發動機穩態工況下的生物柴油排放性能仿真研究

鄧劉瀏，張永輝，孫 寧

Deng Liuliu，Zhang Yonghui，Sun Ning

（南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037）

0 引 言

柴油機具有較好的經濟性、動力性等優點，成為目前汽車發展的熱門話題。生物柴油作為最重要的清潔原料之一，是最具有發展前景的柴油替代燃料[1]。同時我們面臨著石油逐漸減少甚至枯竭的危機，因此發展生物柴油及對生物柴油的應用研究已經成為不可阻擋的趨勢。當前已經有很多學者開展了對生物柴油的動力性、排放性等的研究[2-4]。伴隨著現代技術的不斷更新，產品的更新周期不斷縮短，常規的實驗研究方法已經遠遠滿足不了研究工作的需要，尋找更好的研究方法已經刻不容緩。計算機仿真與實驗的結合有效提高了研究進度，成為適應時勢的新型研究方法，被廣泛應用于各領域[5-7]。對比生物柴油和柴油下發動機的各項性能體現生物柴油的優越性是本文的主要目的。

1 模型的建立

GT-Power是內燃機性能仿真的代表軟件之一，可用于發動機的性能試驗與整機開發，通過其中參數的設定實現對發動機穩態和瞬態的仿真。在該軟件的控制模塊中，引入了PID控制原理，實現發動機穩態工況的控制。PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現。

1.1 發動機模型的建立

在GT-Power中柴油機的總體性能由各種工作參數決定，如噴油提前角、進排氣溫度、進排氣壓力等。而這些參數之間是相互關聯的，改變其中任何一個參數的量都會引起其他參數的變化。同時這些工作參數又取決于柴油機的結構參數，如壓縮比、轉速、缸徑、供油量、進排氣管的結構及配氣相位等。任何一個結構參數的變化又會引起工作參數的變化，從而對發動機的總體性能有著較為顯著的影響。因而在計算機數值模擬運用于柴油機設計之前，為了能夠對柴油機的性能做出定性的模擬并進行一定量的估算，我們不得不對柴油機的實際工作過程進行大量的假設與簡化。基于GT-Power構建發動機模型，可實現不同運行參數下的發動機性能仿真試驗研究。

實驗模型各項技術參數如表1所示。

表1 柴油機基本參數

續表 1

GT-Power的單缸直噴柴油機模型如圖 1所示。模型包括了進排氣系統、氣缸、噴油器等。

圖2是單缸直噴柴油機模型使用柴油及生物柴油時各個轉速下的轉矩圖（1為柴油的扭矩曲線，2為生物柴油的轉矩曲線）。

圖3為單缸直噴柴油機模型使用柴油及生物柴油時各個轉速下的功率圖（1為柴油的功率曲線，2為生物柴油的功率曲線）。

1.2 PID 模型的建立

在控制系統中，PID（比例-積分-微分）控制是控制器最常用的控制規律。PID控制的應用范圍相當廣泛，對于不同的控制對象，控制器的要求往往差異較大。PID控制器的好壞完全取決于其控制參數的選擇，即PID控制器的整定方法。

PID控制器的控制規律為

式中，u(t)是 PID控制器的輸出；e(t)是 PID控制器的輸入；Kp為比例系數；Ki為積分系數；Kd為微分時間常數。

比例、積分和微分是相互關聯的 3個環節的控制，3個參數可以分別進行調節，也可以只采用其中一種或者兩種控制規律[8]。

基本的PID算法需要整定的系數是Kp（比例系數），Ki（積分系數），Kd（微分系數）。比例系數Kp加大會使系統的動作靈敏，速度加快；在系統保持穩定的情況下，加大比例系數Kp能夠減小靜差，從而提高控制精度，但是并不能完全消除靜差。系統靜差可通過積分系數來消除，以提高控制系統的控制精度；但是Ki太大系統會不穩定，Ki太小積分作用又太小，不能減小靜差；微分控制可以改善動態特性，Kd合適的時候才能得到比較滿意的過渡過程[9]。

圖4為PID控制的單缸直噴柴油機模型。PID控制系統主要包括傳感器、執行器及PID控制器等。

由圖2和圖3分析，取一個PID控制的轉速為3000 r/min，負荷為20000（即柴油的負荷率為88%，生物柴油的負荷率為 97%）的穩定工況。并且在這個穩定工況下改變噴油提前角及噴孔長徑比實現對發動機排放性能的優化。

