發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下的生物柴油排放性能仿真研究

鄧劉瀏，張永輝，孫 寧

Deng Liuliu，Zhang Yonghui，Sun Ning

（南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037）

0 引 言

柴油機具有較好的經(jīng)濟性、動力性等優(yōu)點，成為目前汽車發(fā)展的熱門話題。生物柴油作為最重要的清潔原料之一，是最具有發(fā)展前景的柴油替代燃料[1]。同時我們面臨著石油逐漸減少甚至枯竭的危機，因此發(fā)展生物柴油及對生物柴油的應用研究已經(jīng)成為不可阻擋的趨勢。當前已經(jīng)有很多學者開展了對生物柴油的動力性、排放性等的研究[2-4]。伴隨著現(xiàn)代技術的不斷更新，產(chǎn)品的更新周期不斷縮短，常規(guī)的實驗研究方法已經(jīng)遠遠滿足不了研究工作的需要，尋找更好的研究方法已經(jīng)刻不容緩。計算機仿真與實驗的結合有效提高了研究進度，成為適應時勢的新型研究方法，被廣泛應用于各領域[5-7]。對比生物柴油和柴油下發(fā)動機的各項性能體現(xiàn)生物柴油的優(yōu)越性是本文的主要目的。

1 模型的建立

GT-Power是內(nèi)燃機性能仿真的代表軟件之一，可用于發(fā)動機的性能試驗與整機開發(fā)，通過其中參數(shù)的設定實現(xiàn)對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真。在該軟件的控制模塊中，引入了PID控制原理，實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況的控制。PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。

1.1 發(fā)動機模型的建立

在GT-Power中柴油機的總體性能由各種工作參數(shù)決定，如噴油提前角、進排氣溫度、進排氣壓力等。而這些參數(shù)之間是相互關聯(lián)的，改變其中任何一個參數(shù)的量都會引起其他參數(shù)的變化。同時這些工作參數(shù)又取決于柴油機的結構參數(shù)，如壓縮比、轉(zhuǎn)速、缸徑、供油量、進排氣管的結構及配氣相位等。任何一個結構參數(shù)的變化又會引起工作參數(shù)的變化，從而對發(fā)動機的總體性能有著較為顯著的影響。因而在計算機數(shù)值模擬運用于柴油機設計之前，為了能夠?qū)Σ裼蜋C的性能做出定性的模擬并進行一定量的估算，我們不得不對柴油機的實際工作過程進行大量的假設與簡化。基于GT-Power構建發(fā)動機模型，可實現(xiàn)不同運行參數(shù)下的發(fā)動機性能仿真試驗研究。

實驗模型各項技術參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機基本參數(shù)

續(xù)表 1

GT-Power的單缸直噴柴油機模型如圖 1所示。模型包括了進排氣系統(tǒng)、氣缸、噴油器等。

圖2是單缸直噴柴油機模型使用柴油及生物柴油時各個轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩圖（1為柴油的扭矩曲線，2為生物柴油的轉(zhuǎn)矩曲線）。

圖3為單缸直噴柴油機模型使用柴油及生物柴油時各個轉(zhuǎn)速下的功率圖（1為柴油的功率曲線，2為生物柴油的功率曲線）。

1.2 PID 模型的建立

在控制系統(tǒng)中，PID（比例-積分-微分）控制是控制器最常用的控制規(guī)律。PID控制的應用范圍相當廣泛，對于不同的控制對象，控制器的要求往往差異較大。PID控制器的好壞完全取決于其控制參數(shù)的選擇，即PID控制器的整定方法。

PID控制器的控制規(guī)律為

式中，u(t)是 PID控制器的輸出；e(t)是 PID控制器的輸入；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分時間常數(shù)。

比例、積分和微分是相互關聯(lián)的 3個環(huán)節(jié)的控制，3個參數(shù)可以分別進行調(diào)節(jié)，也可以只采用其中一種或者兩種控制規(guī)律[8]。

