柴油-天然气双燃料发动机模拟计算

张承维 梁议化

摘 要：用GT-Power和AVL-Fire建立柴油-天然气双燃料发动机燃烧过程的一维模型和燃烧室三维模型，并对模型进行拟合，从一维模型中观察缸内压力、最大压力值位置、最大压力升高率和功率，从三维模型中观察燃烧因子、NOX、Soot、CO和CH4的变化情况，仿真发现：气缸最大压力值为15.92MPa，最大压力值位置723.4°CA，最大压力升高率0.75MPa/°CA;随着燃烧因子增加，缸内温度增大，在燃烧点附近产生CO、NOX、Soot开始增加;当燃烧因子减小时，缸内高温继续扩散，充满燃烧室大部分空间，CO、NOX、Soot均出现先增加后减小的变化;CH4先均匀充满整个燃烧室，在喷油开始时刻，燃烧室喷油点处的CH4浓度最大，随着燃烧的进行，CH4浓度减小，当燃烧结束后，燃烧室边沿浓度较高。

关键词：双燃料发动机;一维模型;三维模型;燃烧过程;燃烧室

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

能源匱乏和全球环境恶化已成为世界关注的焦点，开发利用高效清洁燃料已经刻不容缓。在内燃机燃料中，天然气以其良好的排放、资源丰富等优点受到高度重视，柴油-天然气双燃料掺烧发动机与天然气单燃料发动机相比有其独特优点，首先，采用双燃料发动机的汽车不受天然气供应基础设施限制，其次，柴油掺烧天然气能使原柴油机达到更低的废气排放，最后，也是最重要的，柴油机掺烧天然气有巨大的经济效益，容易被用户接受。柴油-天然气双燃料掺烧发动机对比单燃料天然气发动机和纯柴油发动机优势明显，为什么柴油-天然气双燃料掺烧发动机在全球没有得到广泛运用，主要的原因是改装之后双燃料发动机故障频发。

传统的柴油-天然气双燃料发动机ECU屏蔽掉部分喷油脉冲，双燃料发动机的可靠性、经济性、排放以及动力性互相矛盾。随着天然气对柴油替代率的增加，动力性变差，CO排放增加，NOX降低，HC排放增加;随着喷油时刻的提前，缸内压力先升高后降低，放热率出现先高后低[1]。文献[2]采用天然气ECU控制天然气喷射量，柴油ECU控制柴油喷射量，研究发现：双燃料运行模式时的发动机涡轮增压器后的排气温度和纯柴油相比没有明显升高，最大转矩转速点要略高于纯柴油运行模式，NO 和CO排放浓度低于纯柴油，HC排放浓度明显高于纯柴油，当天然气掺烧替代率达到一定值时双燃料运行模式时的碳烟浓度相比纯柴油模式运行明显下降，在保证原机动力性的条件下，试验发动机双燃料模式运行时的经济性和排放特性都要优于纯柴油运行模式。文献[3]以潍柴WP10.336型柴油机为原型机，采用单ECU同时控制柴油喷射和天然气供给，对柴油天然气双燃料发动机进行了研究，发现纯柴油机改为柴油/天然气双燃料发动机可以保证其动力性基本不变，ESC循环各工况点替代率在88%～ 97%，在双燃料燃烧模式下，燃料消耗量比纯柴油燃烧模式下低，但是热效率也比纯柴油燃烧模式下低，柴油/天然气双燃料燃烧模式可以降低NOX排放，但是会使HC排放增加。 开发新一代柴油天然气双燃料发动机控制系统，采用主动燃烧控制策略，在不同工况下采用不同燃烧控制策略来解决可靠性、经济性、排放以及动力性互相矛盾的问题，让可靠性、排放、经济性、动力性在局部范围内最优，本论文采用数值模拟方式，建立柴油-天然气双燃料发动机工作过程一维模型和燃烧室的三维燃烧模型，采用两次喷射，预喷和主喷，预喷柴油与天然气形成混合均匀的燃料，缸内燃烧局部过浓区域减少，燃烧放热重心靠近上止点位置，缸内燃烧较好，缸内压力及放热率升高，燃烧效率增加，热值折合油耗下降[4]，主喷在上止点之前，用来点燃缸内混合燃料，控制燃烧时最大压力值发生在上止点后的5°左右。为新一代控制系统的开发打好理论基础。

1 模型

用GT-Power软件和AVL-Fire软件建立双燃料发动机工作过程一维模型和燃烧室三维模型，能够观察到发动机工作过程的主要特征指标和燃烧生成的主要物质。

1.1 工作过程一维模型

GT-Power是由美国Gamma Technologies公司开发的，专门用于内燃机仿真的一款软件，在同款软件中，GT-Power软件最为灵活和全面、具有丰富的例子，便于学习。以WD615为原型机，该机的基本参数如表1所示，柴油天然气双燃料发动机仿真模块包括：进 气、排气、涡轮增压、气缸、喷油、喷气、曲轴箱和排气模块等，如图1所示。气缸的传热模型采用Woschni模型，燃烧模采用三个Wiebe模型叠加模拟。

