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柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法

2021-03-09 19:46:06·  來(lái)源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  作者：diner  
　
柴油引燃天然氣的工作方式由于具有熱效率高、排放低和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)受到了內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于天然氣和柴油的燃燒特性存在較大的差異，且燃燒過(guò)程受到多重因素的影響，要使柴油/天然氣混合燃燒達(dá)到理想狀態(tài)具有一定的難度，由此進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)
柴油引燃天然氣的工作方式由于具有熱效率高、排放低和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)受到了內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于天然氣和柴油的燃燒特性存在較大的差異，且燃燒過(guò)程受到多重因素的影響，要使柴油/天然氣混合燃燒達(dá)到理想狀態(tài)具有一定的難度，由此進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，對(duì)于探究和開(kāi)發(fā)具有良好經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放特性的柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要的理論及工程意義。本期推文筆者采用遺傳算法(NSGA-3)與CFD軟件(KIVA-3V)耦合技術(shù)開(kāi)展燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)(壓縮比、中心點(diǎn)高度、喉部半徑和最大底部半徑)、運(yùn)行參數(shù)(EGR、渦流比)以及引燃柴油噴射參數(shù)(噴油定時(shí)和噴油孔夾角)的多目標(biāo)參數(shù)協(xié)同優(yōu)化研究?；趦?yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和方法。
 
1. 模型與算法

采用KIVA-3V 程序開(kāi)展柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算研究。其中湍流模型采用的是適用于變密度缸內(nèi)流動(dòng)的RNG k-ε模型；液滴破碎過(guò)程采用KH-RT模型，將湍流火焰速度封閉模型(TFSC)與PaSR燃燒模型耦合建立復(fù)合燃燒模型模擬雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程；碳煙生成及氧化過(guò)程采用瑞典Golovitchev教授提出的碳煙模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，碰壁模型采用了Han 和Reitz 模型。其中，湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ?turbulent flame speed closure，TFSC)采用了Bray-Moss 方法，并通過(guò)燃燒進(jìn)程變量來(lái)表征燃燒過(guò)程。湍流火焰?zhèn)鞑シ匠虨?/div>
式中：ρ為混合氣的費(fèi)爾平均密度；ρu為未燃燒混合氣的密度；c為燃燒進(jìn)程變量，變化范圍為0～1，其中未燃區(qū)為0，已燃區(qū)為1；τf為燃料反應(yīng)特征時(shí)間；St為湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，取決于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群土鲃?dòng)湍流的特性。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算方法為
式中：Sl為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?delta;l為火焰厚度。
雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合燃燒模型用質(zhì)量守恒方程進(jìn)行描述為
式中：ρc1m為PaSR燃燒模型的化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)；ρc2m為TFSC 燃燒模型的化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)；u為速度向量； τc1為PaSR 燃燒模型特征時(shí)間；τc2為TFSC燃燒模型特征時(shí)間；cm為反應(yīng)物濃度。
雙燃料燃燒模型的總體特征時(shí)間為
層流火焰?zhèn)鞑ニ俾视蓞⒖键c(diǎn)的層流火焰?zhèn)鞑ニ俾释ㄟ^(guò)擬合得到，如公式(6)所示
式中：S10為參考點(diǎn)層流火焰速度；p和T為未燃燒混合物的壓力和溫度；p0和T0為參考點(diǎn)的壓力和溫度，參考點(diǎn)p0＝5MPa、T0＝450 K。式(6)與STAR-CD 程序中計(jì)算層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒ㄏ嗤?/div>
目前絕大多數(shù)遺傳算法的優(yōu)化研究均基于Deb等提出的非支配排序遺傳算法(NSGA-2)。NSGA-2通過(guò)采用快速非支配的排序算法，降低了計(jì)算非支配排序的復(fù)雜度，同時(shí)引入了精英策略，擴(kuò)大了采樣空間。為了更好地求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，Deb等通過(guò)改進(jìn)NSGA-2 提出了一種新的NSGA-3算法。在NSGA-3中，使用一組預(yù)定義的參考點(diǎn)(線)來(lái)確保最優(yōu)解分布的均勻性。所選擇的參考點(diǎn)可以通過(guò)公式預(yù)定義或由用戶自主設(shè)置得到。距離參考點(diǎn)(線)的距離最小個(gè)體將被選擇為優(yōu)選解，如圖1 所示。在這種算法下，所選擇的最優(yōu)解會(huì)廣泛分布于Pareto最優(yōu)前沿面，Pareto解又稱非支配解或不受支配解：在進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)優(yōu)化時(shí)，由于目標(biāo)之間存在trade-off 關(guān)系，在改進(jìn)任何目標(biāo)函數(shù)的同時(shí)，必然會(huì)削弱至少一個(gè)其他目標(biāo)函數(shù)的解，稱為非支配解或Pareto解。一組目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的集合稱為Pareto最優(yōu)集，最優(yōu)集在空間上形成的曲面稱為Pareto前沿面。
圖1 NSGA-3參數(shù)選擇機(jī)制
由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放較低，而甲烷及NOx排放較高，因而將CH4排放、NOx 排放和指示燃料消耗率(ISFC)3個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)設(shè)置最大壓力升高率(dp/dφ)max ＜2 MPa/(°)CA、缸內(nèi)峰值壓pmax ≤20 MPa 和可接受的最大指示燃油消耗ISFC≤250 g/(kW·h)作為約束條件，從而排除由于參數(shù)匹配不當(dāng)導(dǎo)致的爆震、機(jī)械負(fù)荷過(guò)高或預(yù)混天然氣未能完全燃燒等現(xiàn)象，確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在合理的工況內(nèi)。其中，ISFC 為折合燃料消耗率，由式(7)和式(8)計(jì)算獲得。
燃料消耗量mdual為
燃料消耗率bdual
式中：mdual、mdiesel和mCNG分別為雙燃料、柴油及天然氣的消耗量；Hu,CNG、Hu,diesel分別為天然氣和柴油的低熱值，Hu,CNG/Hu,diesel =1.15。
所優(yōu)化的參數(shù)包括兩個(gè)引燃柴油噴射參數(shù)為噴油定時(shí)和噴油夾角；4個(gè)燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)為中心凸臺(tái)高度H1、喉部半徑R1、最大底部半徑R2 和壓縮比；兩個(gè)運(yùn)行參數(shù)為渦流比和EGR率，如圖2 所示。表1為原機(jī)參數(shù)和優(yōu)化過(guò)程中8個(gè)參數(shù)的取值范圍。
圖2 燃燒室形狀參數(shù)定義及控制點(diǎn)
 
