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柴油/天然气发动机燃烧系统协同优化方法

2021-03-09 19:46:06·  来源：内燃机学报  作者：diner  
　
柴油引燃天然气的工作方式由于具有热效率高、排放低和经济性好等优点受到了内燃机产业和科研机构的关注。由于天然气和柴油的燃烧特性存在较大的差异，且燃烧过程受到多重因素的影响，要使柴油/天然气混合燃烧达到理想状态具有一定的难度，由此进行多目标参数
柴油引燃天然气的工作方式由于具有热效率高、排放低和经济性好等优点受到了内燃机产业和科研机构的关注。由于天然气和柴油的燃烧特性存在较大的差异，且燃烧过程受到多重因素的影响，要使柴油/天然气混合燃烧达到理想状态具有一定的难度，由此进行多目标参数的协同优化，对于探究和开发具有良好经济性、动力性和排放特性的柴油/天然气发动机具有重要的理论及工程意义。本期推文笔者采用遗传算法(NSGA-3)与CFD软件(KIVA-3V)耦合技术开展燃烧室结构参数(压缩比、中心点高度、喉部半径和最大底部半径)、运行参数(EGR、涡流比)以及引燃柴油喷射参数(喷油定时和喷油孔夹角)的多目标参数协同优化研究。基于优化结果进行对比分析，为柴油/天然气双燃料发动机燃烧优化提供理论基础和方法。
 
1. 模型与算法

采用KIVA-3V 程序开展柴油/天然气双燃料发动机的计算研究。其中湍流模型采用的是适用于变密度缸内流动的RNG k-ε模型；液滴破碎过程采用KH-RT模型，将湍流火焰速度封闭模型(TFSC)与PaSR燃烧模型耦合建立复合燃烧模型模拟双燃料发动机燃烧过程；碳烟生成及氧化过程采用瑞典Golovitchev教授提出的碳烟模型进行预测，碰壁模型采用了Han 和Reitz 模型。其中，湍流火焰传播模型(turbulent flame speed closure，TFSC)采用了Bray-Moss 方法，并通过燃烧进程变量来表征燃烧过程。湍流火焰传播方程为
式中：ρ为混合气的费尔平均密度；ρu为未燃烧混合气的密度；c为燃烧进程变量，变化范围为0～1，其中未燃区为0，已燃区为1；τf为燃料反应特征时间；St为湍流火焰传播速度，取决于层流火焰传播速度和流动湍流的特性。湍流火焰传播速度的计算方法为
式中：Sl为层流火焰传播速度；δl为火焰厚度。
双燃料发动机的复合燃烧模型用质量守恒方程进行描述为
式中：ρc1m为PaSR燃烧模型的化学反应项；ρc2m为TFSC 燃烧模型的化学反应项；u为速度向量； τc1为PaSR 燃烧模型特征时间；τc2为TFSC燃烧模型特征时间；cm为反应物浓度。
双燃料燃烧模型的总体特征时间为
层流火焰传播速率由参考点的层流火焰传播速率通过拟合得到，如公式(6)所示
式中：S10为参考点层流火焰速度；p和T为未燃烧混合物的压力和温度；p0和T0为参考点的压力和温度，参考点p0＝5MPa、T0＝450 K。式(6)与STAR-CD 程序中计算层流火焰传播速度的方法相同。
目前绝大多数遗传算法的优化研究均基于Deb等提出的非支配排序遗传算法(NSGA-2)。NSGA-2通过采用快速非支配的排序算法，降低了计算非支配排序的复杂度，同时引入了精英策略，扩大了采样空间。为了更好地求解多目标优化问题，Deb等通过改进NSGA-2 提出了一种新的NSGA-3算法。在NSGA-3中，使用一组预定义的参考点(线)来确保最优解分布的均匀性。所选择的参考点可以通过公式预定义或由用户自主设置得到。距离参考点(线)的距离最小个体将被选择为优选解，如图1 所示。在这种算法下，所选择的最优解会广泛分布于Pareto最优前沿面，Pareto解又称非支配解或不受支配解：在进行多个目标优化时，由于目标之间存在trade-off 关系，在改进任何目标函数的同时，必然会削弱至少一个其他目标函数的解，称为非支配解或Pareto解。一组目标函数最优解的集合称为Pareto最优集，最优集在空间上形成的曲面称为Pareto前沿面。
图1 NSGA-3参数选择机制
由于双燃料发动机的碳烟排放较低，而甲烷及NOx排放较高，因而将CH4排放、NOx 排放和指示燃料消耗率(ISFC)3个参数作为优化目标。通过设置最大压力升高率(dp/dφ)max ＜2 MPa/(°)CA、缸内峰值压pmax ≤20 MPa 和可接受的最大指示燃油消耗ISFC≤250 g/(kW·h)作为约束条件，从而排除由于参数匹配不当导致的爆震、机械负荷过高或预混天然气未能完全燃烧等现象，确保发动机运行在合理的工况内。其中，ISFC 为折合燃料消耗率，由式(7)和式(8)计算获得。
燃料消耗量mdual为
燃料消耗率bdual
式中：mdual、mdiesel和mCNG分别为双燃料、柴油及天然气的消耗量；Hu,CNG、Hu,diesel分别为天然气和柴油的低热值，Hu,CNG/Hu,diesel =1.15。
所优化的参数包括两个引燃柴油喷射参数为喷油定时和喷油夹角；4个燃烧室结构参数为中心凸台高度H1、喉部半径R1、最大底部半径R2 和压缩比；两个运行参数为涡流比和EGR率，如图2 所示。表1为原机参数和优化过程中8个参数的取值范围。
图2 燃烧室形状参数定义及控制点
 
