基于GT-POWER模擬生物柴油燃燒過程與實驗研究

劉亞坤，陳昊，陳軼嵩

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

引言

石油資源作為全球最大的消耗資源，尤其是交通運輸行業，幾乎全部依賴石油資源，而且隨著我國經濟的飛速增長，對能源的依賴越來越大，尤其是石油資源。在當今世界經濟全球化時代，中國作為最大的發展中國家，能源一直是我國經濟發展和民眾生活的重要議題[1]。但是石油屬于不可再生資源，過多的消耗石油資源不僅帶來的是能源緊缺的問題，由于石油燃燒排放產生的二氧化碳等排放物也給環境帶來了很大的影響，比如溫室效應。隨著石油資源的日益緊缺與人們環保意識的增強，代用燃料的研究與應用得到了廣泛的關注。

近年來，生物柴油由于含氧、動力性和經濟性好、可再生性等優點已經成為一種備受關注的代用燃料，是國內外代石油液體燃料的研究熱點[2]。而且制作生物柴油的原料來源廣泛，而且大豆、大米和油菜籽，以及藻類等制成的生物柴油在其生命周期中是消耗CO2的，因而在某種角度上來講，使用生物柴油可以減少CO2的排放[3]。

1 實驗與計算條件

試驗發動機是一臺六缸高壓共軌柴油機，其主要參數如表所示。本文通過Ki-Box軟件控制ECU來實現在保證發動機的轉速不變的前提下來改變發動機的負荷，并通過Ki-Box實時讀取缸內燃燒壓力的變化。

表1 柴油機的基本技術參數

本次實驗分別保證發動機在1400r/min和2000r/min的轉速的條件下，在每個轉速下選取幾個特征點，并對每個特征點都進行100次做功循環，進而得到缸內平均壓力從而得到在該工況點下的缸內壓力的變化情況。

2 基于GT-POWER建立柴油機燃燒模型

2.1 GT-POWER簡介

GT-POWER軟件是美國Gamma Technologies公司開發的計算一維氣體流動的商業軟件，幾乎包含了發動機所有關鍵工況的細節模型，可以較完整地模擬發動機不同工況的性能變化[4]。計算內燃機(包括汽油機、柴油機)從進氣到燃燒再到排氣整個過程，包括進氣過程中氣體參數，燃燒過程，內燃機各性能參數，排氣情況等，它可以把計算結果以表格、圖等方式表達，對計算結果進一步處理。

2.2 柴油機模型的搭建和參數的輸入

圖1 柴油機模型

本次實驗采用的發動機為廢氣渦輪增壓、中冷的六缸直列柴油機。在此簡單敘述柴油機物理模型的建立過程。空氣經過空氣濾清器進入進氣管，進氣道，進氣閥進入氣缸，氣缸內燃燒后高溫的廢氣經過排氣管到渦輪中，推動渦輪做功后由排氣管排出。最終搭建好的六缸柴油機的模型如圖1。

搭建好柴油機的模型以后，根據實際的工作條件，輸入對應的參數。輸入的基本參數有：氣缸數，氣缸直徑，活塞沖程，連桿長度，進氣管總容積，持續轉速，持續功率，供油提前角，進排氣閥開啟關閉角，柴油機機械效率，燃油消耗率，渦輪絕熱效率最大值，渦輪增壓器機械效率，增壓器壓比，額定供氣量，額定轉速，渦輪增壓器壓氣機特性曲線，渦輪增壓器壓氣機特性曲線等。

2.3 生物柴油替代物的選擇

生物柴油是脂肪酸甲酯的混合物，其主要成分包括油酸甲酯，亞油酸甲酯，棕櫚酸甲酯，硬脂酸甲酯，亞麻酸甲酯。由于生物柴油組分復雜，而且分子量較大，很難直接研究其燃燒化學反應動力學[5]。而且GT-POWER軟件的燃料庫里面沒有生物柴油這個燃料，基于以上兩點需要用不同燃料進行不同比例的混合來代替生物柴油來實現模擬計算。

本文實驗用的燃料為餐飲廢油制生物柴油，其主要成分如表所示。

對于替代的混合燃料，1mol 的癸酸甲酯與 0.98mol 的正庚烷的熱值與對應 1mol 生物柴油的熱值相同，則混合燃料替代物碳原子和氫原子個數分別為 17.9 和 37.7，而大豆油甲酯的碳原子和氫原子個數為 18.8 和 34.6。因此，在相同的熱值下，兩種替代物的碳原子、氫原子和氧原子的數量與生物柴油的差別很小，所以可以用這兩種燃料通過一定比例的混合來代替生物柴油進行仿真模擬[6]。

表3 燃料的物理性質

柴油機模型建立后，進行參數設置，點擊Run菜單下的Check model integrity，檢驗模型的內部一致性，然后點擊Start simulation丌始程序計算，運行GT-POST對結果進行進一步處理。本論文研究的是柴油機在不同的工況下實際缸內壓力與通過GT-POWER所得到的的缸內壓力的對比分析。

3 模型與試驗對比驗證

圖2 1400r/min不同負荷

圖3 2000r/min不同負荷

試驗中，分別設定不同的發動機轉速，并在相應轉速下設定不同負荷，直接記錄發動機臺架的動力參數與排放數據。仿真模型選取其中的1400r/min和2000r/min個常用轉速的不同負荷。

4 結論

GT-POWER軟件對于柴油機的模擬計算研究是實用的，并且節約了試驗本。本文所建立的柴油機模型與實際基本吻合，模擬計算缸內壓力相對于實際柴油機缸內壓力相對誤差不超過 2%。綜合考慮柴油機動力性能，經濟性能和環保性能，運用 GT-POWER軟件所建立的模型是合理的，可以利用模型代替實際柴油機試驗進行模擬分析。雖然運用GT-POWER軟件模擬柴油機運行有一定的困難和局限性，但它節約了柴油機試驗成本，因此對柴油機模擬分析仍有廣闊的運用前景。

參考文獻

[1] Naik S N,Vaibhav V Goud,Prasant K Rout,Ajay K Dalai.Product/on of first and second generation biofuels:A comprehensive review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews.2010,14(2):578-597.

[2] 孟興凱.不同生物柴油理化特性及其對車用材料的影響研究.[D]:[碩士學位論文].西安:長安大學,2013.

[3] 汪方陽.柴油機燃用多種生物柴油的燃燒與排放研究.[D]:[碩士學位論文].武漢:華中科技大學,2013.

[4] 張偉.基于 GT-POWER的船用柴油機氮氧化物排放特性研究[D]:[碩士學位論文].大連:大連海事大學,2007.

[5] 王鑫.正丁醇-生物柴油雙燃料燃燒過程數值模擬研究[D]:[博士學位論文].天津:天津大學,2015.

[6] Herbinet,O.,Pitz,W.J.,Westbrook,C.K., Detailed chemical kinetic me-chanism for the oxidation of biodiesel fuels blend surrogate,Combustion and Flame, 2010, 157 (5): 893-908.