鄧義斌 周 晴

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

近年來全世界天然氣汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛的勢(shì)頭遭遇瓶頸，原因之一是供氣體系不夠完善、加氣站建設(shè)滯后[1-2].針對(duì)加氣站選址規(guī)劃的優(yōu)化[3]、站內(nèi)燃料加注技術(shù)[4-6]等方面的研究一定程度改善這一局面，但仍無法從根本上解決加氣站點(diǎn)數(shù)量不足的問題.為此人們開始探索如何拓展加氣站點(diǎn)，例如,利用比加氣站分布更為廣泛的低壓民用天然氣管網(wǎng)作為氣源進(jìn)行燃料加注，通過Phill,FMQ2.5和FMQ10等設(shè)備實(shí)現(xiàn)從家用天然氣管道取氣進(jìn)行壓縮實(shí)現(xiàn)NGV的燃料加注, 但該類設(shè)備在安裝要求、價(jià)格和加注效率之間此消彼長(zhǎng)、不能兼顧.

雙模天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[7]也是利用低壓民用天然氣管網(wǎng)作為氣源進(jìn)行燃料加注的一個(gè)典型代表，它是在不影響多缸發(fā)動(dòng)機(jī)原有工作能力(即動(dòng)力模式)的基礎(chǔ)上，在停車時(shí)利用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)相似的特點(diǎn)，將一個(gè)或多個(gè)氣缸切換為壓縮氣缸，而其余正常工作氣缸為壓縮氣缸提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)從低壓天然氣氣源的加壓加注(即加注模式)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要配備獨(dú)立的壓縮設(shè)備.Echter等[8]基于該技術(shù)開展6缸雙模天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝、仿真計(jì)算、臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車應(yīng)用等研究，通過對(duì)某型6缸5.9 L 12閥的柴油機(jī)進(jìn)行改裝及結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，采用三級(jí)壓縮加注，從低壓氣源將140 L的天然氣儲(chǔ)罐加注至25 MPa約需要120 min，基于此情況提出雙模天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料加注效率仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間.但當(dāng)前天然氣加注優(yōu)化研究主要是利用現(xiàn)代智能優(yōu)化算法對(duì)加氣站壓縮機(jī)的能耗和效率進(jìn)行優(yōu)化[9-10]，對(duì)于雙模天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)這種較為特殊地燃料加注結(jié)構(gòu)及方式并不適用.

文中針對(duì)4缸NGV發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)用雙模技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，在假定改裝后動(dòng)力性滿足要求的前提下，建立加注過程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上建立以加注時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，并利用遺傳算法求解優(yōu)化問題.

1 雙模NGV發(fā)動(dòng)機(jī)改裝設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為某型NGV，其四缸CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸行程為90 mm，缸徑為83.5 mm，壓縮比為10，車載儲(chǔ)罐容積為60 L.雙模NGV的CNG燃料加注需要有天然氣氣源、加壓裝置如壓縮機(jī)等、動(dòng)力和相應(yīng)的管路及控制系統(tǒng).利用NGV活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)與活塞式壓縮機(jī)相似的特點(diǎn)，將四缸CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)氣缸改裝為壓縮機(jī)，并為NGV增加相應(yīng)的管路及控制系統(tǒng)，這樣只需要將NGV接入民用管道天然氣即可實(shí)現(xiàn)燃料自行加注.根據(jù)民用管道天然氣壓力(0.1 MPa)、車載儲(chǔ)罐目標(biāo)壓力(20 MPa)、平均壓力損失和最佳壓力比可確定加注過程為四級(jí)壓縮.其工作原理見圖1，通過控制各級(jí)儲(chǔ)罐的氣體進(jìn)出控制閥，可以實(shí)現(xiàn)管道天然氣通過壓縮氣缸經(jīng)過A、B、C三個(gè)中間儲(chǔ)罐并最終到達(dá)車載儲(chǔ)罐D(zhuǎn).冷卻器的作用是使壓縮后的高溫氣體在進(jìn)入各儲(chǔ)罐前被充分冷卻，提高加注效率.

圖1 雙模NGV原理圖

2 雙模發(fā)動(dòng)機(jī)加注過程建模計(jì)算

2.1 雙模發(fā)動(dòng)機(jī)加注過程建模及驗(yàn)證

根據(jù)能量守恒方程對(duì)氣缸內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)變化進(jìn)行分析，對(duì)缸內(nèi)氣體內(nèi)能產(chǎn)生影響的主要因素為流進(jìn)和流出的氣體攜帶的能量和活塞對(duì)氣體做的功.

(1)

式中：dQ為在dθ曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)氣缸內(nèi)的吸收或釋放的熱量；dms,dmd為dθ曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)進(jìn)入和流出的氣體質(zhì)量；hs,hd為dθ曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)進(jìn)入和流出氣缸氣體的單位焓值；d(mcuc)為dθ曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)氣缸內(nèi)氣體內(nèi)能增量；dW為dθ曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)氣體所作機(jī)械功的增量.