表1 优化参数及其变化范围
主要研究柴油/天然气发动机的缸内燃烧过程，不考虑进/排气过程的影响，因而计算过程只考虑从进气门关闭到排气门打开期间燃烧室内进行的压缩、燃油喷射、油气混合及燃烧过程，计算区间为从进气门关闭角(146 °CA BTDC)至排气门开启角(120 °CA ATDC)。
所采用发动机的燃烧室为中心对称结构，且喷油器的位置在燃烧室中心处，因而为了提高计算效率，选取整个燃烧室的七分之一进行计算。燃烧室的网格通过自行开发的燃烧室网格自动生成软件进行自动划分，该方法为通过选取燃烧室上的几个特征点来定义燃烧室的结构，燃烧室的外部轮廓线由连接这些特征点之间的曲线进行拼接得到，图2为燃烧室几何形状的参数定义和控制点的选择。在计算过程中无需人为设置燃烧室网格，优化过程能够自动完成。

2. 结果分析

图3为采用KIVA-3V耦合NSGA-3 算法计算得到的所有解和Pareto 最优解的NOx、CH4及ISFC 的三维分布。使用KIVA3V-NSGA3 算法计算得到的算例广泛分布于三维目标空间中，Pareto 最优算例分布于最接近理想点的前沿，同时确保了分布的多样性。Pareto最优解算例相对于原机算例能够降低ISFC和NOx、CH4排放。
图3 所有优化算例、Pareto算例和原机算例
图4 优化算例CH4与NOx二维示意
图4为采用KIVA3V-NSGA3 算法计算得到的所有解与Pareto最优解的NOx与CH4 排放的二维分布。CH4排放和NOx排放呈现出trade-off 关系，CH4排放减少将导致NOx排放增加。与其他算例相比，Pareto最优算例在CH4和NOx排放方面均有较大的优势，其中最低CH4 排放接近于零，这意味着几乎所有的预混天然气都能够被氧化。虽然一些Pareto最优算例的NOx排放量非常低，但其CH4排放量却相对较高，由于CH4排放的增加，燃烧效率将降低，从而导致燃料经济性的恶化；而NOx排放较高的Pareto最优算例CH4排放较低。
图5为采用KIVA3V-NSGA3 算法计算得到的所有解与Pareto最优解的NOx排放与ISFC 的二维分布。与CH4和NOx的关系类似，NOx排放的减少将导致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)，此时的ISFC接近于235 g/(kW·h)。较高的NOx排放通常伴随着较高的燃烧温度和较快的燃烧速度，有利于降低ISFC。
图5 优化算例ISFC与NOx平面示意
为进一步分析优化参数对柴油/天然气双燃料发动机的燃烧过程和排放的影响，对优化结果进行了数据对比分析。
表2 压缩比与喷油时刻、涡流比与喷油夹角、EGR率与△R等参数对ISFC、CH4及NOx排放的影响
