天然气和生物柴油在气道和缸内喷射混合的燃烧特性分析

李军， 苏飚

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院， 重庆 400074)

天然气和生物柴油在气道和缸内喷射混合的燃烧特性分析

李军， 苏飚

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院， 重庆 400074)

将某款柴油机改用进气道喷射天然气和缸内直喷生物柴油的混合燃烧方式，通过均匀设计的方式，综合运用二次多项式逐步回归法和综合加权评分值法，确定天然气和生物柴油的最佳掺烧比.通过GT-POWER仿真软件创建柴油机模型，分析在不同发动机转速下该柴油机的动力性、经济性和排放性.仿真结果表明：混合燃烧方式较原机的动力性和经济性略有下降；在中高转速时，混合燃烧方式的NO排放量低于原机，但CO排放量与原机相比基本保持不变.

柴油机； 燃烧特性； 天然气； 生物柴油； 均匀设计； 掺烧比； 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

环境污染严重和石油资源短缺这两大问题已经成为社会的热点，而汽车尾气排放却是城市的主要污染源之一[1].因此，各国政府非常重视车用清洁能源的研究及应用[1].生物柴油作为一种替代燃料，与石化柴油相比，其生命周期中CO净释放量少[2]，对解决日益严重的化石燃料短缺和温室气体的控制等问题意义重大[3-8].近年来，国内外开展了大量生物柴油在柴油机上应用的研究[9-10]，证明了生物柴油作为替代燃料的可行性.天然气由于低排放、安全可靠、技术成熟的特点，使其具有良好的经济效益和环境效益[11].当天然气与空气混合充分、燃烧彻底，可大幅度降低CO和碳氢化合物的排放量，且天然气的火焰温度低，也会使NO排放量减少[11].本文通过GT-POWER仿真软件创建柴油机模型[12]，改用进气道喷射天然气和缸内直喷生物柴油混合燃烧方式，采用均匀设计的方式确定天然气和生物柴油的最佳掺烧比例，并分析该款柴油机的动力性、经济性及排放性.

1 均匀设计确定掺烧比

1.1均匀设计试验点选择[13-15]

选用柴油机的主要技术参数:发动机位四缸、四冲程、增压中冷型式；缸径为100 mm;冲程为100 mm；连杆长度为152 mm；排量为3.14 L；喷油压力为95 MPa；全负荷时的过量空气系数为1.68.运用均匀设计以扭矩、燃料消耗率、CO和NO排放为优化目标，研究确定天然气和生物柴油的最佳掺烧比例.试验点掺烧比的分配,如表1所示.选择天然气掺烧比(x1)、发动机转速(x2)和负荷(x3)为实验因素，均匀设计试验的安排及试验结果,如表2所示.表2中：y1,y2,y3,y4分别表示转矩和燃油消耗(BSFC)，CO，NO的排放量.

表1 试验点掺烧比的分配Tab.1 Distribution of mixing ratio of test point

表2 均匀设计试验安排及试验结果Tab.2 Arrangement of uniform design and test results

续表Continue table

1.2二次多项式逐步回归法

对试验数据采取二次多项式逐步回归法进行分析，二次多项式模型为

以转矩为优化目标的回归方程为

以BSFC为优化目标的回归方程为

以CO为优化目标的回归方程为

以NO为优化目标的回归方程为

1.3综合加权评分值法

实验需要对发动机转矩,BSFC，CO和NO排放量进行优化.因此，要对各个优化目标进行整合，从而得到可以量化的综合优化目标.文中采用加权综合评分值法,得出综合优化目标函数Yi，其计算式为

采用综合加权评分值法确定各个优化目标的权重系数，各权重系数绝对值之和应为1.由于NO排放变化量较小，所以不将NO排放作为优化目标，取ci=0.由发动机性能可知，扭矩越大越好，对于BSFC，CO的排放则是较小为好.为了统一优化目标，使得综合优化目标函数大小的变化所代表的发动机性能优劣，将扭矩的权重系数设置为负数，因此,综合优化目标数值越小发动机性能越好.

根据各优化目标重点，设置了两种权重分配方案.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.由此得到综合优化目标方程Y1，Y2分别为

综合考虑发动机的各种使用工况，在不同的天然气掺烧比下，对综合优化目标方程Y1，Y2的发动机转速x2和负荷x3进行二重积分计算，x2的变化范围为1 000～5 000 r·min-1，x3为25%～100%.由此得到综合优化目标与不同天然气掺烧比的关系曲线，如图1所示.

(a) 方案一 (b) 方案二图1 综合优化指标与天然气掺烧比的关系Fig.1 Relationship between comprehensive optimization index and blending ratio of natural gas

对于加权综合评分值法的权重方案，当综合优化目标Y1,Y2取最小值时，所对应的天然气掺烧比分别为0.4(方案一)和0.5(方案二)，即为综合考虑所有工况下以扭矩,BSFC,CO排放为优化目标的较优掺烧比.

2 较优掺烧比下发动机性能分析

改用进气道喷射天然气和缸内直喷生物柴油的混合燃烧方式后，通过均匀设计的方式，结合二次多项式逐步回归法和综合加权评分值法，确定天然气和生物柴油的最佳掺烧比例.通过GT-POWER仿真软件,分析在不同发动机转速下方案一、二和原机的发动机动力性、经济性和排放性，如图2～5所示.图2～5中：T为发动机扭矩；n为发动机转速；Qb为燃油消耗率；QNO,QCO分别为NO，CO的排放量.

图2 不同转速下发动机转矩的变化 图3 不同转速下燃油消耗率的变化Fig.2 Variation of engine torque at different speeds Fig.3 Variation of fuel consumption under different speeds

图4 不同转速下NO排放的变化 图5 不同转速下CO排放的变化 Fig.4 Variation of NO emission at different speeds Fig.5 Variation of CO emission at different speeds

由图2～5可知：改用进气道喷射天然气和缸内直喷生物柴油混合燃烧方式后，发动机转矩和燃油消耗率与原机大致相同,在中高转速时，两者略低于原机.因此，其动力性和经济性也呈相同的趋势.在低转速和高转速时,混合燃烧方式的NO排放略优于原机,在中等转速(1 500～3 500 r·min-1)时，NO的排放明显优于原机.混合燃烧方式对CO的排放影响不大，在1 000 r·min-1以下和4 000 r·min-1以上时，CO的排放会略低于原机.

3 结束语

通过将某款柴油机改用进气道喷射天然气和缸内直喷生物柴油的混合燃烧方式，分析该款发动机的燃烧特性.通过均匀设计的方式，综合运用二次多项式逐步回归法和综合加权评分值法，得到了两种方案下两种天然气掺烧比例.研究表明：改用进气道喷射天然气和缸内直喷生物柴油的混合燃烧方式，可以在基本保持动力性和经济性的基础上，提高发动机的排放性能，明显减少了NO的排放量.

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(责任编辑： 黄仲一英文审校： 崔长彩)

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

李军(1964-)，男，教授，博士，主要从事汽车发动机排放与控制、节能与新能源汽车的研究.E-mail:cqleejun@163.com.

重庆市自然科学基金重点资助项目(CSTC2013YYKFB0184)； 重庆市重点实验室科研基金资助项目(CSCT2015YFPT-ZDSYS30001， CSTC2015YFPT-ZDSYS3000)； 重庆市教委科研基金资质项目(KJ120423)

U 262.111.51

A

1000-5013(2017)05-0614-05