柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)模擬計算

張承維 梁議化

摘 要：用GT-Power和AVL-Fire建立柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程的一維模型和燃燒室三維模型，并對模型進(jìn)行擬合，從一維模型中觀察缸內(nèi)壓力、最大壓力值位置、最大壓力升高率和功率，從三維模型中觀察燃燒因子、NOX、Soot、CO和CH4的變化情況，仿真發(fā)現(xiàn)：氣缸最大壓力值為15.92MPa，最大壓力值位置723.4°CA，最大壓力升高率0.75MPa/°CA;隨著燃燒因子增加，缸內(nèi)溫度增大，在燃燒點(diǎn)附近產(chǎn)生CO、NOX、Soot開始增加;當(dāng)燃燒因子減小時，缸內(nèi)高溫繼續(xù)擴(kuò)散，充滿燃燒室大部分空間，CO、NOX、Soot均出現(xiàn)先增加后減小的變化;CH4先均勻充滿整個燃燒室，在噴油開始時刻，燃燒室噴油點(diǎn)處的CH4濃度最大，隨著燃燒的進(jìn)行，CH4濃度減小，當(dāng)燃燒結(jié)束后，燃燒室邊沿濃度較高。

關(guān)鍵詞：雙燃料發(fā)動機(jī);一維模型;三維模型;燃燒過程;燃燒室

Abstract： One-dimensional model of diesel-CNG dual-fuel engine combustion process and three-dimensional model of combustion chamber are established by GT-Power and AVL-Fire and the model is fitted. The maximum pressure， the position of maximum pressure， the rise rate of maximum pressure and power in cylinder are observed from the one-dimensional model. The changes of combustion factors， NOX， Soot， CO， and CH4 are observed from the three-dimensional model. The results show that the maximum pressure is 13.92MPa， the position of maximum pressure is 723.4°CA， the rise rate of maximum pressure is 0.75MPa/°CA. With the increase of combustion factor， the temperature increase in cylinder. The CO， NOX， Soot begin to increase near the combustion point. When the combustion factor decreases， the high temperature continue spreads in the cylinder and fills most of the combustion chamber space， CO， NOX and Soot increase first and then decrease. CH4 fills the whole combustion chamber evenly. At the beginning of injection， CH

前言

能源匱乏和全球環(huán)境惡化已成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，開發(fā)利用高效清潔燃料已經(jīng)刻不容緩。在內(nèi)燃機(jī)燃料中，天然氣以其良好的排放、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)受到高度重視，柴油-天然氣雙燃料摻燒發(fā)動機(jī)與天然氣單燃料發(fā)動機(jī)相比有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，首先，采用雙燃料發(fā)動機(jī)的汽車不受天然氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施限制，其次，柴油摻燒天然氣能使原柴油機(jī)達(dá)到更低的廢氣排放，最后，也是最重要的，柴油機(jī)摻燒天然氣有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，容易被用戶接受。柴油-天然氣雙燃料摻燒發(fā)動機(jī)對比單燃料天然氣發(fā)動機(jī)和純柴油發(fā)動機(jī)優(yōu)勢明顯，為什么柴油-天然氣雙燃料摻燒發(fā)動機(jī)在全球沒有得到廣泛運(yùn)用，主要的原因是改裝之后雙燃料發(fā)動機(jī)故障頻發(fā)。

