劉亞坤，陳昊，陳軼嵩

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

石油資源作為全球最大的消耗資源，尤其是交通運(yùn)輸行業(yè)，幾乎全部依賴石油資源，而且隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速增長，對能源的依賴越來越大，尤其是石油資源。在當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代，中國作為最大的發(fā)展中國家，能源一直是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民眾生活的重要議題[1]。但是石油屬于不可再生資源，過多的消耗石油資源不僅帶來的是能源緊缺的問題，由于石油燃燒排放產(chǎn)生的二氧化碳等排放物也給環(huán)境帶來了很大的影響，比如溫室效應(yīng)。隨著石油資源的日益緊缺與人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，代用燃料的研究與應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。

近年來，生物柴油由于含氧、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性好、可再生性等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為一種備受關(guān)注的代用燃料，是國內(nèi)外代石油液體燃料的研究熱點(diǎn)[2]。而且制作生物柴油的原料來源廣泛，而且大豆、大米和油菜籽，以及藻類等制成的生物柴油在其生命周期中是消耗CO2的，因而在某種角度上來講，使用生物柴油可以減少CO2的排放[3]。

1 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算條件

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)六缸高壓共軌柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表所示。本文通過Ki-Box軟件控制ECU來實(shí)現(xiàn)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變的前提下來改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，并通過Ki-Box實(shí)時(shí)讀取缸內(nèi)燃燒壓力的變化。

表1 柴油機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)分別保證發(fā)動(dòng)機(jī)在1400r/min和2000r/min的轉(zhuǎn)速的條件下，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下選取幾個(gè)特征點(diǎn)，并對每個(gè)特征點(diǎn)都進(jìn)行100次做功循環(huán)，進(jìn)而得到缸內(nèi)平均壓力從而得到在該工況點(diǎn)下的缸內(nèi)壓力的變化情況。

2 基于GT-POWER建立柴油機(jī)燃燒模型

2.1 GT-POWER簡介

GT-POWER軟件是美國Gamma Technologies公司開發(fā)的計(jì)算一維氣體流動(dòng)的商業(yè)軟件，幾乎包含了發(fā)動(dòng)機(jī)所有關(guān)鍵工況的細(xì)節(jié)模型，可以較完整地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的性能變化[4]。計(jì)算內(nèi)燃機(jī)(包括汽油機(jī)、柴油機(jī))從進(jìn)氣到燃燒再到排氣整個(gè)過程，包括進(jìn)氣過程中氣體參數(shù)，燃燒過程，內(nèi)燃機(jī)各性能參數(shù)，排氣情況等，它可以把計(jì)算結(jié)果以表格、圖等方式表達(dá)，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步處理。

2.2 柴油機(jī)模型的搭建和參數(shù)的輸入

圖1 柴油機(jī)模型

本次實(shí)驗(yàn)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為廢氣渦輪增壓、中冷的六缸直列柴油機(jī)。在此簡單敘述柴油機(jī)物理模型的建立過程?？諝饨?jīng)過空氣濾清器進(jìn)入進(jìn)氣管，進(jìn)氣道，進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，氣缸內(nèi)燃燒后高溫的廢氣經(jīng)過排氣管到渦輪中，推動(dòng)渦輪做功后由排氣管排出。最終搭建好的六缸柴油機(jī)的模型如圖1。

搭建好柴油機(jī)的模型以后，根據(jù)實(shí)際的工作條件，輸入對應(yīng)的參數(shù)。輸入的基本參數(shù)有：氣缸數(shù)，氣缸直徑，活塞沖程，連桿長度，進(jìn)氣管總?cè)莘e，持續(xù)轉(zhuǎn)速，持續(xù)功率，供油提前角，進(jìn)排氣閥開啟關(guān)閉角，柴油機(jī)機(jī)械效率，燃油消耗率，渦輪絕熱效率最大值，渦輪增壓器機(jī)械效率，增壓器壓比，額定供氣量，額定轉(zhuǎn)速，渦輪增壓器壓氣機(jī)特性曲線，渦輪增壓器壓氣機(jī)特性曲線等。

