基于多目标参数优化的重整器与LNG发动机匹配研究开题报告

1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

如今，在石油危机的严峻形势下，发动机替代燃料的研究引起了广泛关注。此外，为降低污染物排放，满足现行日趋严格的排放法规，积极寻找清洁能源作为内燃机的动力来源也是内燃机革新的一项关键举措，乙醇、甲醇、二甲醚、异辛烷、天然气等因其各自独特的优势，成为研究焦点，有望在不久的将来能逐渐替代石油成为重要的内燃机燃料来源。

其中天然气储量丰富，液化天然气（LNG）因储存、运输方便、能量密度大、燃烧稳定、污染物排放低等优点，得到大力发展。低温稀薄燃烧能使天然气和空气更好地混合实现充分燃烧，同时降低氮氧化物的排放。采用低温稀薄燃烧和EGR，可以降低NO_x排放并在一定程度上抑制敲缸，但EGR率过大又容易引起较大循环波动，严重甚至会导致发动机失火，且会增加HC和CO排放。研究发现，天然气中加入氢气可加快混合燃气的燃烧速度^[1]，改善LNG发动机的燃烧特性，更接近等容燃烧，能有效解决失火问题、实现稳定稀薄燃烧、降低排放、提高热效率。

在以上研究的基础上，针对现有技术的不足，研究者提出了废气重整再循环（REGR）的概念。废气-燃料重整再循环（REGR）利用发动机余热对废气与燃料进行催化重整^[2]，REGR是废气再循环（EGR）与燃料重整相结合的技术，综合利用了两者的优点。

Poran等人^[3]在具有高压热回收的直喷式SI发动机的原型上。让甲醇通过蒸汽重整在高压下转化为合成气，产物直接喷射到燃烧室中，解决了回火和预着火的发生。用重整器和压缩气瓶进行甲醇重整产物的实验均显示出效率提高和更低的排放。在相同的重整分数下，乙醇和异辛烷的效率相对于甲醇有较大的相对提高。要获得与甲醇相似的效率，需较高重整分数的乙醇。如果使用最佳CR，并且考虑到乙醇重整的难度，则甲醇发动机将比乙醇发动机产生更高的效率。

李善良^[4]从热力学角度对二甲醚水蒸气重整进行了分析，并且利用CFD与化学动力学模型耦合的数值模拟方法，研究了REGR对二甲醚HCCI燃烧过程和排放的影响。对二甲醚水蒸气重整进行了热力学分析，分析了重整体系的热效率，计算了主要反应的化学平衡常数随温度的变化关系，结果表明：二甲醚重整气（DRG）比二甲醚最高可以增加15.45%的低热值，二甲醚在温度高于463K，水和二甲醚比大于2时具有很高转化率。

谢倩等人^[5]阐述了如何设计包括重整器在内的完整的废气重整再循环LNG发动机系统，并基于CHEMKIN模拟软件，结合GRI-Mech 3.0化学反应动力学机理，对液化天然气(LNG)废气重整再循环发动机进行模拟研究，结果表明：重整过程产生的氢气摩尔分数随着重整器入口当量比的增加而先增加后略有降低，重整反应产生的富氢混合气直接进入缸内燃烧，可改善发动机动力性、经济性和排放。

张超^[6]对ZS195柴油机进行了燃料重整模拟计算，分析了在不同的模拟重整气下的柴油机气缸内部流场、湍流动能分布、温度分布、氧气浓度分布、柴油浓度分布、NOx浓度分布、碳烟排放浓度分布以及平均压力和温度分布。结果表明:掺CO后，柴油机的NOx排放增加，碳烟排放降低，NOx和碳烟的模拟值和试验值比较接近，掺H2、CO以及EGR后，可以同时降低柴油机的NOx和碳烟排放。重整制氢可在缸内进行，也可在缸外的专用重整器中进行，在线制取的富氢混合气（包含H₂、CO和未重整HC等）直接进入进气道供发动机进行燃烧，是改善船用LNG发动机燃烧与排放特性的有效途径之一，REGR技术作为一种发动机节能减排新技术展现出巨大潜力^[7]。但REGR技术仍处于研究阶段，关于闭环系统的匹配研究更是鲜有报道，这严重制约着REGR技术进一步推广应用。