傳統(tǒng)的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)ECU屏蔽掉部分噴油脈沖，雙燃料發(fā)動機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、排放以及動力性互相矛盾。隨著天然氣對柴油替代率的增加，動力性變差，CO排放增加，NOX降低，HC排放增加;隨著噴油時刻的提前，缸內(nèi)壓力先升高后降低，放熱率出現(xiàn)先高后低[1]。文獻(xiàn)[2]采用天然氣ECU控制天然氣噴射量，柴油ECU控制柴油噴射量，研究發(fā)現(xiàn)：雙燃料運(yùn)行模式時的發(fā)動機(jī)渦輪增壓器后的排氣溫度和純柴油相比沒有明顯升高，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速點(diǎn)要略高于純柴油運(yùn)行模式，NO 和CO排放濃度低于純柴油，HC排放濃度明顯高于純柴油，當(dāng)天然氣摻燒替代率達(dá)到一定值時雙燃料運(yùn)行模式時的碳煙濃度相比純柴油模式運(yùn)行明顯下降，在保證原機(jī)動力性的條件下，試驗(yàn)發(fā)動機(jī)雙燃料模式運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性和排放特性都要優(yōu)于純柴油運(yùn)行模式。文獻(xiàn)[3]以濰柴WP10.336型柴油機(jī)為原型機(jī)，采用單ECU同時控制柴油噴射和天然氣供給，對柴油天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)純柴油機(jī)改為柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)可以保證其動力性基本不變，ESC循環(huán)各工況點(diǎn)替代率在88%～ 97%，在雙燃料燃燒模式下，燃料消耗量比純柴油燃燒模式下低，但是熱效率也比純柴油燃燒模式下低，柴油/天然氣雙燃料燃燒模式可以降低NOX排放，但是會使HC排放增加。 開發(fā)新一代柴油天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，采用主動燃燒控制策略，在不同工況下采用不同燃燒控制策略來解決可靠性、經(jīng)濟(jì)性、排放以及動力性互相矛盾的問題，讓可靠性、排放、經(jīng)濟(jì)性、動力性在局部范圍內(nèi)最優(yōu)，本論文采用數(shù)值模擬方式，建立柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)工作過程一維模型和燃燒室的三維燃燒模型，采用兩次噴射，預(yù)噴和主噴，預(yù)噴柴油與天然氣形成混合均勻的燃料，缸內(nèi)燃燒局部過濃區(qū)域減少，燃燒放熱重心靠近上止點(diǎn)位置，缸內(nèi)燃燒較好，缸內(nèi)壓力及放熱率升高，燃燒效率增加，熱值折合油耗下降[4]，主噴在上止點(diǎn)之前，用來點(diǎn)燃缸內(nèi)混合燃料，控制燃燒時最大壓力值發(fā)生在上止點(diǎn)后的5°左右。為新一代控制系統(tǒng)的開發(fā)打好理論基礎(chǔ)。

1 模型

用GT-Power軟件和AVL-Fire軟件建立雙燃料發(fā)動機(jī)工作過程一維模型和燃燒室三維模型，能夠觀察到發(fā)動機(jī)工作過程的主要特征指標(biāo)和燃燒生成的主要物質(zhì)。

1.1 工作過程一維模型

GT-Power是由美國Gamma Technologies公司開發(fā)的，專門用于內(nèi)燃機(jī)仿真的一款軟件，在同款軟件中，GT-Power軟件最為靈活和全面、具有豐富的例子，便于學(xué)習(xí)。以WD615為原型機(jī)，該機(jī)的基本參數(shù)如表1所示，柴油天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)仿真模塊包括：進(jìn) 氣、排氣、渦輪增壓、氣缸、噴油、噴氣、曲軸箱和排氣模塊等，如圖1所示。氣缸的傳熱模型采用Woschni模型，燃燒模采用三個Wiebe模型疊加模擬。

1.2 燃燒室三維模型

AVL-Fire軟件是由AVL公司開發(fā)的，不僅能求解通用流動問題，也能求解最復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動和燃燒等現(xiàn)象的軟件。為了全面觀察燃燒室狀態(tài)，用AVL-Fire軟件建立活塞全模型，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到396324個網(wǎng)格，如圖2所示。缸內(nèi)氣體一直進(jìn)行著復(fù)雜多變的湍流運(yùn)行，燃油噴入氣缸混合到燃油燃燒之前，缸內(nèi)同時存在著燃油湍流、破碎、碰壁、碰撞和蒸發(fā)等現(xiàn)象，每種現(xiàn)象都有可供選擇的子模型，表2列舉出了選擇之后的多維模型。雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程中，柴油采用正庚烷NC7H16替代、天然氣采用甲烷CH4來替代，柴油天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型包括：甲烷正庚烷低溫簡化反應(yīng)動力學(xué)模型、甲烷簡化反應(yīng)動力學(xué)模型、正庚烷簡化反應(yīng)動力學(xué)模型以及NOX生產(chǎn)子模型等組成。

