基于GT-Power的柴油機改CNG發動機對比研究*

張　飛，嚴朝勇，張國輝，陳沚淇，潘偉榮（.廣東交通職業技術學院，廣東廣州　50640；.廣州本田汽車有限公司，廣東廣州　5060；.廣州市汽車服務業協會，廣東廣州　5067）

基于GT-Power的柴油機改CNG發動機對比研究*

張飛1，嚴朝勇1，張國輝2，陳沚淇3，潘偉榮1
（1.廣東交通職業技術學院，廣東廣州510640；2.廣州本田汽車有限公司，廣東廣州510630；3.廣州市汽車服務業協會，廣東廣州510627）

摘要：為改善城市空氣質量，廣州正準備改裝成或引進壓縮天然氣燃料（Compressed Natural Gas，簡稱CNG）公共汽車。利用GT-Power軟件建立了基于某柴油機的CNG單燃料發動機模型，并對其改裝后的性能進行了模擬，通過原柴油機外特性對比，顯示有效功率、有效力矩和比油耗都有顯著下降，通過研究指出改裝后天然氣發動機動力性下降原因，并得出恢復天然氣發動機動力性的方法，為進一步研究指明了方向，也為廣州實施CNG燃料發動機提供了理論支撐。

關鍵詞：GT-Power軟件；CNG；容積效率；有效功率

* 2014年度廣東省交通運輸廳科技項目（編號：科技-2014-04-007）

0　前言

汽車尾氣排放已成為城市空氣污染的主要因素，為改善城市空氣質量，廣州自2002年，引進了液化石油氣（LPG），但由于LPG燃料效率較低，發動機容易積碳，排放有害物質遠高于柴油車等質疑聲不絕于耳[1-2]，壓縮天然氣(compressed natural gas，簡稱CNG)作為一種最理想的車用替代能源，引進CNG作為公交車的動力燃料已提上日程。目前，國內大多數現有汽車發動機改裝CNG發動機后保留雙燃料的能力，雙燃料車輛改造費用高，功率損耗嚴重，駕駛操作復雜。本文旨在探討應用單燃料壓縮天然氣（CNG）作為柴油發動機的替代燃料對其性能的影響。

1　基于GT-Power的單缸發動機模型建立

GT-Power軟件基于管內或有限容積的一維流動理論，是一款包括發動機設計概念的發動機仿真分析軟件，目前汽車發動機行業廣泛采用[3]。本文選取某柴油機為改裝研究對象，主要技術指標參數如表1，利用GT- Power建立模型，鑒于該軟件的特點，需對模型作一定的假設：進入氣缸內的氣體能夠滿足理想氣體狀態方程，此時CNG物化特性如表2[4]；管路無彈性變形，且無泄漏現象；環境恒溫恒壓，燃氣無需過濾，且符合要求。

表1　柴油發動機主要技術指標

表2　CNG物化特性（25℃一個標準大氣壓下）

綜上，本文建立了基于GT-POWER單缸四沖程的直噴射發動機的模型[6-7]（如圖1）。

圖1　基于GT-Power的單缸直噴發動機仿真模型

圖中1為進氣管前的環境，2為進氣管前端，3為空氣濾清器，4為進氣管，5為進氣歧管，6為進氣門，7為噴嘴，8為氣缸，9為曲軸箱，10為排氣門，11為排氣歧管，12為排氣管，13為消聲器，14為尾氣出口，15為排氣管后的環境。相關設置參數詳見表3、表4、表5。

表3　進氣系統參數

2　基于GT-Power[8　]的單缸發動機[9　-10　]仿真

本文在發動機GT-POWER模型下使用的柴油燃料和CNG燃料，在有效功率、有效扭矩、比油耗[11-12]等發動機關鍵參數[13]下，比較研究兩者的性能。

圖2表明，使用柴油時，有效功率從200 r/min時0.09 kW變化到4 000 r/min時的2 kW，當3 000 r/min，達到峰值，即最大功率為4.3kW；使用CNG燃料時，200 r/min時0.04 kW變化到4 000 r/min時2.4 kW。CNG為燃料時，最大功率出現在4 000 r/min。對比得知，使用CNG作為燃料時最大功率減少44%。

表4　排氣系統參數

表5　進排氣門參數

圖2　有效功率圖

圖3中，使用柴油時，發動機轉速200 r/min時有效扭矩4 N?m，4 000 r/min時為4 N?m，峰值出現在1 000 r/min時12.6 N?m，1 500 r/min 時13.5 N?m，2 700 r/min時14.4 N?m，顯然最大扭矩為14.4 N?m。使用CNG燃料時，轉速200 r/min時有效扭矩1.7 N?m，4 000 r/min時為5.6 N?m，當2 400 r/min出現最大扭矩7.3 N?m。可知使用CNG燃料時最大扭矩將降低49%。

