柴油机燃用甲醇—生物柴油混合燃料的性能与排放研究

不同供油提前角下柴油机燃用柴油二甲氧基甲烷混合燃料性能与排放特性研究摘要:本文开展了不同供油提前角下柴油机燃用柴油/二甲氧基甲烷混合燃料的性能和排放的研究。

认为与燃用柴油相比，柴油中添加二甲氧基甲烷并推迟供油可使NOx和碳烟同时降低。

本研究按二甲氧基甲烷在柴油中体积掺混比的不同配制了五种燃料，在一台单缸柴油机上对不同供油提前角下各种燃料的发动机性能和排放进行了研究。

研究结果表明：随着供油提前角的减小，热效率有所降低，缸内气体最高平均温度降低，高温（≥1800K）下持续时间缩短，NOx浓度降低，碳烟浓度升高。

关键词：供油提前角 ;柴油 ;二甲氧基甲烷; 热效率 ;混合燃料Study on Performances and Emissions of Direct Injection Diesel Engine Fuelled with the Diesel-Dimethoxymethane Blends for Various Fuel Delivery Advance AnglesAbstract:In this paper, the performances and emissions of a direct injection diesel engine fuelled with diesel-dimethoxymethane (DMM) blends was investigated.Five fuels were prepared with different volume fractions of DMM. The results showed thatthe thermal efficiency would increase with the advancing of the fuel delivery advance angle, theNO X concentration would increase and smoke would decrease with the advancing of the fueldelivery advance angle. For a specific fuel delivery advance angle, the brake specific fuelconsumption would increase, the equivalent diesel brake specific fuel consumption and thethermal efficiency would make slight variation with addition of the DMM.Key Words:Fuel delivery advance angle; Diesel; Dimethoxymethane; Oxygenated, Blended目录摘要 (1)前言 (2)一、选题背景 (4)二、国内外柴油机代用燃料的研究状况 (4)三、柴油发动机排放机理 (5)（一）、试验装置及混合燃料性质 (5)1、试验装置及试验台架的布置 (6)2、试验燃料 (6)3、当量柴油有效燃油消耗率和有效热效率 (8)（二）、发动机性能与排放分析 (9)（三）、变供油提前角下燃用不同燃料的热效率和油耗 (9)1、排放特性的分析 (9)2、活塞环设计因素 (10)3、缸套的设计因素 (21)（四）、全文总结与工作展望 (22)1、全文总结 (23)2、工作展望 (24)四、参考文献: (25)致谢 (26)附件一外文原文 (37)附件二中文翻译 (38)第一章绪论1.1 选题背景汽车工业的飞速发展给人类的社会活动带来了巨大的变化,然而也带来了能源和环保方面的问题.节能与降低排放一直是内燃机研究的两大主题，随着我国排放法规的建立健全，如何降低柴油机的排放污染是目前各柴油机生产企业的首要目标。

中高速柴油机应用柴油甲醇双燃料技术环保升级及其经济性和可行性分析姚春德天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室电话：022-2740 6649，手机：131 **** ****Email：arcdyao@1.概述随着经济的发展，我国的石油需求不断增加，目前的石油进口量已经接近60%，超过国际能源安全线。

