基于GT-Power的天然氣發動機爆震分析與研究

馬鎮鎮， 劉瑞祥， 劉永啟， 鄭斌

(山東理工大學交通與車輛工程學院， 山東 淄博　255000)

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基于GT-Power的天然氣發動機爆震分析與研究

馬鎮鎮， 劉瑞祥， 劉永啟， 鄭斌

(山東理工大學交通與車輛工程學院， 山東 淄博255000)

為了改善增壓天然氣發動機的燃燒狀況、提高發動機的性能，對某發電用增壓天然氣發動機爆震現象進行研究。利用GT-Power軟件建立了增壓天然氣發動機整機仿真模型，通過模擬數據與試驗數據的對比驗證了模型的準確性，然后在仿真模型中利用自主建立的爆震預測模型對天然氣發動機的性能和爆震現象進行了模擬計算，并對得到的數值結果進行分析。結果表明：隨著壓縮比的增加，發動機發生爆震的可能性增大，爆震開始時刻提前，爆震強度增大，燃氣消耗率呈現先減小后增大的趨勢，壓縮比為13時，燃氣消耗率最小；隨著點火提前角的增加，發動機發生爆震的可能性增大，爆震開始時刻提前，爆震強度基本不變，燃氣消耗率變化趨勢是先減小后增大，當點火提前角為-21°時，燃氣消耗率最小。

天然氣發動機; 爆震; 性能模擬

天然氣具有儲存量大、有害物質排放少、抗爆性能好等特點，是一種較為理想的替代燃料。由于天然氣的著火溫度較高，火焰傳播速度慢，容易造成天然氣發動機后燃嚴重、排氣溫度高、熱負荷大，從而導致天然氣發動機能耗增加、熱效率降低，使得天然氣發動機的動力性能與汽油機和柴油機相比有所下降[1]。優化壓縮比和點火提前角對于提高發動機的動力性、經濟性和排放性都有很大的作用[2]，但過高的壓縮比和過大的點火提前角容易引起發動機爆震。因此，在改善發動機性能的同時需要對發動機的爆震現象進行研究。

對于發動機爆震的研究一般是通過臺架試驗的方式來檢測發動機的爆震，近年來，隨著計算機數值模擬技術的不斷發展，許多學者開始利用數值模擬的方法對發動機的爆震現象進行研究。姚喜貴[3]等將焰前反應動力學模型與燃燒模型及湍流火焰傳播模型相結合，預測了點火式天然氣發動機和汽油機的爆震發生時刻。肖茂宇[4]等利用雙區燃燒模型研究了中冷溫度對汽油機爆震的影響規律。Qin Yan[5]等研究了壓縮比對天然氣發動機爆震發生時刻的影響，并對發動機的壓縮比進行了優化。胡春明[6]等利用自主研發的燃燒分析軟件對燃燒放熱率和時頻圖進行分析，提出了將爆震發生時特定頻帶內的能量用帶通濾波后的放熱率積分值表示，用于表征爆震強度的方法，并對該方法的精確性進行了驗證。目前利用數值模擬對天然氣發動機爆震強度、爆震指數和爆震發生時刻變化規律進行綜合分析的研究比較少，本研究利用GT-Power軟件建立了某天然氣發動機仿真模型，研究了標定功率下壓縮比和點火提前角對天然氣發動機缸內燃燒的爆震發生時刻、爆震指數和爆震強度的影響規律及爆震強度與發動機性能之間的關系，對改善增壓中冷天然氣發動機的性能具有一定的指導意義。

1　發動機仿真模型的建立與驗證

本研究的研究對象是某8缸增壓中冷天然氣發動機，原機的基本參數見表1。

表1　發動機的基本參數

根據發動機的基本參數建立的增壓中冷天然氣發動機仿真模型主要包括渦輪增壓器、中冷器、氣缸和進排氣系統等部分。氣缸內的幾何模型尺寸參照表1設置，燃燒模型采用準維雙區燃燒模型，并在模型中設置點火正時、點火位置、活塞幾何形狀等參數。傳熱模型采用Woschni傳熱模型，混合氣的形成方式為預混合。

為了驗證所建天然氣發動機仿真模型的準確性，將試驗測得的發動機在不同負荷下的扭矩、燃氣消耗量及排放特性等數據與仿真計算結果進行了對比(見圖1至圖5)。

由圖1至圖5可以看出，發動機仿真模型的燃氣消耗率、扭矩、NOx排放量、CO排放量和HC排放量的模擬值與試驗值基本一致。其中燃氣消耗率最大誤差出現在小負荷段，其主要原因是在模擬過程中沒有考慮中冷器、節氣門等的節流損失和氣缸的輻射換熱損失，雖然發動機仿真模型模擬結果與發動機的實際工況不同，但是誤差值都保持在5% 以內，能夠達到較高的計算精度，所以可以用該發動機仿真模型來模擬研究發動機的實際工況。