基本的PID算法需要整定的系數(shù)是Kp（比例系數(shù)），Ki（積分系數(shù)），Kd（微分系數(shù)）。比例系數(shù)Kp加大會使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快；在系統(tǒng)保持穩(wěn)定的情況下，加大比例系數(shù)Kp能夠減小靜差，從而提高控制精度，但是并不能完全消除靜差。系統(tǒng)靜差可通過積分系數(shù)來消除，以提高控制系統(tǒng)的控制精度；但是Ki太大系統(tǒng)會不穩(wěn)定，Ki太小積分作用又太小，不能減小靜差；微分控制可以改善動態(tài)特性，Kd合適的時候才能得到比較滿意的過渡過程[9]。

圖4為PID控制的單缸直噴柴油機模型。PID控制系統(tǒng)主要包括傳感器、執(zhí)行器及PID控制器等。

由圖2和圖3分析，取一個PID控制的轉(zhuǎn)速為3000 r/min，負荷為20000（即柴油的負荷率為88%，生物柴油的負荷率為 97%）的穩(wěn)定工況。并且在這個穩(wěn)定工況下改變噴油提前角及噴孔長徑比實現(xiàn)對發(fā)動機排放性能的優(yōu)化。

2 影響柴油機排放的因素

2.1 柴油機排放的主要污染物

柴油機的有害排放物主要有 CO、HC、NOx和碳煙等，但柴油機總是在空燃比α >14.7的稀混合氣下運行，且柴油機是在接近壓縮上止點附近開始噴油壓燃，所以柴油機排放的焦點問題就是NOx和碳煙的排放。

2.2 影響NOx和碳煙排放的因素

1）噴油提前角。隨著噴油提前角的減小，預混油量和混合氣量也隨之減少，從而使速燃期壓力、溫度上升程度降低，NOx的排放量隨之降低。

2）噴孔直徑。噴孔直徑減小時油束射程變長，噴霧變細，霧化不良，碳煙明顯增加；若噴孔直徑過大，不同負荷下其噴油量的不同也將使 NOx和碳煙的排放量不同。

3 仿真模擬及數(shù)據(jù)分析

3.1 生物柴油的選用

使用以棕櫚樹為原料的生物柴油，其基本參數(shù)如表2所示[10]。

表2 生物柴油基本參數(shù)

3.2 改變噴油提前角對柴油機排放性能的影響

圖5為改變噴油提前角時使用柴油及生物柴油時其NOx的變化曲線（1為柴油的NOx變化曲線，2為生物柴油的NOx變化曲線）。

圖6為改變噴油提前角時使用柴油和生物柴油時其碳煙的變化曲線（1為柴油的碳煙變化曲線，2為生物柴油的碳煙變化曲線）。

由圖5和圖6分析可知：在一定范圍內(nèi)，隨著噴油角提前的角度越大，可以使預混油量和混合氣量減少，從而使速燃期壓力、溫度上升程度降低，其 NOx和碳煙的濃度會大大降低，但不能無限制地提前。

3.3 改變噴孔長徑比對柴油機排放性能的影響

圖7為改變噴孔長徑比時使用柴油及生物柴油時其NOx的變化曲線。

圖8為改變噴孔長徑比時使用柴油和生物柴油時其碳煙的變化曲線。

根據(jù)圖7和圖8分析可得：噴孔的長徑比增大（即噴孔長度增加，噴孔直徑減小。）對于一定的噴射壓力和噴孔數(shù)，噴孔直徑減小時油束射程變長，噴霧變細，霧化不良，油束著壁現(xiàn)象增多。NOx濃度降低，碳煙濃度明顯增加[11]。

4 結 論

1）通過 GT-Power建立了單缸直噴柴油機模型，并利用其中的PID控制實現(xiàn)了發(fā)動機穩(wěn)定工況的運行，便于實驗研究的順利進行。

2）通過改變噴油提前角和噴孔長徑比2個參數(shù)的設定進行對發(fā)動機排放性能的研究。通過試驗數(shù)據(jù)表明：在一定范圍改變噴油提前角和噴孔長徑比能夠改善發(fā)動機的排放性能，使NOx和碳煙濃度降低。當噴油提前角為-15℃A，噴孔長徑比為6時，柴油機排放性能達到最優(yōu)狀態(tài)。

3）通過文中各圖生物柴油和柴油的對比，可明顯發(fā)現(xiàn)：生物柴油的動力性和排放性均優(yōu)于柴油?？赏扑]使用生物柴油，既能使汽車的動力性得到提升，又能夠達到優(yōu)化環(huán)境的效果。

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