某高速汽油機改LNG發動機動力性下降問題研究

楊靖, 馬慧超, 王毅，張思遠, 李克

(1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082;2.湖南大學先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙 410082)

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某高速汽油機改LNG發動機動力性下降問題研究

楊靖1,2, 馬慧超1,2, 王毅1,2，張思遠1,2, 李克1,2

(1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082;2.湖南大學先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙 410082)

針對直接將汽油機改為LNG發動機導致的動力性下降問題，通過GT-Power與試驗標定相結合的方法，提出了一種基于單因素法的高速LNG發動機配氣相位優化方法：在降低泵氣損失、減少缸內廢氣、提高充氣效率的前提下，減小氣門重疊角；針對優化后的配氣相位，優化設計凸輪型線；同時根據LNG燃燒特性，在控制最高燃燒溫度和壓力的前提下，適當將點火提前角增大，合理組織燃燒，使燃燒更加及時完全，從而提高燃燒效率。結果表明，優化后的凸輪型線滿足配氣機構運動學動力學要求，高速LNG發動機最大功率較之優化前提高約7.9%，最低燃料消耗率降低約5.8%，此方法可以在一定程度上解決LNG發動機的動力性下降問題。

液化天然氣發動機； 動力性； 配氣相位； 單因素法； 點火提前角； 優化

在世界汽車工業飛速發展的同時，節能和環保已經成為當下兩大重要主題。在燃料發動機的研發方面，柴油機缸內燃燒及排放備受國內外學者的青睞，液化天然氣(LNG)作為碳中性可再生清潔燃料是化石類燃料的極佳替代品[1]。與汽油相比，LNG的使用會使CO和HC等污染物排放量大幅減少[2-3]。天然氣發動機大多數是由已有的汽油機改裝而成。由于天然氣和汽油理化性質的差異，在改進設計的過程中，發動機會出現動力下降和磨損加劇等現象[4]。此外，二者在進排氣過程中氣流流動慣性不一樣，所需配氣相位也不一樣[5]。這是因為：1)氣門重疊期間燃燒室掃氣不可避免地將導致燃料通過排氣門泄漏，增壓發動機較高的進氣管壓力和較大的氣門重疊角將加劇燃氣泄漏，這不僅增加了燃料消耗，降低了發動機的經濟性[6]，還會大幅度增加發動機的HC排放。2)由于天然氣的滯燃期比汽油混合氣要長，燃燒時火焰傳播速度要慢，就需要較大的點火提前角，以彌補燃燒速度慢的缺點。天然氣的辛烷值高，可以允許較大的點火提前角。因此，本研究通過優化天然氣發動機的配氣相位和點火提前角來解決LNG發動機的動力性下降問題[7]。

本研究是在1臺高速汽油機基礎上開發天然氣發動機，而改動后的LNG發動機較原汽油機功率下降達20%～25%。功率下降的主要原因有以下幾方面：1)雖然天然氣的熱值較高，但天然氣與空氣形成的混合氣的熱值僅為汽油混合氣熱值的66.9%，導致功率下降；2)天然氣作為燃料時，燃料本身的體積在進氣中占有較大比例，因此導致進入氣缸的空氣量減少，充量系數下降；3)天然氣的主要成分甲烷的火焰傳播速度要小于汽油混合氣，使發動機總燃燒期增長，造成氣缸內壓力和溫度上升緩慢，致使發動機動力下降。本研究采用GT-Power發動機性能仿真方法建立模型，通過分析比較不同進氣遲閉角、排氣提前角、氣門重疊角對發動機性能的影響來選取最佳配氣相位優化方案，針對新的配氣相位方案重新設計凸輪型線，增加點火提前角，最后利用發動機臺架試驗實測數據驗證優化方案的合理性。

1 發動機臺架試驗、仿真模型搭建及標定

1.1 發動機臺架試驗

試驗用發動機主要參數見表1。發動機臺架試驗所用的主要試驗儀器設備見表2。試驗測得發動機2 500～9 500 r/min，間隔轉速為500 r/min的外特性數據。測量參數包括發動機的功率、扭矩、燃油消耗率、排放，以及每個轉速下的進、排氣壓力和溫度、氣缸工作壓力等。試驗過程中冷卻水出口溫度控制在(88±5)℃，機油溫度控制在(100±10)℃時進行測量。

表1 試驗用發動機技術參數

表2 主要測試設備

1.2 發動機GT-Power模型搭建及標定

在對原汽油機進行拆機測量、收集數據的基礎上，利用GT-Power建立汽油機的仿真模型[8]。根據臺架試驗情況設置軟件環境條件：大氣壓力為99.7 kPa，溫度為285.15 K。由于只進行全負荷計算，所以只選取節氣門全開時的流量系數。其中，節氣門開啟角度為0°時，流量系數為0.2；開度為90°時，流量系數為0.9。為了評價所建立模型的合理性及計算結果的準確性，利用發動機臺架試驗對模型進行標定[9]。由于發動機工況較為復雜，在此只列出標定轉速9 500 r/min的缸壓標定曲線(見圖1)。