表1 優(yōu)化參數(shù)及其變化范圍
主要研究柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程，不考慮進(jìn)/排氣過(guò)程的影響，因而計(jì)算過(guò)程只考慮從進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門打開(kāi)期間燃燒室內(nèi)進(jìn)行的壓縮、燃油噴射、油氣混合及燃燒過(guò)程，計(jì)算區(qū)間為從進(jìn)氣門關(guān)閉角(146 °CA BTDC)至排氣門開(kāi)啟角(120 °CA ATDC)。
所采用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且噴油器的位置在燃燒室中心處，因而為了提高計(jì)算效率，選取整個(gè)燃燒室的七分之一進(jìn)行計(jì)算。燃燒室的網(wǎng)格通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的燃燒室網(wǎng)格自動(dòng)生成軟件進(jìn)行自動(dòng)劃分，該方法為通過(guò)選取燃燒室上的幾個(gè)特征點(diǎn)來(lái)定義燃燒室的結(jié)構(gòu)，燃燒室的外部輪廓線由連接這些特征點(diǎn)之間的曲線進(jìn)行拼接得到，圖2為燃燒室?guī)缀涡螤畹膮?shù)定義和控制點(diǎn)的選擇。在計(jì)算過(guò)程中無(wú)需人為設(shè)置燃燒室網(wǎng)格，優(yōu)化過(guò)程能夠自動(dòng)完成。