圖1　燃氣消耗率試驗值與模擬值對比

圖3　NOx排放試驗值與模擬值的對比

圖4　CO試驗值與模擬值對比

圖5　HC試驗值與模擬值對比

2　爆震數學模型

壓縮比和點火提前角的改變都會對發動機的性能和爆震趨勢產生很大的影響，為了能夠更好地了解這些因素對于發動機性能和爆震的影響規律，可以在湍流燃燒模型中嵌入一個爆震預測模型對發動機仿真模型進行爆震現象分析[4]。在GT-Power中嵌入爆震預測模型時需要對爆震預測模型進行調試，使爆震預測模型對發動機爆震現象的預測結果與發動機試驗發生爆震現象的結果相符合，從而能夠在發動機參數變化時能夠準確地預測發動機爆震現象的發生，其中爆震預測模塊調試流程見圖6。

圖6　爆震監測模塊調試流程

本研究采用的爆震預測方法是經驗自燃誘導時間統計法，這個方法是來源于阿列紐斯(Arrhenius)函數，通過給定混合氣的幾個重要的相關參數如壓力、溫度等，來預測混合氣自燃的時間。自燃時間的計算公式為

(1)

式中：τ為誘導時間；IVC為進氣門關閉的時間，即缸內終燃混合氣開始進行壓縮的曲軸轉角；thkn為自燃發生時刻的曲軸轉角，當時間積分T=1時認為缸內混合氣產生自燃。誘導時間τ可以通過經驗公式獲得，本研究采用得到廣泛應用的Douaud和Eyzat公式[7]來進行計算：

(2)

式中：P，A均為與燃料物理性質有關的常數，其中P=1.9，A=1.012；ON為燃料的辛烷值，ON=130；p為瞬時的缸內壓力；Tu為未燃氣體瞬時的溫度。通過聯立式(1)與式(2)可以計算出自燃發生的時刻，同時判斷出未燃混合氣是否在火焰正常傳播過來之前發生自燃產生爆震。

在GT-Power爆震預測模型中，模型的輸出參數為爆震指數KI、爆震發生的時刻和爆震強度[8]。爆震強度是指在爆震開始時氣缸內未燃氣體的質量分數。爆震指數主要是用來表征發動機發生爆震的可能性，可以通過改進的爆震指數公式[9-10]進行計算：

max[0,(1-(1-Φ)2)]×τ。

(3)

式中：km，V1分別表示爆震開始時刻缸內未燃氣體的質量分數和缸內體積，發生爆燃后未燃氣體全部參與爆燃，因此km即為參與爆燃的燃料質量分數；VTDC表示燃燒室的容積；Ta為反應激活溫度；Tu為瞬時的未燃氣體溫度。

3　壓縮比和點火提前角對發動機性能和爆

震現象的影響規律

壓縮比和點火提前角對氣缸壓力和燃料開始燃燒的時刻有很重要的影響，通過改變壓縮比和點火提前角可以調整燃料燃燒的放熱速率、氣缸內的溫度和壓力，從而調整發動機的爆震趨勢。利用GT-Power爆震預測模塊來研究不同壓縮比和點火提前角對發動機爆震現象和發動機性能的影響。

3.1壓縮比的影響

由圖7、圖8和圖9可以看出，當壓縮比小于11時發動機未發生爆震現象，當壓縮比大于等于11時，發動機發生爆震現象,并且隨著壓縮比的增加發動機的爆震指數增大，即發動機爆震的可能性逐漸增大，爆震發生的時刻提前并且爆震的強度也增大。隨著壓縮比的增大，氣缸內的燃燒壓力增大，燃燒速率加快，燃燒過后的氣體溫度升高，導致氣缸的爆震趨勢明顯增大，爆震發生時刻提前，并且爆震強度增大。由于強烈爆震對發動機的性能危害較大，所以在利用壓縮比改善發動機性能時需要盡量避免發動機產生強烈爆震。通過降低壓縮比可以降低氣缸最高燃燒壓力，進而降低爆震趨勢。