壓縮氣缸內(nèi)的工作容積中，氣體質(zhì)量變化包括流入和流出氣缸的質(zhì)量，因此質(zhì)量守恒方程為

(2)

式中：dm為缸內(nèi)質(zhì)量變化；dms，dmd分別為流入和流出氣缸的流體質(zhì)量.

根據(jù)式(1)、式(2)可得到壓縮氣缸模型，與氣閥模型和儲(chǔ)罐模型結(jié)合即可得到即可得出雙模NGV加注工作過程氣缸內(nèi)氣體和各級(jí)儲(chǔ)罐內(nèi)氣體隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律.

2.2 加注模型的驗(yàn)證

利用文獻(xiàn)[11-12]的壓縮機(jī)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)所建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)p-V圖見圖2a)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)運(yùn)用所建數(shù)學(xué)模型可得計(jì)算p-V圖見圖2b).由圖2可知，膨脹和壓縮過程的變化趨勢(shì)基本一致，差異體現(xiàn)在進(jìn)氣和排氣過程，與計(jì)算曲線較為平滑的進(jìn)氣和排氣曲線相比，試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)出較為明顯的壓力波動(dòng)，主要原因是由于計(jì)算模型假設(shè)進(jìn)排氣時(shí)閥門瞬間打開，簡(jiǎn)化了氣閥的實(shí)際運(yùn)動(dòng)造成的.總體而言，對(duì)比結(jié)果證實(shí)了壓縮機(jī)工作過程數(shù)學(xué)模型合理可信，因此可以將該模型應(yīng)用于雙模NGV加注過程的數(shù)值計(jì)算.

圖2 壓縮機(jī)試驗(yàn)與計(jì)算對(duì)比圖

2.3 雙模NGV加注工作過程計(jì)算與分析

假定壓縮氣體在進(jìn)入儲(chǔ)罐前被充分冷卻至25 ℃，設(shè)定加注模式下發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，考慮到空間限制，三個(gè)中間儲(chǔ)罐容積均設(shè)為5 L，計(jì)算步長(zhǎng)取0.1度曲軸轉(zhuǎn)角，多級(jí)壓縮過程中根據(jù)最省功原則和中間完全冷卻原則采用等壓比方法確定各級(jí)儲(chǔ)罐的壓力區(qū)間.

越級(jí)加注是從天然氣氣源(0.1 MPa)或低壓力級(jí)別儲(chǔ)罐依次向各個(gè)更高壓力級(jí)別儲(chǔ)罐進(jìn)行加注，當(dāng)作為氣源的儲(chǔ)罐壓力低于設(shè)定下限時(shí)，將該儲(chǔ)罐作為壓力目標(biāo)儲(chǔ)罐，從低一級(jí)壓力儲(chǔ)罐為其加注直至車載儲(chǔ)罐壓力達(dá)到目標(biāo)壓力，加注過程各級(jí)儲(chǔ)罐切換見表1，雙模NGV車載儲(chǔ)罐采用該方案對(duì)其加注.

整個(gè)加注過程所需壓縮次數(shù)為48 467次，加注時(shí)間約為48.5 min.加注過程各級(jí)儲(chǔ)罐氣體壓力變化見圖3，各中間儲(chǔ)罐內(nèi)壓力依次達(dá)到該壓力上限然后在其壓力區(qū)間內(nèi)呈規(guī)律性震蕩，直至車載儲(chǔ)罐內(nèi)壓力呈階梯狀逐步上升達(dá)到目標(biāo)壓力(20 MPa).當(dāng)儲(chǔ)罐作為吸氣氣源時(shí)，儲(chǔ)罐壓力隨壓縮過程的進(jìn)行而減少，當(dāng)儲(chǔ)罐作為排氣目標(biāo)儲(chǔ)罐時(shí)，而儲(chǔ)罐的壓力隨壓縮過程的進(jìn)行逐漸增大，不參與壓縮過程的儲(chǔ)罐壓力維持不變.

表1 越級(jí)加注方案順序列表

圖3 越級(jí)加注各儲(chǔ)罐壓力變化圖

3 燃料加注時(shí)間的優(yōu)化

3.1 問題分析及優(yōu)化模型的建立

雙模發(fā)動(dòng)機(jī)接入家用天然氣氣源對(duì)車載儲(chǔ)罐進(jìn)行加注時(shí)，在一定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，加注時(shí)間跟壓縮次數(shù)直接相關(guān).考慮到進(jìn)行越級(jí)加注方案時(shí)壓縮氣缸的位置狀態(tài)只能在中間儲(chǔ)罐內(nèi)壓力達(dá)到臨界值(設(shè)定的上下限壓力)時(shí)才能切換，各級(jí)儲(chǔ)罐的上下限壓力的大小會(huì)直接影響到加注時(shí)間.如一級(jí)儲(chǔ)罐的上下限壓力變化時(shí)，加注過程的加注時(shí)間變化見圖4，圖中顯示一級(jí)儲(chǔ)罐上限壓力在0.35～0.45 MPa時(shí)和一級(jí)儲(chǔ)罐下限壓力在0.19～0.24 MPa時(shí)的加注時(shí)間變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)加注時(shí)間隨上下限壓力的上升逐漸降低.由此可見各級(jí)儲(chǔ)罐內(nèi)的上下限壓力會(huì)對(duì)整個(gè)加注過程的加注時(shí)間造成較大的影響.

