柴油-天然气双燃料发动机替代率与喷油提前角优化*

张承维,肖 兵,钟家明

(华南理工大学自动化科学与工程学院，广州 510640)



2015210

柴油-天然气双燃料发动机替代率与喷油提前角优化*

张承维,肖 兵,钟家明

(华南理工大学自动化科学与工程学院，广州 510640)

利用GT-power软件建立了柴油-天然气双燃料发动机工作过程仿真模型，用偏最小二乘回归方法建立NOX,HC,CO和烟度排放模型，研究燃料替代率和喷油提前角对发动机可靠性和排放的影响。以发动机可靠性作为优化约束条件，兼顾动力性和排放，对各工况的替代率和喷油提前角进行优化。把优化后的替代率和喷油提前角脉谱图嵌入发动机电子控制单元中，通过台架试验对替代率和喷油提前角进一步优化，最终得到满足可靠性、动力性、经济性和排放的最优替代率和喷油提前角。

双燃料发动机；排放模型；替代率；喷油正时；可靠性

前言

柴油发动机如何可靠地掺烧天然气是值得深入研究的课题，开发柴油-天然气双燃料发动机电控系统时，有两个问题需要解决：一是不同工况下的替代率；二是柴油的喷油提前角。

本文中专门针对高压共轨柴油机，开发柴油-天然气双燃料掺烧控制系统。有别于采用被动控制的第一代高压共轨柴油-天然气电控系统[1](控制喷气量和喷油量)，所开发的掺烧控制系统采用主动燃烧控制策略，即不仅控制喷气量、喷油量，还控制喷油提前角。国内外学者对柴油-天然气双燃料发动机开展了大量研究，总结了负荷、转速、替代率、喷油提前角和燃烧室形状等对缸内燃烧压力、放热规律、着火特性和排放的影响[2]。从这些研究表面看，柴油机掺烧天然气是顺理成章的事，较易实施。天然气价格比柴油便宜，天然气对柴油的替代率越大，经济性越好，为了追求经济性，在发动机改装时盲目追求高替代率，且第一代掺烧电控系统的喷油提前角简单沿用原柴油机的喷油提前角，导致了发动机实际运行效果都不理想，频繁发生拉缸[3]、活塞熔顶等故障，极大地打击了用户的积极性。究其原因是掺烧发动机的替代率和喷油提前角选择不合理，须针对掺烧工况对替代率和喷油提前角进行优化。

本文中针对掺烧电控系统开发需求，定量研究替代率、喷油提前角的优化规律。采用GT-power仿真软件建立双燃料掺烧发动机工作过程模型，用偏最小二乘(PLS)回归方法建立排放模型，以发动机可靠性为主要优化约束条件，兼顾经济性、排放和动力性，寻找各工况的最优替代率和喷油提前角，并以脉谱图形式嵌入到掺烧ECU软件中。在此基础上，通过台架试验对替代率和喷油提前角作进一步在线优化。

1 双燃料发动机模型

为了更好地研究燃料替代率和喷油提前角对柴油-天然气双燃料掺烧发动机工作过程和排放规律的影响，建立了掺烧发动机模型，以观察台架试验中不便测量的燃烧过程关键参数，为替代率和喷油提前角的优化提供依据。

1.1 发动机工作过程模型

双燃料发动机工作过程采用GT-power仿真软件来模拟，以中国重汽的WD615-93高压共轨柴油发动机为原型机，该柴油机基本参数如表1所示。

表1 柴油发动机的基本参数

柴油-天然气掺烧发动机仿真模型包括：进气、涡轮增压、气缸、曲轴箱和排气等模块，具体如图1所示。气缸的传热采用Woschni模型，柴油的喷油采用InjProfileConn模型，启喷压力为30MPa，最高喷油压力达到160MPa。天然气的喷射采用InjAFSeqConn模型。

针对双燃料掺烧，重新构建的燃烧模型由3个零维的单Weibe函数叠加而成。模型中有9个待定参数，分别是滞燃期、预混合分数、后燃烧分数、预混合燃烧持续期、主燃烧持续期、后燃烧持续期、预混合燃烧指数、主燃烧指数和后燃烧指数。不同工况下，替代率和喷油提前角不同，这些参数相应变化。柴油-天然气双燃料发动机的滞燃期与纯柴油发动机不同，不能完全引用柴油发动机滞燃期预测模型，本文中以Assanis公式为基础，引入含有十六烷值的温度系数，得到柴油-天然气双燃料掺烧发动机滞燃期公式：

(1)

CCN=CCN1·MCNG+CCN2·MDIESEL

(2)

式中:τ为滞燃期；φ为当量比；p，T和R分别为喷油时刻的压力、温度以及气体常数；CCN是按柴油、天然气混合气体质量掺混比计算出来的十六烷值；CCN1和CCN2分别为天然气和柴油的十六烷值；MCNG和MDIESEL分别为天然气和柴油的质量分数。式(1)计算的滞燃期是以时间来表示，仿真时转化为曲轴转角单位。