表2分别为压缩比与引燃柴油喷射定时、涡流比与喷射夹角、EGR率与底部半径减去喉部半径等参数对ISFC、CH4和NOx排放的影响，其中底部半径减去喉部半径(R2－R1)用ΔR来表示。随着喷射定时靠近上止点，ISFC和CH4排放升高，而NOx排放降低。引燃柴油喷射定时主要影响预混合天然气的着火时刻，靠近上止点喷射，燃烧过程中的活塞下行致使燃烧温度降低，抑制了NOx的生成；随压缩比的增加，ISFC和CH4排放先减小后增大，NOx排放先增大后减小，压缩比增加有助于增强缸内的气流运动，使燃烧更加充分；但过大的压缩比易造成不正常燃烧现象，影响发动机的寿命。涡流比对ISFC和CH4排放的影响较小，在较大或者较小涡流比时，NOx排放较低。ISFC和CH4 排放随喷射夹角的增大呈减少→增大→减少的趋势，当喷射夹角达到最大值而涡流比取最小值时，ISFC和CH4排放能同时达到最低点；在涡流比最大而喷射夹角最小、涡流比较小且喷射夹角在63°左右时，NOx 排放均达到最小值，在63°之外喷射夹角增大或减小均使NOx排放迅速增加。开口型燃烧室( ΔR＜0)相比于缩口型燃烧室( ΔR＞0)更能促进压缩余隙中混合气的燃烧，降低CH4 排放，与此同时，NOx排放增加较多；EGR率的增大能够在保持ISFC和CH4排放较低的情况下，较大幅度地降低NOx排放。因此，采用开口程度较大的开口型燃烧室和较大的EGR率，能够同时降低CH4和NOx排放，提高燃油经济性。
经过压缩比与引燃柴油喷射定时、涡流比与喷射夹角、EGR率与ΔR等参数对ISFC、CH4和NOx影响的数据对比分析发现，ISFC与CH4排放具有较好的一致性，而与NOx排放具有明显的trade-off关系。燃烧效率的提高降低了燃油消耗率，减少了碳氢化合物的排放；但同时使缸内温度升高，促进氮氧化物的生成，增加了氮氧化物的排放。

3. 结论

(1) 将计算流体力学与详细化学反应机理进行了耦合，建立柴油/天然气双燃料发动机的仿真模型，采用KIVA3V-NSGA3 程序获得不同排放和燃料消耗率的Pareto 最优解，进行了发动机运行参数、喷射参数等多目标参数的协同优化。
(2) 多目标参数优化结果的数据对比分析清楚地量化了设计参数对最佳目标的影响；燃油消耗率随着喷射夹角的增加而减小，而随着涡流比的增加，燃油消耗率略有增加，当涡流比较小而喷射夹角较大时，燃油消耗率最低；随着喷射定时靠近上止点，ISFC和CH4排放升高，而NOx排放降低；较高或较低的涡流比都将减少NOx排放；EGR率的增大能显著地减少NOx 排放；开口型燃烧室能促进燃烧室中的高温燃烧混合物与活塞间隙中的低温未燃烧混合物之间的混合，降低CH4排放，提高燃油经济性。

文献来源
刘 杰,王俊乐,赵洪波.柴油/天然气发动机燃烧系统协同优化方法[J].内燃机学,2021,(01):44-50.
 
学报简介
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。《内燃机学报》主要刊载内燃机方面有较高学术价值和应用价值的学术性论文，在海内外有广大的读者群，是内燃机工作者的良师益友，欢迎登录《内燃机学报》官方网站（www.transcsice.org.cn）投稿。
 
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