在外特性條件下，發動機在不同轉速(2 500～9 500 r/min)下扭矩和有效燃油消耗量模擬計算值和臺架試驗數據的對比結果見圖2和圖3。

由圖可以看出，模擬值的最大誤差在10%左右，與試驗值吻合較好，在誤差允許的范圍內，說明該計算模型符合工程技術要求，以此為基礎進行的性能模擬計算與分析是可行的。

本研究是在汽油機模型的基礎上建立天然氣發動機模型，要改變原機的燃料供給系統，體現在模型上相應的改動部分則為燃料性質的改變。天然氣的焓值被定義為溫度的函數，以Tref=298K為基準溫度，方程為

方程中的參數取值見表3。

表3 汽油和天然氣的焓值對比

除了燃料的性質，其他結構和參數不作改動。LNG發動機在外特性條件下的扭矩模擬值與臺架試驗值進行對比(見圖4),模擬值與試驗值最大誤差為8%，說明以此為基礎進行的性能模擬計算與分析是可行的。

利用原汽油機和修改后的天然氣發動機模型，在相同的條件下對外特性條件下的發動機性能進行模擬計算，并將計算結果進行對比，對比結果見圖5。從圖5中可以看出，汽油機改用天然氣之后，動力性下降較為明顯，扭矩平均下降幅度在20%～25%。因此，改裝后的天然氣發動機動力性已不能滿足要求，需要對其進行優化。

2 基于單因素法的LNG發動機配氣相位優化

在優化過程中，本研究采用單因素法對發動機性能進行優化。即固定進氣門開、排氣門關的角度等參數，通過改變進氣門關的角度來考察動力性和經濟性變化情況。因此，通過參考原機的配氣相位，根據單因素法原理，選用有限的進氣遲閉角并考察其對發動機性能的影響。LNG汽化后在混合氣中占據一定體積，導致發動機充氣效率較低[10]。最佳的進氣遲閉角可以使進氣壓力波的波峰在進氣門將要關閉時刻抵達，這樣便可充分利用氣流的慣性充氣，使充氣效率提高[11]。

從圖6可以看出，隨著進氣遲閉角增大，高速段扭矩增大，而中低速扭矩降低。發動機高速運轉時，氣體的流速高，增大進氣遲閉角，有利于過后進氣。但是進氣遲閉角過大會導致發動機低速時氣體倒流回進氣管，充量系數降低。因此，綜合充量系數和扭矩兩方面的影響，選取進氣遲閉角為52°曲軸轉角。

從圖7可以看出，天然氣發動機排氣量小于汽油機。主要原因是天然氣在進氣過程中是氣體，而汽油是液體，汽油混合氣的密度大于天然氣混合氣，因而在氣缸吸入相同體積混合氣的情況下，天然氣發動機缸內工質質量小于汽油機，排氣量也就小于汽油機。因此在同樣轉速下天然氣發動機需要的排氣提前角也較小。特別是在低速情況下，超臨界排氣時間對應的曲軸轉角將大大減小。如圖8所示，隨著排氣提前角減小，高速段的發動機扭矩有小幅下降，在中低速扭矩都得到了提高。因此，選取排氣提前角為65°曲軸轉角。

氣門重疊角由進氣提前角和排氣遲閉角組成,在氣門重疊期間,進、排氣門同時開啟,進氣管、氣缸、排氣管三者之間相通，此時氣體的流動方向取決于三者之間的壓力差[12]。對于天然氣發動機而言，特別是對于增壓式發動機，如果重疊角較大，會造成直接排放的可燃混合氣過多。因此在考慮經濟性和動力性的同時要盡量減小重疊角[13]。

從圖9可以看出，減小進氣提前角，高速段和4 000 r/min處的扭矩減小，其他轉速的扭矩增大。5 000 r/min是扭矩曲線波谷處，扭矩隨進氣提前角減小而大幅度提高。從圖10上可以看出，進氣提前角越大，在氣門重疊期間的進氣流量越大，進氣充量越大。若氣門重疊角過大，會發生氣體倒流的現象，即排氣管內廢氣倒流回缸內，缸內廢氣倒流回進氣管，導致殘余廢氣系數增加，降低充量系數。從圖11可以看出，在2 500 r/min和4 000～6 000 r/min時，殘余廢氣系數隨進氣提前角增大而增大，特別是在轉速為5 500 r/min時，殘余廢氣系數的增大趨勢最為明顯。同理，排氣遲閉角過大會增加缸內殘余廢氣量，排氣遲閉角過小排氣損失會增加。綜合考慮，既不造成高速段扭矩大幅度下降，又能提高中低速段的扭矩，同時還要降低殘余廢氣系數，保證充量系數，減小氣門重疊角，最終進氣提前角選取為14°，排氣遲閉角選取為7°。LNG發動機配氣相位優化結果見表4。

表4 優化前后參數對比

3 LNG發動機凸輪型線再設計及優化

所研究的發動機配氣機構為頂置凸輪直接驅動平面挺柱的結構。利用AVL Exite_TD建立了閥系當量雙質量運動學模型。由于標定轉速時發動機各零部件的運動條件最為苛刻，若發動機在標定轉速下滿足運動學和動力學性能要求，則可保證其在中低轉速下也能滿足要求，故本研究以標定轉速進行分析。圖12和圖13示出了優化前運動學曲線。

