天然氣和生物柴油在氣道和缸內噴射混合的燃燒特性分析

李軍， 蘇飚

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院， 重慶 400074)

天然氣和生物柴油在氣道和缸內噴射混合的燃燒特性分析

李軍， 蘇飚

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院， 重慶 400074)

將某款柴油機改用進氣道噴射天然氣和缸內直噴生物柴油的混合燃燒方式，通過均勻設計的方式，綜合運用二次多項式逐步回歸法和綜合加權評分值法，確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比.通過GT-POWER仿真軟件創建柴油機模型，分析在不同發動機轉速下該柴油機的動力性、經濟性和排放性.仿真結果表明：混合燃燒方式較原機的動力性和經濟性略有下降；在中高轉速時，混合燃燒方式的NO排放量低于原機，但CO排放量與原機相比基本保持不變.

柴油機； 燃燒特性； 天然氣； 生物柴油； 均勻設計； 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

環境污染嚴重和石油資源短缺這兩大問題已經成為社會的熱點，而汽車尾氣排放卻是城市的主要污染源之一[1].因此，各國政府非常重視車用清潔能源的研究及應用[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]，對解決日益嚴重的化石燃料短缺和溫室氣體的控制等問題意義重大[3-8].近年來，國內外開展了大量生物柴油在柴油機上應用的研究[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、技術成熟的特點，使其具有良好的經濟效益和環境效益[11].當天然氣與空氣混合充分、燃燒徹底，可大幅度降低CO和碳氫化合物的排放量，且天然氣的火焰溫度低，也會使NO排放量減少[11].本文通過GT-POWER仿真軟件創建柴油機模型[12]，改用進氣道噴射天然氣和缸內直噴生物柴油混合燃燒方式，采用均勻設計的方式確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比例，并分析該款柴油機的動力性、經濟性及排放性.

1 均勻設計確定摻燒比

1.1均勻設計試驗點選擇[13-15]

選用柴油機的主要技術參數:發動機位四缸、四沖程、增壓中冷型式；缸徑為100 mm;沖程為100 mm；連桿長度為152 mm；排量為3.14 L；噴油壓力為95 MPa；全負荷時的過量空氣系數為1.68.運用均勻設計以扭矩、燃料消耗率、CO和NO排放為優化目標，研究確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比例.試驗點摻燒比的分配,如表1所示.選擇天然氣摻燒比(x1)、發動機轉速(x2)和負荷(x3)為實驗因素，均勻設計試驗的安排及試驗結果,如表2所示.表2中：y1,y2,y3,y4分別表示轉矩和燃油消耗(BSFC)，CO，NO的排放量.

表1 試驗點摻燒比的分配Tab.1 Distribution of mixing ratio of test point

表2 均勻設計試驗安排及試驗結果Tab.2 Arrangement of uniform design and test results

續表Continue table

1.2二次多項式逐步回歸法

對試驗數據采取二次多項式逐步回歸法進行分析，二次多項式模型為

以轉矩為優化目標的回歸方程為

以BSFC為優化目標的回歸方程為

以CO為優化目標的回歸方程為

以NO為優化目標的回歸方程為

1.3綜合加權評分值法

實驗需要對發動機轉矩,BSFC，CO和NO排放量進行優化.因此，要對各個優化目標進行整合，從而得到可以量化的綜合優化目標.文中采用加權綜合評分值法,得出綜合優化目標函數Yi，其計算式為

采用綜合加權評分值法確定各個優化目標的權重系數，各權重系數絕對值之和應為1.由于NO排放變化量較小，所以不將NO排放作為優化目標，取ci=0.由發動機性能可知，扭矩越大越好，對于BSFC，CO的排放則是較小為好.為了統一優化目標，使得綜合優化目標函數大小的變化所代表的發動機性能優劣，將扭矩的權重系數設置為負數，因此,綜合優化目標數值越小發動機性能越好.

根據各優化目標重點，設置了兩種權重分配方案.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.由此得到綜合優化目標方程Y1，Y2分別為

綜合考慮發動機的各種使用工況，在不同的天然氣摻燒比下，對綜合優化目標方程Y1，Y2的發動機轉速x2和負荷x3進行二重積分計算，x2的變化范圍為1 000～5 000 r·min-1，x3為25%～100%.由此得到綜合優化目標與不同天然氣摻燒比的關系曲線，如圖1所示.

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

對于加權綜合評分值法的權重方案，當綜合優化目標Y1,Y2取最小值時，所對應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排放為優化目標的較優摻燒比.

2 較優摻燒比下發動機性能分析

改用進氣道噴射天然氣和缸內直噴生物柴油的混合燃燒方式后，通過均勻設計的方式，結合二次多項式逐步回歸法和綜合加權評分值法，確定天然氣和生物柴油的最佳摻燒比例.通過GT-POWER仿真軟件,分析在不同發動機轉速下方案一、二和原機的發動機動力性、經濟性和排放性，如圖2～5所示.圖2～5中：T為發動機扭矩；n為發動機轉速；Qb為燃油消耗率；QNO,QCO分別為NO，CO的排放量.

圖2 不同轉速下發動機轉矩的變化 圖3 不同轉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 不同轉速下NO排放的變化 圖5 不同轉速下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：改用進氣道噴射天然氣和缸內直噴生物柴油混合燃燒方式后，發動機轉矩和燃油消耗率與原機大致相同,在中高轉速時，兩者略低于原機.因此，其動力性和經濟性也呈相同的趨勢.在低轉速和高轉速時,混合燃燒方式的NO排放略優于原機,在中等轉速(1 500～3 500 r·min-1)時，NO的排放明顯優于原機.混合燃燒方式對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，CO的排放會略低于原機.

3 結束語

通過將某款柴油機改用進氣道噴射天然氣和缸內直噴生物柴油的混合燃燒方式，分析該款發動機的燃燒特性.通過均勻設計的方式，綜合運用二次多項式逐步回歸法和綜合加權評分值法，得到了兩種方案下兩種天然氣摻燒比例.研究表明：改用進氣道噴射天然氣和缸內直噴生物柴油的混合燃燒方式，可以在基本保持動力性和經濟性的基礎上，提高發動機的排放性能，明顯減少了NO的排放量.

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(責任編輯： 黃仲一英文審校： 崔長彩)

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，主要從事汽車發動機排放與控制、節能與新能源汽車的研究.E-mail:cqleejun@163.com.

重慶市自然科學基金重點資助項目(CSTC2013YYKFB0184)； 重慶市重點實驗室科研基金資助項目(CSCT2015YFPT-ZDSYS30001， CSTC2015YFPT-ZDSYS3000)； 重慶市教委科研基金資質項目(KJ120423)

U 262.111.51

A

1000-5013(2017)05-0614-05