发动机稳态工况下的生物柴油排放性能仿真研究

邓刘浏，张永辉，孙 宁

Deng Liuliu，Zhang Yonghui，Sun Ning

（南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037）

0 引 言

柴油机具有较好的经济性、动力性等优点，成为目前汽车发展的热门话题。生物柴油作为最重要的清洁原料之一，是最具有发展前景的柴油替代燃料[1]。同时我们面临着石油逐渐减少甚至枯竭的危机，因此发展生物柴油及对生物柴油的应用研究已经成为不可阻挡的趋势。当前已经有很多学者开展了对生物柴油的动力性、排放性等的研究[2-4]。伴随着现代技术的不断更新，产品的更新周期不断缩短，常规的实验研究方法已经远远满足不了研究工作的需要，寻找更好的研究方法已经刻不容缓。计算机仿真与实验的结合有效提高了研究进度，成为适应时势的新型研究方法，被广泛应用于各领域[5-7]。对比生物柴油和柴油下发动机的各项性能体现生物柴油的优越性是本文的主要目的。

1 模型的建立

GT-Power是内燃机性能仿真的代表软件之一，可用于发动机的性能试验与整机开发，通过其中参数的设定实现对发动机稳态和瞬态的仿真。在该软件的控制模块中，引入了PID控制原理，实现发动机稳态工况的控制。PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。

1.1 发动机模型的建立

在GT-Power中柴油机的总体性能由各种工作参数决定，如喷油提前角、进排气温度、进排气压力等。而这些参数之间是相互关联的，改变其中任何一个参数的量都会引起其他参数的变化。同时这些工作参数又取决于柴油机的结构参数，如压缩比、转速、缸径、供油量、进排气管的结构及配气相位等。任何一个结构参数的变化又会引起工作参数的变化，从而对发动机的总体性能有着较为显著的影响。因而在计算机数值模拟运用于柴油机设计之前，为了能够对柴油机的性能做出定性的模拟并进行一定量的估算，我们不得不对柴油机的实际工作过程进行大量的假设与简化。基于GT-Power构建发动机模型，可实现不同运行参数下的发动机性能仿真试验研究。

实验模型各项技术参数如表1所示。

表1 柴油机基本参数

续表 1

GT-Power的单缸直喷柴油机模型如图 1所示。模型包括了进排气系统、气缸、喷油器等。

图2是单缸直喷柴油机模型使用柴油及生物柴油时各个转速下的转矩图（1为柴油的扭矩曲线，2为生物柴油的转矩曲线）。

图3为单缸直喷柴油机模型使用柴油及生物柴油时各个转速下的功率图（1为柴油的功率曲线，2为生物柴油的功率曲线）。

1.2 PID 模型的建立

在控制系统中，PID（比例-积分-微分）控制是控制器最常用的控制规律。PID控制的应用范围相当广泛，对于不同的控制对象，控制器的要求往往差异较大。PID控制器的好坏完全取决于其控制参数的选择，即PID控制器的整定方法。

PID控制器的控制规律为

式中，u(t)是 PID控制器的输出；e(t)是 PID控制器的输入；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分时间常数。

比例、积分和微分是相互关联的 3个环节的控制，3个参数可以分别进行调节，也可以只采用其中一种或者两种控制规律[8]。

基本的PID算法需要整定的系数是Kp（比例系数），Ki（积分系数），Kd（微分系数）。比例系数Kp加大会使系统的动作灵敏，速度加快；在系统保持稳定的情况下，加大比例系数Kp能够减小静差，从而提高控制精度，但是并不能完全消除静差。系统静差可通过积分系数来消除，以提高控制系统的控制精度；但是Ki太大系统会不稳定，Ki太小积分作用又太小，不能减小静差；微分控制可以改善动态特性，Kd合适的时候才能得到比较满意的过渡过程[9]。

图4为PID控制的单缸直喷柴油机模型。PID控制系统主要包括传感器、执行器及PID控制器等。

由图2和图3分析，取一个PID控制的转速为3000 r/min，负荷为20000（即柴油的负荷率为88%，生物柴油的负荷率为 97%）的稳定工况。并且在这个稳定工况下改变喷油提前角及喷孔长径比实现对发动机排放性能的优化。