LNG发动机中，天然气与高温废气的催化重整反应在重整器中进行，反应主要是三类：水蒸气重整反应、部分氧化反应和水气转化反应。废气-燃料重整器与发动机互为边界条件，相互影响，发动机运行工况的变化会影响尾气排温、组分，使得重整器入口边界条件发生改变，对制氢特性造成影响，重整器制氢性能变化将进一步影响发动机燃烧与排放特性，两者之间存在比较复杂的相互作用关系^[8]，导致LNG发动机催化重整制氢的量很难与发动机不同工况实现最优匹配。鉴于闭环系统内控制参数较多（如废气重整再循环率、重整甲烷供给量、点火正时和过量空气系数等），且不同运行参数对系统性能的影响规律不尽相同，因此需要运用多目标参数优化方法对控制参数开展优化研究^[9]，才能发挥REGR技术的最大优势，实现LNG发动机与重整器的最佳性能匹配。

传统的多参数优化主要采用梯度优化算法，如权重法、约束法、目标规划法等，都是将多目标值转化为单目标值来处理，这样只能得到一个解，并不能充分体现各个目标的优点。非梯度算法具有不需要目标函数的梯度信息和全局寻优能量强等优点，适合于解决多参数优化问题^[10]，现今采用最广泛的多目标参数优化的方法主要有多目标遗传算法和NSGA-Ⅱ 算法。

曾育平等人^[11]对插电式混合动力汽车的动力系统进行成本、油耗和排放多目标参数优化。以最小化动力系统成本、考虑发动机热状况的油耗和排放为优化目标，采用多目标遗传算法对动力系统部件参数和控制参数进行同时优化，从而获得该优化问题的Pareto最优解集。结果表明：与原始车型相比，除了个别方案NOx略有增加外，Pareto最优解集所对应的燃油经济性和排放性能都有明显提高。

邓涛等人^[12]以燃油经济性和排放性作为多目标参数优化对象，以整车动力性指标作为约束条件，提出NSGA-Ⅱ多目标参数优化算法，结果表明：在满足动力性指标和车速跟随基本吻合的情况下，优化后的燃油经济性指标、排放性能指标均有明显提高，蓄电池的最高充放电电流降低了一半。而且获得的一系列分布均匀全局最优解，优化结果比较满意，验证了提出的参数匹配优化算法的准确性和适用性。

王润才等人^[13]应用遗传算法工具箱和ADVISOR的非GUI函数，以整车设计要求的动力性能指标为约束条件，以整车百公里燃油消耗量和排放性能为目标函数，建立了动力参数优化的仿真模型，对动力系统部件参数和控制策略参数的同时优化。仿真分析结果表明：该优化仿真模型能够显著降低百公里燃油消耗量，在保证动力性能的前提下，整车的燃油经济性和排放性能也得到了提高。

吴光强^[14]针对混合动力汽车设计参数众多的状况，提出了一种对混合动力汽车传动系统参数和控制参数同时进行优化的多目标优化新方法——自适应遗传算法。分析并建立了以动力性能指标为约束的混合动力汽车参数优化的非线性规划模型，其目标函数包含最小油耗和最佳排放性能。采用带自适应交叉和变异算子的遗传算法进行求解。仿真结果表明了所提出方法的有效性。

多目标参数优化是废气重整再循环LNG发动机性能优化匹配过程中重要的有效措施^[15]。目前，关于废气重整再循环LNG发动机闭环系统控制参数优化的研究未曾报道。

本次研究希望通过一维数值模拟构建废气-燃料重整器与点燃式船用LNG发动机闭环运行仿真模型^[16]，探究控制参数对发动机燃烧与排放的影响规律。在此基础上，借助多目标参数优化方法开展闭环系统运行参数优化研究，实现重整器与发动机匹配运行，为LNG发动机上REGR技术应用以及性能优化提供重要参考。

第1-2周 查阅文献完成外文翻译，完成文献综述和开题报告；

第3-4周 学习使用GT-Power和modeFRONTIER软件；

第5-7周 了解多目变参数优化方法以及废气-燃料重整再循环技术国内外研究现状；

第8-9周 运用GT-Power软件建立LNG发动机-废气燃料重整器闭环数值计算模型，模拟研究运行参数对发动机燃烧与排放的影响规律；

第10-12周 构建闭环系统目标函数，通过拉丁超立方抽样方法构建样本算例群，利用多目标遗传算法迭代求解，确定Pareto最优解，以满足NOx排放标准时油耗最低为目标，最终确定控制参数匹配方案；

第12-13周 完成大论文初稿，撰写小论文，进行预答辩；

第14周完成大论文终稿，提交小论文，以及进行学校答辩并收取周记批阅。