2 模型驗(yàn)證

臺架試驗(yàn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，雙燃料發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，發(fā)動機(jī)工作在2200rmp、功率為205.4kW，采用壓力傳感器或燃燒分析儀測取發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的壓力和放熱率曲線，不斷調(diào)整GT-Power燃燒模型參數(shù)以及AVL-Fire中燃燒室邊界條件正，讓模型的壓力曲線與測量所得的曲線基本一致，如圖4所示，負(fù)荷處理電路根據(jù)測量得到的信號判斷發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)（大負(fù)荷、重負(fù)荷和小負(fù)荷），根據(jù)工作狀態(tài)選擇雙燃料ECU還是原柴油ECU，處于大負(fù)荷和中負(fù)荷時，采用雙燃料ECU，雙燃料ECU根據(jù)內(nèi)部存儲的噴油和噴氣MAP圖，控制噴油和噴氣量。小負(fù)荷時柴油噴油量比較少，采用原柴油ECU。

3 計算結(jié)果分析

3.1 GT-Power仿真結(jié)果

將臺架臺架試驗(yàn)實(shí)際數(shù)據(jù)輸入GT-Power所建立的模型中（如圖1所示），調(diào)整模型參數(shù)，觀察得到工作過程的關(guān)鍵參數(shù)如表4所示。從表可以看出GT-Power工作過程仿真模型得到雙燃料發(fā)動機(jī)功率為206.8kW，與實(shí)際功率相差1.4kW，最大壓力升高率為0.75MPa/°CA小于1MPa/°CA，工作不粗暴[5]。

3.2 AVL-Fire仿真結(jié)果

將發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入AVL-Fire仿真模型中，替代率為70%，采用兩次噴油，預(yù)噴為30%柴油，噴油始點(diǎn)為680°CA，預(yù)噴的柴油與缸內(nèi)燃?xì)庑纬删鶆虻幕旌蠚怏w，當(dāng)活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)附近時，再噴入剩余的70%的柴油點(diǎn)燃缸內(nèi)氣體為主噴，噴油始點(diǎn)為705°CA，預(yù)噴和主噴的噴油間隔為25°CA。從圖5可以看出，隨著主噴開始，燃燒因子開始增加，燃燒過程也逐漸開始，燃燒因子在720°CA附近增加到最大值，如圖5A點(diǎn)所示，之后燃燒因子減弱。

4 結(jié)論

通過建立雙燃料發(fā)動機(jī)一維和三維仿真模型，并將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到如下結(jié)論。

（1）通過一維仿真模型可以觀察到，缸內(nèi)最大壓力值、最大壓力值位置、壓力升高率和功率，從而分析發(fā)動機(jī)效率以及發(fā)動機(jī)工作的粗暴度。

（2）通過三維仿真模型可以觀察到，隨著主噴的進(jìn)行，燃燒因子和燃燒室溫度開始逐漸增加，缸內(nèi)燃?xì)忾_始燃燒。在高溫包圍內(nèi)，溫度比較低的地方CO值增加到最大;燃燒室溫度越高的地方，NOX濃度也越高;在噴油區(qū)域內(nèi)，CH4濃度最高，隨著燃燒的進(jìn)行，CH4濃度開始降低，當(dāng)燃燒結(jié)束后，燃燒室邊沿處溫度較低，CH4濃度較高;隨著燃燒的進(jìn)行Soot濃度開始增加，在高溫包圍區(qū)域內(nèi)，Soot增加到最大，當(dāng)燃燒結(jié)束后Soot濃度開始降低。

參考文獻(xiàn)

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