根据我国“缺油、少气、相对富煤”的能源资源禀赋，以及汽车工业快速增长的势头，我国的石油对外依存度还将会进一步增高。

石油能源安全的问题也将会逐步扩大。

但是，作为我国重要的化工产品甲醇却有着严重的过剩产能。

甲醇的生产资料广泛。

煤炭、天然气和焦炉气以及生物质都可以生产。

特别是焦炉气生产甲醇是我国一大特色。

我国每年焦炉气资源非常丰富，在生产焦炭过程中产生的大量焦炉气只有部分得到利用，很多被直接排放或放空燃烧，造成极大浪费。

近年来，这种情况逐步得到好转，将开发利用生产甲醇。

现在焦炉气产甲醇的比例已经占到近20%。

我国是国际上最大甲醇生产国，年产甲醇量占全球产量的近一半。

甲醇已具有的产能远超过现有的化工产品需要，产能的冗余将近一半。

过剩的产能给经济结构形成很大的压力。

因此，能否用甲醇替代紧缺的石油，是一个十分值得关注的问题。

甲醇虽然是化工原料，但是也是很好的燃料，不仅因为其含氧、高汽化潜热的特性使其燃烧时十分清洁，而且甲醇常温、常压下是液体，储存运输都十分方便、安全。

更重要的是，甲醇一旦泄露到环境中，可以自然降解。

因而将甲醇应用到内燃机上一直是内燃机追求的目标。

自上世纪80年代以来，内燃机便开始应用甲醇作为替代燃料，目前在用的车辆达15万辆之多，这些甲醇车辆每年替代汽油超过百万吨。

但是，由于甲醇的特性，一直难以在柴油机上应用。

我国柴油消耗量，每年消耗量近2亿吨（2012年和2013年分别达到1.69和1.70亿吨）。

柴油不仅消耗量大，而且排放很差，其排放的炭烟颗粒是对环境空气质量的重要污染源之一。

用甲醇替代柴油，不仅可以减少柴油用量，同时也能够减少污染。

柴油机燃用B20生物柴油的性能优化姜峰;李明海;李远哲;张元新【摘要】研究某柴油机燃用20%生物柴油-柴油混合燃料,通过改变预喷油量和增压压力,进行该机型经济性和排放性的优化.采用拉丁超立方法分别对稳态循环试验低、中转速下低、中、高和全负荷共计8个工况点设计试验方案,对各工况样本点进行仿真计算.搭建试验因子和响应变量模型,完成基于模型的遗传优化.优化结果表明:优化预喷油量和增压压力,可使NOx平均降低17.2%,燃油消耗率平均下降4.2%, soot略有升高.%The fuel economy and emission performance of the diesel engine are optimized based on B20 by the method of changing pre-injection mass and boost pressure.The Latin hypercube sampling algorithm is used to design experiment method referred to the European steady-state cycle including low, middle speed and low, middle,high and all load totally 8 cases.The simulation of the each sample point is calculated.The model between test factor and response variables is built,and the optimization based on the model is conducted.The optimization result shows that at average NO xis decreased by 17.2%,fuel consumption rate is decreased by 4.2%,and soot is increased slightly.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2018(039)003【总页数】4页(P59-62)【关键词】性能优化;稳态循环;试验因子【作者】姜峰;李明海;李远哲;张元新【作者单位】大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;广西科技大学汽车与交通学院,广西柳州545006;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;广西科技大学汽车与交通学院,广西柳州545006【正文语种】中文摘要：研究某柴油机燃用20%生物柴油-柴油混合燃料，通过改变预喷油量和增压压力，进行该机型经济性和排放性的优化.采用拉丁超立方法分别对稳态循环试验低、中转速下低、中、高和全负荷共计8个工况点设计试验方案，对各工况样本点进行仿真计算.搭建试验因子和响应变量模型，完成基于模型的遗传优化.优化结果表明：优化预喷油量和增压压力，可使NOx平均降低17.2%，燃油消耗率平均下降4.2%，soot略有升高.