大缸径天然气发动机几何压缩比与米勒度协同优化

曹佳乐，李铁，依平，黄帅，杨润岱，黄雅婷

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.重庆普什机械有限责任公司，重庆 400050)

天然气燃烧清洁、储量丰富，作为发动机燃料备受关注[1-2]。目前大功率点燃式天然气发动机大多由柴油机改制而成，需针对天然气燃烧特性进行燃烧室、缸头和气阀正时等优化。天然气发动机可采用稀薄燃烧提高热效率并降低NOx，然而，采用稀薄燃烧技术会导致燃料燃烧速度慢、负荷变动大、发动机性能下降、排气温度增高。天然气辛烷值(RON)高达130，抗爆性较好，可通过增加几何压缩比改善热效率，提高发动机性能，降低涡前排温。然而，提高几何压缩比会增加发动机的爆震倾向，减少发动机寿命。在维持较高几何压缩比的同时，采用米勒循环降低实际压缩比，可以改进发动机抗爆震性能，在提高热效率的同时降低排温和NOx排放，但需要利用优化手段对发动机多参数、多变量进行合理匹配[3-4]。

本研究通过GT-Power发动机一维仿真软件建立了某天然气发动机的性能仿真模型，通过实机数据进行模型标定。采用神经网络建模与遗传算法对天然气发动机的几何压缩比和米勒度等进行协同优化，降低大缸径天然气发动机排气温度，保证发动机扭矩输出。

1 研究方法

1.1 发动机建模及验证

研究对象为一台直列9缸预混点燃式天然气发动机，原机参数见表1。

表1 原机参数

燃烧模型采用Keck等[5]提出的SITurb湍流燃烧模型，见式(1)至式(6)。

(1)

(2)

SL*=m1SL，

(3)

lM*=m3lM，

(4)

(5)

(6)

式中：mb和me为已燃和未燃混合气质量；ρu为未燃混合气密度；Af为火焰前锋面面积；SL*，lM*和uT*分别代表修正后的层流火焰速度、泰勒微尺度长度和湍流火焰速度；τb*为修正后的特征时间。其中火焰核增长速率系数(m1)、湍流火焰速度系数(m2)、泰勒长度尺度系数(m3)等参数可以用来组合调整以准确标定天然气发动机的燃烧过程。GT-Power中采用有限容积法仿真进气管中的流动。本研究使用Woschni传热模型[6]进行热传导计算，其中活塞顶部温度设置为550 K，缸盖底部温度设置为500 K，缸套表面温度设置为450 K。

图1示出在常用工况(90%负荷、1 000 r/min)下模型标定后缸内压力与表观放热率仿真值与试验值对比。由图1可见，仿真模型计算结果与台架试验数据有较高的一致性，可采用该模型进行本研究的优化工作。本研究后续优化工作都将在标定中使用的常用工况条件下进行。

图1 仿真结果与试验结果对比

爆震是发动机性能优化的限制条件之一。本研究采用Livengood-Wu积分[7]：

(7)

式中：tIVC及tKO分别为进气阀关闭(IVC)时刻及爆震起始时刻；τ为末端混合气在压力p和温度T状态下的着火延迟。积分I等于1时对应的tKO即为爆震起始时刻。

本研究中τ的计算采用Soylu等[8]提出的天然气着火延迟关系式：

(8)

GT-Power模型中采用Zeldovich[9]机理模型预测排气阀打开时刻缸内NOx生成量。

1.2 优化方法

采用拉丁超立方抽样方法进行试验设计，使用神经网络建模得出天然气发动机性能指标的近似模型。使用遗传算法进行发动机的多参数、多变量协同优化设计。种群个体对应几何压缩比(GCR)、米勒度(M)、点火提前角(SA)、过量空气系数(λ)和增压压力(BP)的组合。优化变量取值范围见表2。几何压缩比和米勒度的取值将在后续优化中根据计算结果合理调整，点火提前角根据工程经验限制在-40°ATDC～0°ATDC，λ取值受限于发动机实际工作条件，增压压力取值受限于增压器增压能力。本研究米勒度(M)表示米勒循环进气门关闭时刻相对于下止点时刻的提前角，如图2所示，实线表示原机的进气阀升程曲线，原机米勒度为M20，米勒度M0～M60则表示进气门相对于下止点提前0°～60°关闭。

表2 优化变量的取值范围

图2 进气门早关米勒循环气门升程变化范围

本研究遗传算法优化目标为最高的指示热效率，优化约束条件见式(9)。式中x对应着包含几何压缩比(GCR)、米勒度(M)、点火提前角(SA)、过量空气系数(λ)、增压压力(BP)等参数信息的个体，TORQUE0为优化前原机扭矩，TORQUE，TEMP，KI，NOx，η分别为神经网络模型预测的扭矩、排气温度(涡轮前排气温度)、爆震指标、NOx、指示热效率。采用GT-Power中基于声学响度的爆震强度模型定义KI值，KICritical为爆震临界点对应的爆震指标阈值。

(9)

2 结果与讨论

2.1 几何压缩比对发动机性能的影响

提高几何压缩比可增加发动机的膨胀比[10]，有潜力提高发动机指示热效率，降低排气温度。图3示出发动机在标定工况(90%负荷、1 000 r/min)下固定进气压力、过量空气系数，通过改变点火提前角计算不同几何压缩比下爆震边界点处的CA50值(燃料累计放热50 %时对应的曲轴转角)、 指示热效率、排气温度与扭矩。