由圖10可以看出，隨著壓縮比的增大，發動機燃氣消耗率的變化趨勢是先降低后升高，當壓縮比為13時燃氣消耗率最小。原因是隨著壓縮比的增大，氣缸內的壓力和溫度不斷升高，氣體流動性增強，有利于提高燃燒速度和燃燒效率，因此燃氣消耗率不斷降低。但過高的壓縮比會導致燃料的爆燃可能性增大，造成氣缸內燃料燃燒狀況惡化，燃料的燃燒效率下降，從而使發動機的燃氣消耗率增大。

圖7　壓縮比對爆震指數的影響規律

圖8　壓縮比對爆震開始時刻的影響規律

圖9　壓縮比對爆震強度的影響規律

圖10　壓縮比對燃氣消耗率的影響規律

由圖11可以看出，隨著壓縮比的增大，NOx的排放量不斷增大。其主要原因是隨著壓縮比的增加，發動機氣缸內壓力和溫度不斷增大，此時，混合氣體中具有較充足的氧氣，從而造成NOx的排放量不斷增大。

圖11　壓縮比對NOx排放量的影響規律

由圖12和圖13可知，壓縮比的變化對CO排放量和HC排放量的影響非常小。其主要原因是在發動機稀燃狀態下，壓縮比的改變對排氣溫度的影響和對混合氣含氧量等方面的影響較小，因此，壓縮比改變后，發動機的CO排放量和HC的排放量基本沒有變化。

圖12　壓縮比對CO排放量的影響規律

圖13　壓縮比對HC排放量的影響規律

由圖14可以看出，隨著壓縮比的增大，氣缸壓力不斷增大。氣缸壓力過大會造成發動機燃料的爆燃，不僅對發動機的動力性和經濟性造成影響，還會嚴重影響發動機的使用壽命。

圖14　壓縮比對氣缸壓力的影響規律

由圖15可以看出，隨著壓縮比的增大發動機的扭矩先增大后減小。其主要原因是在壓縮比較小時，隨著壓縮比的增大，氣缸內燃料燃燒速度加快，膨脹做功增大，發動機扭矩增大；當壓縮比過大時，隨著壓縮比的增大，燃料燃燒狀況不斷惡化，并會出現嚴重爆燃現象，使得發動機的扭矩不斷下降，并對發動機造成嚴重損壞。

圖15　壓縮比對扭矩的影響規律

3.2點火提前角的影響

圖16、圖17、圖18分別示出了標定功率下點火提前角對爆震指數、爆震開始時刻和爆震強度的影響規律。當點火提前角小于27°時未發生爆震現象，當點火提前角大于等于27°時發動機發生爆震現象，并且隨著點火提前角的增大爆震的趨勢明顯增大，爆震發生時刻提前，爆震強度增大。隨著點火提前角的增大，氣缸內燃料的燃燒始點提前，導致氣缸壓力峰值出現的位置提前，氣缸壓力增大，燃燒速率加快，所以發動機的爆震開始時刻提前，爆震的強度也增大。

圖16　點火提前角對爆震指數的影響規律

圖17　點火提前角對爆震開始時刻的影響規律

圖18　點火提前角對爆震強度的影響規律

由圖19可以看出，隨著點火提前角的增大，燃氣消耗率呈現的變化趨勢是先減小后增大，當點火提前角為-21°時燃氣消耗率最小。

圖19　點火提前角對燃氣消耗率的影響規律

由圖20可以看出，隨著點火提前角的提前，NOx排放量也逐漸升高。主要原因是隨著點火提前角的增大，燃料的燃燒始點不斷提前，活塞到達上止點前燃料的燃燒比例增大，氣缸內的壓力和溫度不斷升高，從而使NOx的排放量不斷增大。

圖20　點火提前角對NOx排放量的影響規律

由圖21可以看出，隨著點火提前角的提前，CO的排放量基本沒有太大變化。主要原因是CO的生成主要受混合氣的含氧量以及混合氣的均勻程度等影響，而點火提前角的變化不能改變這些因素，因此點火提前角的變化對CO的生成基本沒有影響。

圖21　點火提前角對CO排放量的影響規律

由圖22可以看出，隨著點火提前角的提前，HC的排放量基本沒有太大變化。其主要原因是HC的生成主要受排氣溫度影響，此時氣缸內的燃料燃燒屬于稀燃狀態，隨著點火提前角的提前，排氣溫度的變化較小，所以對HC的排放量的影響較小。

圖22　點火提前角對HC排放量的影響規律

由圖23可以看出，隨著點火提前角的增大氣缸壓力不斷增大。其主要原因是隨著點火提前角的增大，燃料的燃燒始點提前，在活塞到達上止點之前燃料燃燒的比例不斷增加，使得氣缸內壓力不斷增大。