关键词：性能优化；稳态循环；试验因子文献标识码：A DOI：10.13291/ki.djdxac.2018.03.0120 引言随着全世界经济日益发展，能源短缺、大气污染和气候变化等环境问题给全球产业发展带来了巨大的挑战[1- 2]，寻求替代燃料是解决石化能源短缺的有效方法之一.生物柴油作为一种有效的液体替代能源，其来源和分布广泛，且燃用生物柴油燃料，可以降低燃烧生成的碳烟和碳氢化合物排放[3].国内外专家学者对生物柴油理化特性及燃用生物柴油性能和排放特性展开了大量的试验研究[4- 6]，研究表明：燃料密度、粘度、十六烷值随着生物柴油掺混比例增加而增加；燃料热值随着生物柴油掺混比例增加而减少. 其中，燃用高配比生物柴油对机型经济性、动力性影响较大，不适合直接在柴油机内掺混使用，必须与电控燃油系统重新匹配.因此，目前市场推广使用的生物柴油燃料以低体积含量配比为主[7]，所以本文选取体积含量为20%(简称B20)生物柴油燃料进行研究.1 仿真建模与台架试验本文研究机型为一款直列四缸涡轮增压柴油机，其机型参数如下：缸径×行程为98 mm×100 mm;排量为3.1 L;压缩比为18∶1；标定功率为160 kW(计3 000r/min)；标定扭矩为550 N·m (计2 400 r/min).搭载高压共轨燃油喷射系统，最大喷射压力可达到200 MPa.1.1 仿真建模本文利用GT-power软件搭建了机型的仿真模型，采用准维燃烧模型对燃烧排放进行预测，woschni传热模型进行缸内传热系数的计算，压缩机和涡轮出口的温度和压力定义为排气和进气的边界条件，仿真模型如图1所示.生物柴油来源于大豆油与甲醇脱脂反应，生成的大豆油甲脂，把该燃料的理化参数及燃料的传递属性设定在燃料库内，进行机型燃用B20仿真研究[8- 9].图1 整机仿真模型1.2 模型验证为验证本文所建立仿真模型准确性，对该柴油机在外特性各转速工况下进行燃用B20生物柴油仿真计算，得出功率与比油耗随转速变化值，并将试验值与仿真值对比，如图2所示.图2(a)为功率仿真与试验值对比，由图可知功率仿真与试验值趋势一致，且随转速增加，功率也相应递增.在外特性工况下，柴油机油门开度为100%最大位置，功率输出值与进气量和转速成正相关，因此在标定转速工况下功率达到最大.图2(b)为比油耗仿真与试验值对比，从图中可知仿真值与实验值比较吻合，且比油耗随转速增加呈现先减小后增加趋势.低转速工况时缸内过量空气系数小，温度较低，需燃烧更多燃料使其达到缸内能量需求，因此低转速时油耗较大；高转速工况，缸内过量空气系数降低，燃空比增大，比油耗略有上升；中等转速工况，油气混合均匀，燃烧充分，比油耗到达到最小，转速为2 200 r/min时达到最低比油耗点.由图2可知柴油机在不同转速范围内，仿真值较试验值比油耗和功率，平均误差分别为1.3%和3.0%，误差主要由于计算采用的流动、传热、燃烧等模型都为半经验公式，对比其误差在工程允许范围内，验证了仿真模型的准确性，表明该模型可进行该型柴油机的性能优化.(a) 功率对比(b) 比油耗对比图2 仿真与试验值对比2 试验设计方案拉丁超立法采样法属于一种空间填充的试验设计方法，与全因子设计方法相比较，该方法的试验样本点均匀分布在特定区间内，减少了试验次数、时间和人力及物力成本.试验设计中选用发动机稳态循环13点工况中的低、中转速下低、中、高和全负荷总计8个工况，其中字母A代表1 950 r/min，B代表2 100 r/min，字母后面数字代表固定转速下负荷比，工况分布如表1所示.表1 试验设计工况工况转速r/min负荷比%工况转速r/min负荷比%A25195025B25210025A50195050B50210050A75195075B75210075A10 01950100B1002100100本文所研究的柴油机搭载涡轮增压和高压共轨燃油喷射技术，增压压力和喷油规律因素对柴油机动力性、经济性及排放性会产生影响，因此本研究提出选用增压压力预喷油量为试验因子方案，进行燃用B20生物柴油，探讨生物柴油机型性能优化工作.根据试验标定数据，增压压力和预喷油量变化范围分别为：2.2 ～2.8 bar, 0～6 mg.参照软件提供的试验设计操作指南，选定100个点进行拉丁超立方试验设计.然后对不同种工况所采集样本点，利用软件进行仿真计算.图3为A50工况试验因子分布图.图3 试验因子分布3 基于模型优化利用GT-power软件计算试验设计中布置样本点的柴油机性能参数，包括比油耗、NOx比排放和soot比排放.由于柴油机控制参数与其性能参数存在非线性关系.若利用常规线性建模方法，不适用本研究对象，可采用基于径向基函数(RBF)的神经网络模型搭建试验因子与响应之间的函数关系.输入层为试验因子即发动机控制参数，输出层为响应变量即性能参数，隐函数层是基于径向基函数所搭建，该层具有“黑箱”特点，不能给出近似模型中响应与因子之间的具体函数关系式，但能逼近最佳响应目标值. 图4为A50工况因子与响应间的RBF数学模型示意图.