基于准维热力学模型与响应面法的沼气SI发动机性能优化及技术经济分析

为解决沼气燃料火花点火(SI)发动机功率低、效率不足的问题，研究人员通过准维热力学模型(QDTM)和响应面法(RSM)优化了米勒循环-延迟进气门关闭(LIVC)、增压压力(Pr)、点火时刻(SOI)及当量比(ER)等参数，使制动功率(BP)提升至3.72 kW，热效率(BTE)达25.83%，同时降低CO(0.004%vol)和NO(1.34g/kWh)排放。经济评估显示，该方案25年寿命周期内净现值(NPV)为2158.6美元，度电成本(LCOE)仅0.25美元，兼具环境与经济效益。

　　

在全球能源转型与碳中和目标下，沼气作为可再生燃料在火花点火(SI)发动机中的应用备受关注。然而，沼气因甲烷含量低、火焰传播速度慢，导致发动机功率和热效率显著低于传统燃料。更棘手的是，现有研究多依赖燃料掺混提升性能，而纯沼气优化方案及经济可行性研究仍属空白。面对这一挑战，来自印度理工学院的研究团队创新性地结合准维热力学模型(QDTM)与响应面法(RSM)，首次系统评估了纯沼气SI发动机的性能边界与经济潜力。

研究采用QDTM模拟燃烧过程，通过两区模型(已燃/未燃区)计算12种排气组分，结合湍流火焰速度、CO/NO反应动力学等模块，精准预测了缸内压力、温度及排放特性。模型经本田GX200-SI发动机实验数据验证后，重点分析了当量比(ER)、延迟进气门关闭(LIVC)、点火时刻(SOI)和增压压力(Pr)的协同效应。RSM多目标优化最终锁定最佳参数组合：ER 0.7、LIVC 60°aBDC、SOI 27.12°bTDC、Pr 2.5 bar，在几何压缩比(GCR)12条件下实现功率3.72 kW、热效率25.83%的突破，同时将CO和NO排放控制在0.004%vol与1.34g/kWh。

模型验证
通过对比缸压曲线、放热率及NOx排放数据，QDTM模拟结果与文献实验值误差小于5%，证实模型可准确反映沼气燃烧特性。特别是对CO₂吸热效应导致的峰值压力降低趋势的捕捉，凸显了模型的可靠性。

性能优化机制
米勒循环-LIVC策略通过延长膨胀冲程提升热效率，而增压补偿了进气量损失。当量比0.7的稀薄燃烧显著降低NOx，但需配合27.12°bTDC的点火提前角以平衡燃烧速度。

经济与环境效益
25年生命周期分析显示，项目净现值(NPV)达2158.6美元，内部收益率(IRR)12%，度电成本(LCOE)0.25美元/千瓦时。敏感性分析指出，沼气池成本与发动机容量是LCOE主要影响因素。相较于传统能源，该方案每年可减少数吨CO₂排放。

这项发表于《Biomass and Bioenergy》的研究，首次将纯沼气SI发动机的功率提升至实用化水平，并通过技术-经济联合优化模型，为农村分布式能源系统提供了可落地的解决方案。其创新点在于：1) 摒弃燃料掺混依赖，通过米勒循环-增压协同实现性能突破；2) 建立QDTM-RSM耦合框架，为后续生物燃气发动机研究提供方法论参考；3) 量化全生命周期经济指标，填补了沼气动力系统商业化评估的空白。研究团队特别强调，该成果可直接应用于厨余垃圾处理场景，实现废弃物-能源-减排的闭环管理，对发展中国家能源结构转型具有示范意义。