圖23　點火提前角對氣缸壓力的影響規律

由圖24可以看出，隨著點火提前角的增大，天然氣發動機的扭矩先增大后減小。其主要原因是隨著點火提前角的增大氣缸內壓力增大，燃料的燃燒效率提高，發動機扭矩不斷增大，當點火提前角過大時，燃料在活塞到達上止點之前燃燒的比例過大，從而活塞上行所做的負功過大，導致發動機的扭矩開始下降。

圖24　點火提前角對扭矩的影響規律

通過分析壓縮比和點火提前角對發動機性能和爆震的影響可以看出，在一定的范圍內，隨著爆震強度的增大，發動機的扭矩增大，燃氣消耗率降低。因為輕微爆震能夠促進氣缸內燃料的燃燒，改善發動機的燃燒特性，提高發動機的性能，因此在一定范圍內可以通過對壓縮比和點火提前角進行優化來改善發動機的性能。

4　結論

a) 隨著壓縮比的增大，爆震可能性增大，爆震開始的時刻提前，爆震強度也增大，燃氣消耗率呈現先減小后增大的趨勢;

b) 隨著點火提前角的增大，發動機的爆震可能性增大，爆震開始時刻提前，爆震強度基本不變，燃氣消耗率呈現出先減小后增大的趨勢，NOx排放量不斷增大，點火提前角過大會造成發動機動力性和經濟性下降。

[1]肖紅.直噴式天然氣發動機性能模擬研究與優化[D].成都:西南交通大學,2014.

[2] HAARIRAM V,VAGESH SHANGERR.Influence of compression ratio on combustion and performance characteristics of direct injection compression ignition engine[J].Alexandria Engineering Journal,2015,54：807-814.

[3] 姚喜貴,劉延超,張磊,等.CA6102型汽油和天然氣發動機燃燒過程模擬計算及爆震預測[J].農業機械學報,2000,31(3):15-23.

[4] 肖茂宇,石磊,楊萬里,等.增壓直噴式汽油機性能與爆震的試驗與模擬研究[J].內燃機工程,2010,31(6):22-26.

[5] Qin Yan,Liu Yu,Feng Yuan Zhi,et al.CNG car engine compression ratio optimization and knock simulation analysis[J].Applied Mechanics and Materials,2013,341/342:360-365.

[6] 胡春明,周浩,候圣智,等.基于自燃規律的發動機爆震分析研究[J].內燃機工程,2015,36(4):53-57.

[7] 林承伯.可變壓縮比技術對汽油機性能的影響[D].長沙:湖南大學,2014.

[8]Douaud A M,Eyzat P.Four-octane-number m-ethod for predicting the anti-knock behavior of fuels and engines[C].SAE Paper 780080,1978.

[9] 陳林林.二沖程煤油發動機性能數值模擬與噴油控制研究[D].南京:南京航空航天大學,2009.

[10] GT-ISE user’s manual[M].[S.l.]：Gamma Technologies，2004.

[編輯：姜曉博]

Study and Analysis on Knock of Natural Gas Engine Based on GT-Power

MA Zhenzhen, LIU Ruixiang, LIU Yongqi, ZHENG Bin

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo255000, China)

In order to improve the engine combustion status and performance, the knock phenomenon of turbocharged natural gas engine for power generation was researched. The simulation model of the whole engine was built with GT-Power software and verified by comparing the simulation data and test data, then the simulation and calculation of engine performance and knock phenomenon were conducted with the self-built knock prediction model, and the numerical results were finally analyzed. The results show that the possibility of knock increases, the knock timing advances, the knock intensity increases, the specific gas consumption first decreases and then increases with the increase of compression ratio. The specific gas consumption is the minimum when the compression ratio is 13. With the increase of ignition advance angle, the knock characteristics keep the same changes as with the compression ratio except the knock intensity. The specific gas consumption is the minimum at the ignition advance angle of -21°.

natural gas engine； knock； performance simulation

2016-04-11；

2016-06-04

馬鎮鎮(1989—)，男，碩士，主要研究方向為天然氣發動機性能模擬與研究；mazhenyouxiang@163.com。

劉瑞祥(1963—)，男，教授，主要研究方向為動力機械測試及電子控制技術、動力機械工作過程及數值模擬和動力機械及工程的熱傳遞過程；lrxdlut@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.009

TK431

B

1001-2222(2016)05-0043-07