基于LIVC米勒循环与生物质气-沼气混合燃料的SI发动机性能优化：仿真与实验研究

　　本研究针对可再生能源单一利用效率低、排放高的难题，创新性地采用生物质气(PG)与沼气(BG)等体积混合燃料，结合迟闭进气阀(LIVC)米勒循环技术，通过FORTRAN建模仿真和响应面法(RSM)优化，实现了SI发动机功率提升至5.10 kW、热效率达28.78%，同时降低CO(0.439 vol%)和NO(1125.9 ppm)排放，为农村地区清洁能源发动机技术提供新方案。

　　

全球能源危机与气候变化的双重压力下，如何利用可再生能源实现高效低排放的电力供应成为紧迫课题。传统火力发电依赖煤炭资源，但据国际能源署统计，全球仍有8.5亿人缺电，而电动汽车的普及将加剧电力需求。生物质能作为可再生碳源，其转化利用面临能量密度低、季节性波动大的瓶颈。生物质气(PG)和沼气(BG)作为两种典型生物质衍生燃料，单独使用时存在明显缺陷：PG热值仅3-6 MJ/N·m³
导致发动机功率下降20-45%，BG虽具抗爆性(辛烷值130 ON)但能量密度不足。印度理工学院瓦拉纳西分校的Lawalesh Kumar Prajapati与Jeewan Vachan Tirkey创新性地提出等体积PG-BG混合燃料方案，结合迟闭进气阀(LIVC)米勒循环技术，通过数值模拟与多目标优化，成功突破生物质燃料发动机的性能限制。

研究采用准维热力学模型(Quasi-dimensional Thermodynamic Model)进行仿真，通过FORTRAN编程实现双区燃烧模型计算，结合响应面法(RSM)对LIVC角度(60-85° aBDC)、点火正时(SOI,15-30° bTDC)和进气压力(1-2.5 bar)三因素进行优化。模型验证采用文献中纯BG和50%PG混合燃料的缸压曲线数据。

材料与方法：热力学仿真
研究构建了考虑湍流火焰传播的双区(已燃/未燃)燃烧模型，基于质量守恒、能量守恒和理想气体状态方程建立控制方程。仿真从进气阀关闭开始，通过活塞运动计算缸内状态变化，引入韦伯函数描述燃烧过程。关键创新在于整合LIVC米勒循环效应，通过延迟进气阀关闭降低有效压缩比，抑制爆震倾向。

验证准维热力学模型
通过与Bui等学者的实验数据对比，验证了模型在预测缸压曲线和放热率方面的准确性。特别验证了50%PG混合燃料在14:1几何压缩比(GCR)下的燃烧特性，误差控制在5%以内。

结论
优化结果显示最佳参数组合为LIVC 60° aBDC、SOI 22.38° bTDC和2.5 bar进气压力，此时指示功率(IP)达5.10 kW，指示热效率(ITE)提升至28.78%，制动比能耗(BSEC)降至13.30 MJ/kWh，CO和NO排放分别为0.439 vol%和1125.9 ppm。研究证实：1)PG-BG混合燃料的协同效应可弥补单一燃料缺陷，PG的高抗爆性(H₂
/CO成分)与BG的较高热值(23.1 MJ/m³
)形成互补；2)LIVC策略通过降低有效压缩比抑制爆震，使增压进气(2.5 bar)成为可能；3)RSM优化获得0.841综合合意度，平衡了功率、效率与排放矛盾。该成果为农村地区固定式发电机组提供可推广的技术方案，避免复杂可变压缩比(VCR)机构的使用，同时开辟了生物质混合燃料优化新路径。