由图3可以看出，爆震边界点处的点火提前角一直向后推迟，这是由于几何压缩比的提高增加了发动机爆震倾向，通过推迟点火提前角以抑制爆震,且不同压缩比爆震边界下的扭矩变化量很小。当发动机几何压缩比从11提高至13时，发动机指示热效率提升，排气温度降低。但是，当发动机几何压缩比继续提高，点火提前角继续向后推迟，则会导致燃烧相位CA50后移致使发动机指示热效率降低，排气温度升高。因此，爆震是接下来优化发动机设计与控制参数的主要限制条件[11-12]。

图3 爆震边界下几何压缩比对发动机性能的影响

2.2 米勒度与增压压力对发动机性能的影响

通过发动机进气门相对于下止点时刻早关或者晚关使发动机的膨胀比大于有效压缩比可实现米勒循环。本研究只考虑通过进气门早关实现米勒循环，以避免进气门晚关使部分预混合气重新回到进气道带来回火风险。图4示出标定工况(90%负荷、1 000 r/min)不同米勒度下爆震边界点或MBT点(最大扭矩点)对应的点火提前角、CA50值、指示热效率、排气温度与扭矩。其中，实线表示发动机在标定工况、不同米勒度下的爆震临界点或扭矩最大点时的性能，虚线表示发动机在标定工况高米勒度、最大进气压力0.5 MPa条件下的性能。

随着米勒度的增加，发动机的爆震得到抑制，爆震边界远离上止点，排气温度随之下降，指示热效率随着米勒度的提高而增加。然而，随着米勒度的提高，进气过程变短导致扭矩显著减小，通过提高进气压力可以提高发动机扭矩，但是进气压力的提高受限于增压能力。尤其当米勒度为M50时，最大扭矩点的燃烧相位CA50位于0.5°ATDC，扭矩较低，在最大进气增压压力0.5 MPa下的扭矩仍然较低。

图4 爆震边界或MBT点下米勒度对发动机性能的影响

因此，这是个典型的多目标多参数优化问题，需要后续通过几何压缩比与其他发动机运行参数的协同优化来综合改进发动机性能。

2.3 几何压缩比与米勒度的协同优化

通过上述研究可知，发动机几何压缩比的增加有潜力提高指示热效率、提高发动机扭矩，但是会加重发动机爆震倾向，致使点火提前角向后推迟。增加米勒度可以有效抑制发动机爆震，提高指示热效率，降低排气温度，但是发动机扭矩会明显降低。故本节中采用前述的优化方法，对发动机几何压缩比、米勒度与其他发动机控制参数在90%负荷(13.6 kN·m)下利用遗传算法进行协同优化，以提高发动机指示热效率，降低排气温度并维持发动机的扭矩，同时将优化预测结果与几何压缩比为11以及米勒度为M20时爆震临界点的原机数据进行对比。得到最优的发动机设计参数几何压缩比与米勒度后，通过发动机控制参数的优化验证其在100%负荷(15.1 kN·m)的扭矩输出能力。

图5示出在90%负荷下不同几何压缩比时以最高指示热效率为目标经过遗传算法优化的发动机最优设计参数与控制参数。图6预测了发动机在以上优化后的参数运行时的性能参数。可以看出，几何压缩比从11提高到15时，最优工况点的点火提前角向后推移，过量空气系数不断提高以及米勒度不断加大，可以抑制爆震，提高指示热效率，降低排气温度。进气增压压力随着米勒度的提高而增加，以此来保证扭矩。随着几何压缩比的增加，排气温度先减小后增加，指示热效率先增加后减小，NOx排放的变化量小于5%。

图5 优化后的发动机运行参数(90%负荷)

图6 运行参数优化后的发动机性能(90%负荷)

表3列出在发动机最优设计参数下改变发动机控制参数对其在100%负荷下的扭矩验证情况。由图6可以看出，在90%负荷下，通过参数优化，不同压缩比下的扭矩输出都可以满足常用工况的扭矩要求。当几何压缩比从11增加到13时，优化后的排气温度随着指示热效率的增加而降低。在几何压缩比为13时，指示热效率达到最高，约高于原机2%，排气温度约低于原机34 K，NOx略微降低，约2%。当几何压缩比继续增加到14及以上时，优化后的米勒度继续加大以抑制爆震，提高进气增压压力到接近增压极限以提高进气充量保证扭矩，由于此时发动机爆震倾向严重，燃烧相位后移，排气温度增高，导致指示热效率下降。综上所述，本研究中发动机较为理想的几何压缩比为13，此时最优米勒度为M41，其在常用工况下具有最高的指示热效率和最低的排气温度。此外，由表3可知，发动机采用上述优化后的压缩比和米勒度后，在100%负荷下经控制变量优化仍满足原机15.1 kN·m的标定扭矩要求，同时指示热效率达到45.6%，排气温度低于原机最高排温限制。

表3 发动机最优设计参数的扭矩输出验证

3 结论

a) 提高几何压缩比有潜力提高发动机指示热效率，降低排气温度，但几何压缩比提高会明显增加爆震倾向，提高米勒度可降低爆震倾向，但较大的米勒度会使发动机损失扭矩；

b) 通过多目标、多变量的优化设计对发动机几何压缩比、米勒度与其他控制参数进行协同优化，可以在保证发动机扭矩的同时提高指示热效率，降低排气温度；本研究在发动机常用工况下优化后的几何压缩比为13，米勒度为M41，协同控制变量优化，较原机指示热效率提高约2%，排气温度降低约34 K，NOx排放降低约2%，同时100%负荷时维持扭矩输出并有较高的指示热效率。