CO排放的變化 Fig.4 Variation of NO emission at different speeds Fig.5 Variation of CO emission at different speeds

由圖2～5可知：改用進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油混合燃燒方式后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率與原機(jī)大致相同,在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，兩者略低于原機(jī).因此，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性也呈相同的趨勢(shì).在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí),混合燃燒方式的NO排放略優(yōu)于原機(jī),在中等轉(zhuǎn)速(1 500～3 500 r·min-1)時(shí)，NO的排放明顯優(yōu)于原機(jī).混合燃燒方式對(duì)CO的排放影響不大，在1 000 r·min-1以下和4 000 r·min-1以上時(shí)，CO的排放會(huì)略低于原機(jī).

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將某款柴油機(jī)改用進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的混合燃燒方式，分析該款發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性.通過(guò)均勻設(shè)計(jì)的方式，綜合運(yùn)用二次多項(xiàng)式逐步回歸法和綜合加權(quán)評(píng)分值法，得到了兩種方案下兩種天然氣摻燒比例.研究表明：改用進(jìn)氣道噴射天然氣和缸內(nèi)直噴生物柴油的混合燃燒方式，可以在基本保持動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能，明顯減少了NO的排放量.

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(責(zé)任編輯： 黃仲一英文審校： 崔長(zhǎng)彩)

AnalysisofCombustionCharacteristicsofNaturalGasandBiodieselinAirwayandIn-CylinderJetMixing

LI Jun， SU Biao;

(School of Mechanical and Vehicle Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201702105

2017-02-17

李軍(1964-)，男，教授，博士，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放與控制、節(jié)能與新能源汽車的研究.E-mail:cqleejun@163.com.

重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(CSTC2013YYKFB0184)； 重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研基金資助項(xiàng)目(CSCT2015YFPT-ZDSYS30001， CSTC2015YFPT-ZDSYS3000)； 重慶市教委科研基金資質(zhì)項(xiàng)目(KJ120423)

U 262.111.51

A

1000-5013(2017)05-0614-05