图4基于RBF神经网络建模计算出A50工况下NOx、soot、比油耗的确定性系数分别为0.976、0.98、0.96，响应变量的决定性系数都非常接近1，表明建模效果良好，能反映试验因子与响应变量间的函数关系，可用于模型优化.生物柴油含氧成分能有效促进缸内燃烧，使NOx排放上升，本文提出考虑柴油机NOx排放要求，其次满足颗粒物排放要求，且兼顾柴油机经济性原则，设定了多目标优化函数，如式(1)所示，NOx比排放量、soot比排放量、燃油消耗率的权重设定为2、1.5、1.(1)式中,F(case)为各工况目标函数；Nt为目标NOx比排放；N为实际NOx比排放；St为目标碳烟比排放；S为实际碳烟比排放；Bt为目标燃油消耗率；B为实际燃油消耗率.燃用B20生物柴油机型NOx比排放量为4.26 g/(kW·h)，碳烟比排放量达到GB17691- 2001《车用压燃发动机排汽污染物排放限值及测量》法规0.05g/(kW·h)要求，燃油消耗率为219.58 g/(kW·h),考虑预喷射能降低柴油机排放，NOx目标值设定为：3.5 g/(kW·h), soot比排放量允许一定量的上升,设定为0.06 g/(kW·h),比油耗维持在优化前左右水平：220 g/(kW·h).其中，遗传代数设定为100，变异率设定为10%，变异方法采用均匀变异，采用单点交叉法；通过RBF神经网络建模，搭建了因子和响应之间关系，再进行基于模型遗传优化.表2和表3分别是优化前、后机型燃用B20燃料性能数据及预喷油量和增压压力优化组合. 表2 优化后的最佳组合工况增压压力/bar预喷油量/mgNOx比排放g/(kW·h)sootg/(kW·h)比消耗g/(kW·h)A252.681.5612.560.02278.32A502.533.2310.290.75209.66A752.464.679.435. 02203.49A1002.365.227.183.36206.24B252.551.7212.270.035279.89B502.41 3.5610.420.73208.03B752.345.149.23.4200.4B1002.245.747.142.44203.51表3 优化前机型性能参数g/(kW·h)工况NOx比排放soot燃油消耗率A2513.80.02284.0A5012.10.72218.4A7511.55.18214.2A1009.203.20219.4B2 514.10.03285.6B5012.40.67216.7B7511.53.47210.9B1009.402.59216.5对比表2和表3，通过基于模型优化的方法，NOx平均降低17.2%，soot比排放平均增加2.5%，燃油消耗率平均下降4.2%，优化8种工况目标函数都接近1，说明基于模型优化结果良好，侧面验证RBF神经网络建模的准确性.本文对燃用B20生物柴油机匹配优化发动机预喷油量和增压压力的控制参数方式，进一步提高机型的性能和挖掘生物柴油节能减排的优势.对燃用B20生物柴油在中低转速下中低高和全负荷工况，优化后和优化前方案进行对比，对比结果分析：NOx比排放平均降低17.2%，燃油消耗率平均降低4.2%，soot增加2.5%.4 结论(1)在外特性工况下对柴油机进行燃用B20生物柴油仿真计算，对比功率与比油耗试验值与仿真值，吻合较好，验证了仿真模型的准确性；(2)叙述了试验设计方案，对控制参数采用拉丁超立方试验设计方法布置试验样本点，进行稳态循环下8个工况点仿真计算；(3) 基于计算结果，利用RBF神经网络，建立试验因子与响应变量之间模型，三个响应变量的决定系数都接近1，表明了建模的准确性；(4) 基于模型进行多目标遗传优化，对优化前后两种方案进行了对比，NOx比排放平均降低17.2%，燃油消耗率平均降低4.2%，soot增加2.5%.参考文献:[1]欧阳明高. 新型动力：系统、建模与控制[M]. 北京：清华大学出版社，2008.[2]姜峰,潘美俊,张洪涛. 大豆毛油制生物柴油理化特性试验分析[J], 广西科技大学学报，2014,25(2):78- 81.[3]楼狄明，孔德立，强蔷，等.国V柴油机燃用柴油/生物柴油排放性能试验[J].农业机械学报，2014,45(9)：25- 30.[4]胡志远，谭丕强.生物柴油-柴油混合燃料的理化特性研究[J].内燃机，2006(3)：39- 42.[5]梅德清，孙平，袁银南，等.柴油机燃用生物柴油的排放特性研究[J].内燃机学报,2006,24(4):331- 335.[6]朱磊. 生物柴油燃烧控制与排放特性试验研究[D].上海：上海交通大学，2012.[7]楼狄明，房亮，胡志远，等.多因素多目标国 V排放生物柴油混合燃料发动机性能优化[J].内燃机工程，2017，38(1)：33- 39.[8]赵金星.基于神经网络和遗传算法的Atkinson循环发动机全负荷范围性能优化研究[D].上海：上海交通大学，2013.[9]张元新. 生物柴油对某大功率柴油机性能影响的研究[D].广西：广西科技大学，2017.。