表2为发动机工况1(转速1 000r/min、全负荷功率91.5kW)和工况2(转速1 400r/min、全负荷功率166kW)，喷油提前角为11°CA，替代率为70%时，掺烧燃烧模型的8个参数，它们在柴油机模型的基础上进行修正。图2为工况1、替代率为70%时，缸内压力和放热率的仿真与试验对比曲线图。

参数工况1工况2预混合燃烧分数0.50.5预混合燃烧持续期/(°CA)55.5预混合燃烧指数0.50.5主燃烧持续期/(°CA)1516主燃烧指数0.60.7后燃烧分数0.080.08后燃烧持续期/(°CA)1820后燃烧指数0.80.8

1.2 排放模型

GT-power中的排放模型是针对单燃料建立的，不适合柴油-天然气双燃料发动机，须重新建立排放模型。发动机的排放与发动机转速、转矩、喷油提前角、替代率和当量比有很大关系。本文中用偏最小二乘(PLS)回归方法[4]建立了氮氧(NOX)、一氧化碳(CO)、碳氢(HC)和烟度等排放模型。以转速(r/min)、转矩(N·m)、喷油提前角(°CA)、替代率和当量比等作为自变量，NOX，CO，HC和烟度等作为因变量。用matlab编写了PLS分析程序，以双燃料发动机的试验数据作为检验样本，经标准化处理后转化为标准数据，再进行PLS回归分析。得到NOX，CO，HC和烟度(BSU)排放的回归优化模型，分别如式(3)～式(6)所示。

y1= -889.01+0.22x2+201.24x3+34.95x4+

(3)

y2= 147.64+0.04x1+0.0163x2-

39.10x3-6.9x4+223.54x5

(4)

y3= 170.98+0.018x1+0.0055x2-

83.93x3+4.58x4+132.31x5

(5)

y4= 1.48+0.0003x1+0.0001x2-

1.3x3-0.11x4+1.29x5

(6)

式中：变量y1，y2，y3和y4分别代表NOX，CO，HC和烟度；x1，x2，x3，x4和x5分别代表转速、转矩、替代率、喷油提前角和当量比。

本文中主要研究替代率和喷油提前角对双燃料掺烧发动机性能的影响，从式(3)～式(6)可以看出，NOX排放随着替代率和喷油提前角的增加而增大，因为替代率和喷油提前角增加时，缸内燃烧温度升高，导致NOX排放增加；CO排放随着替代率和喷油提前角的增加而减小，因为替代率增加时，柴油喷射量减小，天然气喷射量增加且与空气混合均匀，使得CO的排放减小。喷油提前角增加时，燃烧温度较高有利于CO的氧化；随着替代率的增加，当排气门打开时，未燃的HC增加。喷油提前角增加时，引燃的燃油混合更均匀，燃烧更充分，从而使得HC排放降低；烟度随着替代率和喷油提前角的增加而减小，因为替代率增加时，柴油喷油量减少，使得扩散燃烧的柴油量减少， 烟度排放降低。喷油提前角增加时，引燃的燃油混合更均匀，扩散燃烧减少，使得烟度排放下降。图3为替代率和喷油提前角变化时，NOX排放的仿真数据与试验数据对比图。

2 最优替代率

天然气对柴油的替代率，指在某一工况下，将部分柴油按等热值转换成天然气后，天然气燃烧所放出的热量占柴油和天然气掺烧时所放出总热量的百分比，即

(7)

式中：mc和md分别为天然气和柴油质量；Hc和Hd分别为天然气和柴油低热值。

表3和表4分别为工况1和工况2在喷油提前角为11°CA、不同替代率时，发动机工作过程的主要指标。图4示出其中NOx排放和最大压力升高率随替代率的变化曲线。从表可以看出，随着替代率的增加，缸内最大爆发压力值逐渐增大，最大压力值出现的曲轴转角在TDC之后且越靠近TDC，发动机爆燃倾向增加，最大压力升高率、最高燃烧温度和转矩也都随着替代率的增加而增大。说明不能为经济性而片面追求高替代率，必须仔细考虑发动机的可靠性。在工况1时选择替代率为75%，在工况2时选择替代率为85%，以获得良好的经济性。虽然这样选择替代率，最大压力升高率均超过了爆燃界限[5](1.00MPa/°CA)，但后面通过调整喷油提前角仍可保证发动机可靠性。若选择过大的替代率，通过调整喷油提前角来保证可靠性会使动力性变差。另外，从图4可以看出，最大压力升高率超过爆燃界限时，NOX排放超过了800×10-6。

替代率/%NOX/10-6CO/10-6HC/10-6烟度/BSU最大爆发压力/MPa最大压力位置/(°CA)最大压力升高率(MPa/°CA)最高燃烧温度/K转矩/(N·m)307232202280.9913.3110.130.612096882407382162370.7913.569.940.672145886507562112460.6613.929.780.752195892607732072540.5814.269.490.832263896707922022620.5014.589.370.932295899758411982670.4514.939.241.162395901808511972710.2815.029.081.272428903908731932790.0715.139.021.312426905