2 影响柴油机排放的因素

2.1 柴油机排放的主要污染物

柴油机的有害排放物主要有 CO、HC、NOx和碳烟等，但柴油机总是在空燃比α >14.7的稀混合气下运行，且柴油机是在接近压缩上止点附近开始喷油压燃，所以柴油机排放的焦点问题就是NOx和碳烟的排放。

2.2 影响NOx和碳烟排放的因素

1）喷油提前角。随着喷油提前角的减小，预混油量和混合气量也随之减少，从而使速燃期压力、温度上升程度降低，NOx的排放量随之降低。

2）喷孔直径。喷孔直径减小时油束射程变长，喷雾变细，雾化不良，碳烟明显增加；若喷孔直径过大，不同负荷下其喷油量的不同也将使 NOx和碳烟的排放量不同。

3 仿真模拟及数据分析

3.1 生物柴油的选用

使用以棕榈树为原料的生物柴油，其基本参数如表2所示[10]。

表2 生物柴油基本参数

3.2 改变喷油提前角对柴油机排放性能的影响

图5为改变喷油提前角时使用柴油及生物柴油时其NOx的变化曲线（1为柴油的NOx变化曲线，2为生物柴油的NOx变化曲线）。

图6为改变喷油提前角时使用柴油和生物柴油时其碳烟的变化曲线（1为柴油的碳烟变化曲线，2为生物柴油的碳烟变化曲线）。

由图5和图6分析可知：在一定范围内，随着喷油角提前的角度越大，可以使预混油量和混合气量减少，从而使速燃期压力、温度上升程度降低，其 NOx和碳烟的浓度会大大降低，但不能无限制地提前。

3.3 改变喷孔长径比对柴油机排放性能的影响

图7为改变喷孔长径比时使用柴油及生物柴油时其NOx的变化曲线。

图8为改变喷孔长径比时使用柴油和生物柴油时其碳烟的变化曲线。

根据图7和图8分析可得：喷孔的长径比增大（即喷孔长度增加，喷孔直径减小。）对于一定的喷射压力和喷孔数，喷孔直径减小时油束射程变长，喷雾变细，雾化不良，油束着壁现象增多。NOx浓度降低，碳烟浓度明显增加[11]。

4 结 论

1）通过 GT-Power建立了单缸直喷柴油机模型，并利用其中的PID控制实现了发动机稳定工况的运行，便于实验研究的顺利进行。

2）通过改变喷油提前角和喷孔长径比2个参数的设定进行对发动机排放性能的研究。通过试验数据表明：在一定范围改变喷油提前角和喷孔长径比能够改善发动机的排放性能，使NOx和碳烟浓度降低。当喷油提前角为-15℃A，喷孔长径比为6时，柴油机排放性能达到最优状态。

3）通过文中各图生物柴油和柴油的对比，可明显发现：生物柴油的动力性和排放性均优于柴油。可推荐使用生物柴油，既能使汽车的动力性得到提升，又能够达到优化环境的效果。

[1]李攀，王贤华，李允超.生物柴油研究现状及其进展[J].能源与节能，2012（10）：31-32，64.

[2]范晨阳，徐彬，刘亚哲，等.柴油机燃用生物柴油的经济性和排放特性[J].农机化研究，2013（2）：210-213.

[3]宋俊良，赵富磊，李亚鹏.生物柴油混合燃料对柴油机 VOC排放的影响[J].内燃机与配件，2013（4）：26-31.

[4]王波，赵玉坤，石慧奇，等.生物柴油微粒排放特性试验研究[J]试验.测试，2012（10）：44-51.

[5]王学光，芮执远，杨萍.计算机仿真现状及其在制造业中的应用[J].机械研究与应用.2000，9（3）：37-39.

[6]熊光楞，王克明，陈斌元，等.计算机仿真技术在轿车工业中的应用与发展[J].系统仿真学报，2004（1）：73-78.

[7]宋彩霞，路新春，王磊.计算机仿真在电力系统中的应用与研究[J].计算机仿真，2004-5（5）：142-144.

[8]李楠.PID控制参数现代设计技术的研究与应用[M].浙江：浙江工业大学，2009.

[9]陈施华.PID控制器参数的自动整定[J].雷达与对抗，2005（3）：64-68.

[10]朱浩月，方俊华，张武高，等.生物柴油高压共轨喷雾特性的试验研究[J].工程热物理学报，2011，10（10）：1785-1788.

[11]林学东.发动机原理[M].北京：机械工业出版社，2012.