1.2 燃烧室三维模型

AVL-Fire软件是由AVL公司开发的，不仅能求解通用流动问题，也能求解最复杂的内燃机缸内流动和燃烧等现象的软件。为了全面观察燃烧室状态，用AVL-Fire软件建立活塞全模型，并对模型进行网格划分，得到396324个网格，如图2所示。缸内气体一直进行着复杂多变的湍流运行，燃油喷入气缸混合到燃油燃烧之前，缸内同时存在着燃油湍流、破碎、碰壁、碰撞和蒸发等现象，每种现象都有可供选择的子模型，表2列举出了选择之后的多维模型。双燃料发动机燃烧过程中，柴油采用正庚烷NC7H16替代、天然气采用甲烷CH4来替代，柴油天然气双燃料发动机化学反应动力学模型包括：甲烷正庚烷低温简化反应动力学模型、甲烷简化反应动力学模型、正庚烷简化反应动力学模型以及NOX生产子模型等组成。

2 模型验证

台架试验对模型进行验证，双燃料发动机电控系统结构如图3所示，发动机工作在2200rmp、功率为205.4kW，采用压力传感器或燃烧分析仪测取发动机缸内的压力和放热率曲线，不断调整GT-Power燃烧模型参数以及AVL-Fire中燃烧室边界条件正，让模型的压力曲线与测量所得的曲线基本一致，如图4所示，负荷处理电路根据测量得到的信号判断发动机的工作状态（大负荷、重负荷和小负荷），根据工作状态选择双燃料ECU还是原柴油ECU，处于大负荷和中负荷时，采用双燃料ECU，双燃料ECU根据内部存储的喷油和喷气MAP图，控制喷油和喷气量。小负荷时柴油喷油量比较少，采用原柴油ECU。

3 计算结果分析

3.1 GT-Power仿真结果

将台架台架试验实际数据输入GT-Power所建立的模型中（如图1所示），调整模型参数，观察得到工作过程的关键参数如表4所示。从表可以看出GT-Power工作过程仿真模型得到双燃料发动机功率为206.8kW，与实际功率相差1.4kW，最大压力升高率为0.75MPa/°CA小于1MPa/°CA，工作不粗暴[5]。

3.2 AVL-Fire仿真结果

将发动机台架试验数据输入AVL-Fire仿真模型中，替代率为70%，采用两次喷油，预喷为30%柴油，喷油始点为680°CA，预喷的柴油与缸内燃气形成均匀的混合气体，当活塞运行至上止点附近时，再喷入剩余的70%的柴油点燃缸内气体为主喷，喷油始点为705°CA，预喷和主喷的喷油间隔为25°CA。从图5可以看出，随着主喷开始，燃烧因子开始增加，燃烧过程也逐渐开始，燃烧因子在720°CA附近增加到最大值，如图5A点所示，之后燃烧因子减弱。

4 结论

通过建立双燃料发动机一维和三维仿真模型，并将仿真数据与试验数据进行拟合，得到如下结论。

（1）通过一维仿真模型可以观察到，缸内最大压力值、最大压力值位置、压力升高率和功率，从而分析发动机效率以及发动机工作的粗暴度。

（2）通过三维仿真模型可以观察到，随着主噴的进行，燃烧因子和燃烧室温度开始逐渐增加，缸内燃气开始燃烧。在高温包围内，温度比较低的地方CO值增加到最大;燃烧室温度越高的地方，NOX浓度也越高;在喷油区域内，CH4浓度最高，随着燃烧的进行，CH4浓度开始降低，当燃烧结束后，燃烧室边沿处温度较低，CH4浓度较高;随着燃烧的进行Soot浓度开始增加，在高温包围区域内，Soot增加到最大，当燃烧结束后Soot浓度开始降低。

参考文献

[1] 付本奇.替代率和喷油时刻对双燃料发动机低负荷性能的影响[D].吉林：吉林大学，2017.

[2] 田有刚.柴油天然气双燃料发动机控制系统设计[J].内燃机与动力装置，2015，32（2）：28-30.

[3] 孙昌，王华，张雄等.柴油引燃天然气双燃料发动机性能试验研究[J].汽车工程学报，2018，6（5）：343-347.

[4] 潘玉萍，张波，朱赞等.预喷参数对柴油引燃天然气双燃料发动机性能影响的试验研究[J].装备制造技术，2017，6：219-222.

[5] 马骏骏，吕兴才，吉丽斌等.辛烷值和预混合率对双燃料发动机SCCI燃烧与爆震的影响[J].上海交通大学学报，2009，43（2）：308- 313.