由圖12和圖13可以看出，加速度和速度曲線都非常不光滑，這是測量誤差引起的，經過處理可以將其光順。采用梯形函數定義緩沖段、分段加速度函數定義工作段的方法對原機凸輪型線重新設計。優化后運動學曲線見圖14和圖15，結合表5可以看出：1)優化后進排氣的速度、加速度曲線明顯光順；2)最大躍度值都小于1 000 mm/rad3，減小了噪聲和振動，提高了閥系平穩性；3)凸輪和挺柱的接觸應力由原機的700 MPa左右降為小于500 MPa，增加了使用壽命；4)原機的進氣開啟側K系數過小，閥系發生共振的可能性增大，通過優化使得K系數增大，減小了共振可能性；5)凸輪曲率半徑都有所增大，減小了加工難度。優化后的其他各項參數都符合表5所示最優設計標準。

動力學計算中考慮了每個零件的彈性形變，計算了氣門及其傳動件的運動和受力情況。動力學結果評價主要考察氣門落座力、氣門是否存在反跳，凸輪與挺柱之間是否存在飛脫以及氣門彈簧是否發生并圈現象。在動力學計算中將優化后的型線導入動力學模型中，計算結果見圖16。

表5 優化前后凸輪型線參數對比及評價指標

由圖16可知,進、排氣門挺柱在工作時始終保持與凸輪貼合，在標定轉速下沒有飛脫現象。最大接觸應力均小于500MPa，遠遠小于材料的許用接觸應力，滿足使用要求。修改后的凸輪型線動力學特性良好。

4 LNG發動機點火提前角優化

點火提前角是影響點燃式發動機性能的重要運轉參數，合理的點火提前角不僅可以使發動機動力性提高，還可以提高其經濟性[14]。發動機每一工況都存在一個最佳點火提前角，圖17示出LNG發動機在轉速9 500 r/min時扭矩隨點火提前角的變化。從圖中可看出，該轉速下點火提前角在25.5°曲軸轉角時扭矩達到最大值。

從圖18中可以看出，點火提前角基本上隨著轉速的增加而增加。原因是轉速增大時曲軸轉過同樣角度的時間變短，故相同燃燒時間所對應的曲軸轉角增大[15]。

5 LNG發動機性能校核

通過以上對配氣相位參數、凸輪型線及點火提前角的優化計算，在不改變天然氣發動機其他參數的條件下，將優化后的參數代入天然氣發動機模型中，模擬計算天然氣發動機在外特性條件下的工作性能，并將計算結果與優化前天然氣發動機的性能進行對比，對比結果見圖19和圖20。

從圖19和圖20可以看出，改進后的LNG發動機動力性和經濟性都得到了提高。在最高轉速9 500 r/min時，扭矩提高6%，達到原機的80.9%；在最大扭矩點7 000 r/min時，扭矩提高7.9%，達到原機的85.2%；在低速階段，扭矩得到了較大的提高，提高15%以上，達到原機的90%。有效耗氣量平均下降了5.8%。

6 結束語

為解決天然氣發動機的動力性下降問題，對原高速汽油機的配氣機構和點火提前角進行優化，設計了新的配氣相位，并且重新設計了凸輪型線，結果表明，在7 000 r/min時，扭矩提高了7.9%，有效燃料消耗率下降了5.8%。 發動機配氣機構的運動學、動力學分析是設計凸輪型線、解決發動機凸輪型線存在的躍度過大等問題的有效方法。

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[編輯: 李建新]

Power Reduction Problem of Retrofitted LNG Engine with High-Speed Gasoline Engine

YANG Jing1,2，MA Hui-chao1,2，WANG Yi1,2, ZHANG Si-yuan1,2, LI Ke1,2

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China；2.Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan University, Changsha 410082，China)

To solve the power reduction problem caused by retrofitting gasoline engine as LNG engine, a single factor design method of valve timing for high-speed LNG engine was proposed by combining GT-Power design and experimental calibration.The valve overlap was reduced on the premise of decreasing pumping loss, reducing in-cylinder exhaust gas and improving air charging efficiency.The cam profile was redesigned based on the optimized valve timing.Keeping the maximum combustion temperature and pressure unchanged, the increase of ignition advance angle was conducted to make the combustion more timely and thoroughly according to LNG combustion characteristics, thus the combustion efficiency improved.The results show that the optimized cam profile can meet the requirements of the kinematics and dynamic performance of valve mechanism.The increase of maximum power and the decrease of lowest brake specific fuel consumption for high-speed LNG engine are 7.5% and 5.8% respectively after the optimization, which proves that the method can solve the power reduction problem to certain extent.

LNG engine; power performance; valve timing; single factor; ignition advance angle; optimization

2014-10-21;

2015-03-20

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)項目(2012AA111703)

楊靖(1957—)，女，博士生導師，主要研究方向為發動機新技術及代用燃料研究等；yangjing10@vip.sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.007

TK432

B

1001-2222(2015)02-0033-07