2.3 生物柴油替代物的選擇

生物柴油是脂肪酸甲酯的混合物，其主要成分包括油酸甲酯，亞油酸甲酯，棕櫚酸甲酯，硬脂酸甲酯，亞麻酸甲酯。由于生物柴油組分復(fù)雜，而且分子量較大，很難直接研究其燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[5]。而且GT-POWER軟件的燃料庫里面沒有生物柴油這個(gè)燃料，基于以上兩點(diǎn)需要用不同燃料進(jìn)行不同比例的混合來代替生物柴油來實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算。

本文實(shí)驗(yàn)用的燃料為餐飲廢油制生物柴油，其主要成分如表所示。

對于替代的混合燃料，1mol 的癸酸甲酯與 0.98mol 的正庚烷的熱值與對應(yīng) 1mol 生物柴油的熱值相同，則混合燃料替代物碳原子和氫原子個(gè)數(shù)分別為 17.9 和 37.7，而大豆油甲酯的碳原子和氫原子個(gè)數(shù)為 18.8 和 34.6。因此，在相同的熱值下，兩種替代物的碳原子、氫原子和氧原子的數(shù)量與生物柴油的差別很小，所以可以用這兩種燃料通過一定比例的混合來代替生物柴油進(jìn)行仿真模擬[6]。

表3 燃料的物理性質(zhì)

柴油機(jī)模型建立后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊Run菜單下的Check model integrity，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)部一致性，然后點(diǎn)擊Start simulation丌始程序計(jì)算，運(yùn)行GT-POST對結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理。本論文研究的是柴油機(jī)在不同的工況下實(shí)際缸內(nèi)壓力與通過GT-POWER所得到的的缸內(nèi)壓力的對比分析。

3 模型與試驗(yàn)對比驗(yàn)證

圖2 1400r/min不同負(fù)荷

圖3 2000r/min不同負(fù)荷

試驗(yàn)中，分別設(shè)定不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下設(shè)定不同負(fù)荷，直接記錄發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的動(dòng)力參數(shù)與排放數(shù)據(jù)。仿真模型選取其中的1400r/min和2000r/min個(gè)常用轉(zhuǎn)速的不同負(fù)荷。

4 結(jié)論

GT-POWER軟件對于柴油機(jī)的模擬計(jì)算研究是實(shí)用的，并且節(jié)約了試驗(yàn)本。本文所建立的柴油機(jī)模型與實(shí)際基本吻合，模擬計(jì)算缸內(nèi)壓力相對于實(shí)際柴油機(jī)缸內(nèi)壓力相對誤差不超過 2%。綜合考慮柴油機(jī)動(dòng)力性能，經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)保性能，運(yùn)用 GT-POWER軟件所建立的模型是合理的，可以利用模型代替實(shí)際柴油機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。雖然運(yùn)用GT-POWER軟件模擬柴油機(jī)運(yùn)行有一定的困難和局限性，但它節(jié)約了柴油機(jī)試驗(yàn)成本，因此對柴油機(jī)模擬分析仍有廣闊的運(yùn)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Naik S N,Vaibhav V Goud,Prasant K Rout,Ajay K Dalai.Product/on of first and second generation biofuels:A comprehensive review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews.2010,14(2):578-597.

[2] 孟興凱.不同生物柴油理化特性及其對車用材料的影響研究.[D]:[碩士學(xué)位論文].西安:長安大學(xué),2013.

[3] 汪方陽.柴油機(jī)燃用多種生物柴油的燃燒與排放研究.[D]:[碩士學(xué)位論文].武漢:華中科技大學(xué),2013.

[4] 張偉.基于 GT-POWER的船用柴油機(jī)氮氧化物排放特性研究[D]:[碩士學(xué)位論文].大連:大連海事大學(xué),2007.

[5] 王鑫.正丁醇-生物柴油雙燃料燃燒過程數(shù)值模擬研究[D]:[博士學(xué)位論文].天津:天津大學(xué),2015.

[6] Herbinet,O.,Pitz,W.J.,Westbrook,C.K., Detailed chemical kinetic me-chanism for the oxidation of biodiesel fuels blend surrogate,Combustion and Flame, 2010, 157 (5): 893-908.