2. 結(jié)果分析

圖3為采用KIVA-3V耦合NSGA-3 算法計(jì)算得到的所有解和Pareto 最優(yōu)解的NOx、CH4及ISFC 的三維分布。使用KIVA3V-NSGA3 算法計(jì)算得到的算例廣泛分布于三維目標(biāo)空間中，Pareto 最優(yōu)算例分布于最接近理想點(diǎn)的前沿，同時(shí)確保了分布的多樣性。Pareto最優(yōu)解算例相對(duì)于原機(jī)算例能夠降低ISFC和NOx、CH4排放。
圖3 所有優(yōu)化算例、Pareto算例和原機(jī)算例
圖4 優(yōu)化算例CH4與NOx二維示意
圖4為采用KIVA3V-NSGA3 算法計(jì)算得到的所有解與Pareto最優(yōu)解的NOx與CH4 排放的二維分布。CH4排放和NOx排放呈現(xiàn)出trade-off 關(guān)系，CH4排放減少將導(dǎo)致NOx排放增加。與其他算例相比，Pareto最優(yōu)算例在CH4和NOx排放方面均有較大的優(yōu)勢(shì)，其中最低CH4 排放接近于零，這意味著幾乎所有的預(yù)混天然氣都能夠被氧化。雖然一些Pareto最優(yōu)算例的NOx排放量非常低，但其CH4排放量卻相對(duì)較高，由于CH4排放的增加，燃燒效率將降低，從而導(dǎo)致燃料經(jīng)濟(jì)性的惡化；而NOx排放較高的Pareto最優(yōu)算例CH4排放較低。
圖5為采用KIVA3V-NSGA3 算法計(jì)算得到的所有解與Pareto最優(yōu)解的NOx排放與ISFC 的二維分布。與CH4和NOx的關(guān)系類似，NOx排放的減少將導(dǎo)致ISFC 的增加。Pareto 算例中最低ISFC低于170 g/(kW·h)，NOx排放接近7.0 g/(kW·h)。Pareto算例中最低NOx排放低于1.5 g/(kW·h)，此時(shí)的ISFC接近于235 g/(kW·h)。較高的NOx排放通常伴隨著較高的燃燒溫度和較快的燃燒速度，有利于降低ISFC。
圖5 優(yōu)化算例ISFC與NOx平面示意
為進(jìn)一步分析優(yōu)化參數(shù)對(duì)柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和排放的影響，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)對(duì)比分析。
表2 壓縮比與噴油時(shí)刻、渦流比與噴油夾角、EGR率與△R等參數(shù)對(duì)ISFC、CH4及NOx排放的影響
表2分別為壓縮比與引燃柴油噴射定時(shí)、渦流比與噴射夾角、EGR率與底部半徑減去喉部半徑等參數(shù)對(duì)ISFC、CH4和NOx排放的影響，其中底部半徑減去喉部半徑(R2－R1)用ΔR來(lái)表示。隨著噴射定時(shí)靠近上止點(diǎn)，ISFC和CH4排放升高，而NOx排放降低。引燃柴油噴射定時(shí)主要影響預(yù)混合天然氣的著火時(shí)刻，靠近上止點(diǎn)噴射，燃燒過(guò)程中的活塞下行致使燃燒溫度降低，抑制了NOx的生成；隨壓縮比的增加，ISFC和CH4排放先減小后增大，NOx排放先增大后減小，壓縮比增加有助于增強(qiáng)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，使燃燒更加充分；但過(guò)大的壓縮比易造成不正常燃燒現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。渦流比對(duì)ISFC和CH4排放的影響較小，在較大或者較小渦流比時(shí)，NOx排放較低。ISFC和CH4 排放隨噴射夾角的增大呈減少→增大→減少的趨勢(shì)，當(dāng)噴射夾角達(dá)到最大值而渦流比取最小值時(shí)，ISFC和CH4排放能同時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)；在渦流比最大而噴射夾角最小、渦流比較小且噴射夾角在63°左右時(shí)，NOx 排放均達(dá)到最小值，在63°之外噴射夾角增大或減小均使NOx排放迅速增加。開(kāi)口型燃燒室( ΔR＜0)相比于縮口型燃燒室( ΔR＞0)更能促進(jìn)壓縮余隙中混合氣的燃燒，降低CH4 排放，與此同時(shí)，NOx排放增加較多；EGR率的增大能夠在保持ISFC和CH4排放較低的情況下，較大幅度地降低NOx排放。因此，采用開(kāi)口程度較大的開(kāi)口型燃燒室和較大的EGR率，能夠同時(shí)降低CH4和NOx排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。
經(jīng)過(guò)壓縮比與引燃柴油噴射定時(shí)、渦流比與噴射夾角、EGR率與ΔR等參數(shù)對(duì)ISFC、CH4和NOx影響的數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，ISFC與CH4排放具有較好的一致性，而與NOx排放具有明顯的trade-off關(guān)系。燃燒效率的提高降低了燃油消耗率，減少了碳?xì)浠衔锏呐欧?；但同時(shí)使缸內(nèi)溫度升高，促進(jìn)氮氧化物的生成，增加了氮氧化物的排放。

3. 結(jié)論

(1) 將計(jì)算流體力學(xué)與詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了耦合，建立柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，采用KIVA3V-NSGA3 程序獲得不同排放和燃料消耗率的Pareto 最優(yōu)解，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、噴射參數(shù)等多目標(biāo)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化。
(2) 多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比分析清楚地量化了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)最佳目標(biāo)的影響；燃油消耗率隨著噴射夾角的增加而減小，而隨著渦流比的增加，燃油消耗率略有增加，當(dāng)渦流比較小而噴射夾角較大時(shí)，燃油消耗率最低；隨著噴射定時(shí)靠近上止點(diǎn)，ISFC和CH4排放升高，而NOx排放降低；較高或較低的渦流比都將減少NOx排放；EGR率的增大能顯著地減少NOx 排放；開(kāi)口型燃燒室能促進(jìn)燃燒室中的高溫燃燒混合物與活塞間隙中的低溫未燃燒混合物之間的混合，降低CH4排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)來(lái)源
劉 杰,王俊樂(lè),趙洪波.柴油/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué),2021,(01):44-50.
 
學(xué)報(bào)簡(jiǎn)介
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