圖4 加注時(shí)間與一級(jí)儲(chǔ)罐上下限壓力關(guān)系圖

以加注時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)，加注過程的各級(jí)中間儲(chǔ)罐壓力上限x1，x2，x3和各級(jí)中間儲(chǔ)罐壓力下限x4，x5，x6作為優(yōu)化變量.函數(shù)的優(yōu)化模型為

min(t)=f(x1,x2,x3,x4,x5,x6)

(3)

模型的約束條件為

xi,l

(4)

式中：i取1,2,3,4,5,6；xi,l為xi取值的下限；xi,h為xi取值的上限.

3.2 遺傳算法設(shè)計(jì)

采用二進(jìn)制編碼對(duì)六個(gè)壓力變量進(jìn)行編碼，采用錦標(biāo)賽算子進(jìn)行選擇操作，對(duì)于交叉算子和變異算子均采用自適應(yīng)操作.采用單點(diǎn)交叉進(jìn)行交叉操作，并使用自適應(yīng)的交叉概率，通過當(dāng)前的適應(yīng)值，確定交叉概率Pc的大小.

(5)

采用基本位變異完成變異操作，并使用自適應(yīng)的變異概率來進(jìn)行變異操作.

(6)

在計(jì)算過程中為防止當(dāng)前種群的最優(yōu)個(gè)體在下一代發(fā)生丟失，采用精英保留策略將當(dāng)代最優(yōu)適應(yīng)值個(gè)體替換掉下一代種群中適應(yīng)值最小的個(gè)體，組成新的種群.例：

第n代種群個(gè)體：p1,p2,p4,p5,p6,p7,…,p30

第n+1代種群個(gè)體：q1,q2,q4,q5,q6,q7,…,q30

種群個(gè)體均已按適應(yīng)值從大到小排列，即p1為第n代最大適應(yīng)值個(gè)體。在第n+1代時(shí)，q30為當(dāng)前代最小適應(yīng)值個(gè)體，根據(jù)精英保留策略，將該個(gè)體剔除，并用p1替代.則有：

第n+1代種群個(gè)體：q1,q2,q4,q5,q6,q7,…,q29,p1

遺傳算法參數(shù)如下：種群大小為50，迭代次數(shù)為200，初始變異率為0.05，初始交叉率為0.8.

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

在一臺(tái)六核主頻2.4 GHz內(nèi)存64G的工作站開展優(yōu)化計(jì)算，約6 h完成計(jì)算.整個(gè)過程種群的平均加注時(shí)間和最優(yōu)加注時(shí)間變化見圖5.由圖5可知，自適應(yīng)遺傳算法的收斂代數(shù)曲線比較平滑且速度較快，第40代時(shí)就收斂到較好的水平，且保證種群的平均加注時(shí)間與最優(yōu)加注時(shí)間趨于一致.優(yōu)化計(jì)算后的結(jié)果見圖6，優(yōu)化后的加注時(shí)間為39.1 min，優(yōu)化后各級(jí)壓縮壓力區(qū)間見表2.

圖5 遺傳算法優(yōu)化后加注時(shí)間變化曲線

圖6 后加注過程各級(jí)儲(chǔ)罐壓力變化曲線

表2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比表 MPa

由圖6知，按照等壓比原則得到的各級(jí)儲(chǔ)罐壓力區(qū)間計(jì)算得出的加注時(shí)間經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后有較大幅度的減少.

4 結(jié) 束 語

運(yùn)用雙模技術(shù)對(duì)四缸NGV進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)、開展燃料加注過程建模仿真工作，基于所建立的模型和計(jì)算條件，雙模NGV從管道低壓天然氣實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐容積為60 L目標(biāo)壓力為20 MPa的燃料加注，加注時(shí)間約為48.5 min.針對(duì)雙模NGV特殊的燃料加注方式，運(yùn)用自適應(yīng)遺傳算法以加注時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化模型進(jìn)行求解，結(jié)果顯示加注時(shí)間降低為39.1 min，降幅為19.4%.該算法設(shè)計(jì)合理，收斂速度較快，可為類似問題的優(yōu)化提供參考.另外，遺傳算法的算法復(fù)雜度較高，難以在實(shí)際行車電腦中應(yīng)用，因此更簡(jiǎn)單高效的優(yōu)化算法仍需探索.