表4 工况2，发动机工作指标随替代率变化规律

对各工况进行仿真，得到基于转速、负荷的最优替代率脉谱图，如图5所示。当负荷小于30%时，每个循环的喷油量比较小，为了保证发动机的可靠运行，均采用纯柴油的供油方式[6]。

3 最优喷油提前角

与纯柴油模式一个气缸工作循环中多次柴油喷射不同，双燃料掺烧时可只喷一次柴油，该次柴油喷射定时定义为喷油提前角[7]。喷油提前角是柴油-天然气掺烧过程中的一个重要参数，影响着发动机的可靠性、动力性、经济性和排放，正确选择喷油提前角有利于改善发动机的各项指标[8]。

表5和表6分别是发动机工况1、替代率75%和工况2、替代率85%，不同喷油提前角，发动机工作的主要指标。由表5可见，当喷油提前角为11°CA时，最大爆发压力值为14.93MPa，最大压力升高率为1.16MPa/°CA超过了爆燃界限，NOX排放达到了841×10-6，为了保证发动机的可靠性，综合考虑动力性和排放，选择工况1的喷油提前角为9.5°CA。类似地，选择工况2的喷油提前角为10.5°CA。由图6可见，NOX排放和最大压力升高率与喷油提前角成正相关关系，当最大压力升高率高于爆燃界限值时，NOX排放超过了800×10-6。所以，控制NOX的排放保持在800×10-6以内，则能基本保证双燃料掺烧发动机的安全可靠性。

综合仿真数据，得到基于转速、负荷的喷油提前角脉谱图，如图7所示。

表5 工况1，发动机工作指标随喷油提前角变化规律

表6 工况2，发动机工作指标随喷油提前角变化规律

4 双燃料发动机电控系统描述

图8为柴油-天然气双燃料主动掺烧电控系统结构图，图中主要描述与掺烧ECU有关的部分，不包括高压共轨柴油电控系统。掺烧ECU通过测量发动机进气歧管压力、进气温度和发动机转速来计算发动机运行负荷。再查询ECU内的替代率脉谱图、喷油提前角脉谱图，确定天然气与柴油的喷射质量和柴油喷射提前角，分别对双燃料发动机的柴油喷嘴和天然气喷嘴进行控制。

5 台架试验结果

采用所开发的掺烧电控系统，以仿真得到的数据作为初始脉谱图，对发动机进行台架试验。对替代率和喷油提前角进行台架试验优化，图9和图10分别为实验优化后的替代率和喷油提前角脉谱图。工况1的替代率为76.3%，喷油提前角为9.1°CA；工况2的替代率为83.6%，喷油提前角为10.6°CA。对于发动机所有运行工况点，实测NOX排放都在800×10-6以内，以Kistler压力传感器实测得到的最大压力升高率小于1.00MPa/°CA，说明双燃料发动机运行在安全范围内，试验结果与仿真数据相吻合。

6 结论

通过仿真对柴油-天然气双燃料发动机的替代率和喷油提前角进行了初步优化，把替代率和喷油提前角脉谱图嵌入ECU中，通过台架试验对替代率和喷油提前角进行在线优化，得到以下结论。

(1) NOX排放与发动机可靠性成正相关关系，当发动机的最大压力升高率超过爆燃界限(1.00MPa/°CA)时，NOX排放超过800×10-6。要保证发动机的可靠性，要求NOX排放保持在800×10-6以内。因此可采用NOX传感器实时监控掺烧发动机的可靠性。

(2) 高替代率使发动机获得良好的经济性，调整喷油提前角可保证发动机的可靠性，兼顾发动机动力性和排放要求，对全工况运行时的喷油提前角进行全面优化，实现柴油-天然气双燃料掺烧发动机的主动燃烧控制，保证发动机能安全可靠运行。

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Optimization on the Replacement Rate and Injection Timing of Diesel/Natural Gas Dual Fuel Engine

Zhang Chengwei ，Xiao Bing & Zhong Jiaming

CollegeofAutomationScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640

A working process simulation model for diesel / natural gas dual fuel engine is established with GT-power software, and an emission models of NOx, HC, CO and soot is created by using partial least squares regression algorithm. The effects of fuel replacement rate and injection timing on the reliability and emission of engine is studied. Concurrently considering the power performance and emission of engine, with reliability as constraint, an optimization is conducted on replacement rate and the advance angle of fuel injection in different conditions. With the map of optimized replacement rate and fuel injection angle embedded into the electrically controlled unit of engine, the replacement rate and fuel injection angle are further optimized by bench test, with the optimal replacement rate and injection angle meeting the requirements of reliability, power, fuel economy and emission performances obtained in the end.

dual fuel engine; emission model; replacement rate; injection timing; reliability

*国家自然科学基金(61174135)资助。

原稿收到日期为2014年3月19日，修改稿收到日期为2014年6月2日。