圖4中是燃油消耗率情況，對于柴油機，從200 r/min到4 000 r/min時，比油耗也從1 232 g/kW?h變化到1 025 g/kW?h，2 800 r/min時燃油消耗最低，為349 g/kW?h；對于CNG燃料，從200 r/min到4 000 r/min時，比油耗也從2 940 g/kW?h變化到891 g/kW?h，最低燃油消耗2 400 r/min為691 g/kW?h，顯然使用CNG作燃料時，最小燃料消耗率增加49%。

圖3　有效扭矩

圖4　燃油消耗率

3　結果分析

從仿真的結果可知，與柴油發動機相比，改裝后的CNG發動機動力性能會有所下降，分析其原因主要如下。

（1）決定發動機功率和扭矩的是混合氣熱值[14]，柴油具有烴比CNG燃料更高，將與發動機提供更多的能量[9]，為此本文研究了相同轉速下，兩種發動機的爆燃壓力值[15]。如圖5，在1 000 r/min時，柴油機和改裝后的CNG發動機噴射提前角分別為5.7°和4.5°，柴油機產生的壓力為81 bar，CNG發動機壓力為70 bar，壓力減少8%多。同理在2 000 r/min時，CNG發動機爆燃力較柴油機減少12%；3 000 r/min時柴油機達到最大功率值，此時CNG發動機減少13%。

（2）進氣量的減少、容積效率[10]較低是造成CNG發動機動力性能下降的主要原因之一，圖8中，改裝后的CNG發動機容積效率有明顯下降。由于天然氣是以氣態的形式進入氣缸，沒有燃油蒸發的汽化潛熱，在進氣過程中還會占據一部分進氣管的容積，這就造成了在相同條件下發動機充氣效率的下降，進而導致功率、扭矩的下降。

圖5　1 000 r/min時，氣缸壓力情況對比

圖6　2 000 r/min時，氣缸壓力情況對比

圖7　3 000 r/min時，氣缸壓力情況對比

（3）CNG燃油消耗率較柴油機高，主要因為CNG燃燒著火溫度高，火焰發展期長，使得發動機總燃燒期增長，燃氣消耗量增加。

圖8　容積效率

4　改善及結論

CNG是未來城市公交的一個發展重點，是一種最理想的車用替代能源，其應用技術經數十年發展已日趨成熟。它具有成本低、效益高、無污染和使用安全便捷等特點，正日益顯示出強大的發展潛力。本文在GT-Power軟件環境下，建立單燃料發動機模型，結果顯示CNG發動機與同排量的柴油機相比，動力性下降，如果不對發動機作任何調整必將對發動機的動力性能產生較大的影響。

從仿真的結果得知，要改善提高CNG發動機的動力性，要從提高容積效率、氣缸壓力、燃料噴射正時等入手——即下一步研究應當從提高壓縮比、增加氣缸燃氣充量、優化混合氣、優化點火提前角和采用電控等深入，同時本文也為廣州進一步實施CNG燃料發動機提供了有力的理論支撐。

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(編輯：向飛)

Comparative Study of Diesel Change CNG Engine Based on GT-Power

ZHANG Fei1，YAN Chao-yong1，ZHANG Guo-hui2，CHEN Zhi-qi3，PAN Wei-rong1
（1.Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou510640，China；2.Guangzhou Honda Co.，Ltd.，Guang?zhou510630，China；3.The Association of Guangzhou Automobile Service Industry，Guangzhou510627，China）

Abstract:In order to improve urban air quality，Guangzhou is preparing to converted into compressed natural gas fuel buses.This paper established CNG single fuel a diesel engine model with GT-Power.Simulate its performance.The simulation uses a four-stroke single-cylinder diesel engine 407cc.compared to the original diesel engine by external characteristics，The results showed that the brake power，brake torque，brake specific fuel consumption，volumetric efficiency has decreased significantly，through the study pointed out that the conversion of natural gas engine power reasons for the decline.And to restore natural gas engine power draw method pointed out the direction for further research，and also provides a theoretical support for the implementation of CNG fuel engine .

Key words:GT-Power；CNG；volumetric efficiency；effective power

作者簡介：第一張飛，男，1980年生，湖南醴陵人，碩士研究生，副教授。研究領域：節能與新能源汽車關鍵技術。已發表論文12篇。

收稿日期：2015－04－14

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.07.034

文章編號：1009－9492 (2015 ) 07－0118－04

文獻標識碼：A

中圖分類號：U464.172