2 影響柴油機排放的因素

2.1 柴油機排放的主要污染物

柴油機的有害排放物主要有 CO、HC、NOx和碳煙等，但柴油機總是在空燃比α >14.7的稀混合氣下運行，且柴油機是在接近壓縮上止點附近開始噴油壓燃，所以柴油機排放的焦點問題就是NOx和碳煙的排放。

2.2 影響NOx和碳煙排放的因素

1）噴油提前角。隨著噴油提前角的減小，預混油量和混合氣量也隨之減少，從而使速燃期壓力、溫度上升程度降低，NOx的排放量隨之降低。

2）噴孔直徑。噴孔直徑減小時油束射程變長，噴霧變細，霧化不良，碳煙明顯增加；若噴孔直徑過大，不同負荷下其噴油量的不同也將使 NOx和碳煙的排放量不同。

3 仿真模擬及數據分析

3.1 生物柴油的選用

使用以棕櫚樹為原料的生物柴油，其基本參數如表2所示[10]。

表2 生物柴油基本參數

3.2 改變噴油提前角對柴油機排放性能的影響

圖5為改變噴油提前角時使用柴油及生物柴油時其NOx的變化曲線（1為柴油的NOx變化曲線，2為生物柴油的NOx變化曲線）。

圖6為改變噴油提前角時使用柴油和生物柴油時其碳煙的變化曲線（1為柴油的碳煙變化曲線，2為生物柴油的碳煙變化曲線）。

由圖5和圖6分析可知：在一定范圍內，隨著噴油角提前的角度越大，可以使預混油量和混合氣量減少，從而使速燃期壓力、溫度上升程度降低，其 NOx和碳煙的濃度會大大降低，但不能無限制地提前。

3.3 改變噴孔長徑比對柴油機排放性能的影響

圖7為改變噴孔長徑比時使用柴油及生物柴油時其NOx的變化曲線。

圖8為改變噴孔長徑比時使用柴油和生物柴油時其碳煙的變化曲線。

根據圖7和圖8分析可得：噴孔的長徑比增大（即噴孔長度增加，噴孔直徑減小。）對于一定的噴射壓力和噴孔數，噴孔直徑減小時油束射程變長，噴霧變細，霧化不良，油束著壁現象增多。NOx濃度降低，碳煙濃度明顯增加[11]。

4 結 論

1）通過 GT-Power建立了單缸直噴柴油機模型，并利用其中的PID控制實現了發動機穩定工況的運行，便于實驗研究的順利進行。

2）通過改變噴油提前角和噴孔長徑比2個參數的設定進行對發動機排放性能的研究。通過試驗數據表明：在一定范圍改變噴油提前角和噴孔長徑比能夠改善發動機的排放性能，使NOx和碳煙濃度降低。當噴油提前角為-15℃A，噴孔長徑比為6時，柴油機排放性能達到最優狀態。

3）通過文中各圖生物柴油和柴油的對比，可明顯發現：生物柴油的動力性和排放性均優于柴油。可推薦使用生物柴油，既能使汽車的動力性得到提升，又能夠達到優化環境的效果。

[1]李攀，王賢華，李允超.生物柴油研究現狀及其進展[J].能源與節能，2012（10）：31-32，64.

[2]范晨陽，徐彬，劉亞哲，等.柴油機燃用生物柴油的經濟性和排放特性[J].農機化研究，2013（2）：210-213.

[3]宋俊良，趙富磊，李亞鵬.生物柴油混合燃料對柴油機 VOC排放的影響[J].內燃機與配件，2013（4）：26-31.

[4]王波，趙玉坤，石慧奇，等.生物柴油微粒排放特性試驗研究[J]試驗.測試，2012（10）：44-51.

[5]王學光，芮執遠，楊萍.計算機仿真現狀及其在制造業中的應用[J].機械研究與應用.2000，9（3）：37-39.

[6]熊光楞，王克明，陳斌元，等.計算機仿真技術在轎車工業中的應用與發展[J].系統仿真學報，2004（1）：73-78.

[7]宋彩霞，路新春，王磊.計算機仿真在電力系統中的應用與研究[J].計算機仿真，2004-5（5）：142-144.

[8]李楠.PID控制參數現代設計技術的研究與應用[M].浙江：浙江工業大學，2009.

[9]陳施華.PID控制器參數的自動整定[J].雷達與對抗，2005（3）：64-68.

[10]朱浩月，方俊華，張武高，等.生物柴油高壓共軌噴霧特性的試驗研究[J].工程熱物理學報，2011，10（10）：1785-1788.

[11]林學東.發動機原理[M].北京：機械工業出版社，2012.