車用天然氣發動機增壓匹配及性能參數優化

劉廷， 韓志玉， 黃勇成， 武得鈺2,

(1. 湖南大學汽車車身先進制造國家重點實驗室， 湖南 長沙 410082； 2. 淮安工業研究院， 江蘇 淮安 223001；3. 西安交通大學能源與動力工程學院， 陜西 西安 710049)

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車用天然氣發動機增壓匹配及性能參數優化

劉廷1，2， 韓志玉1，2， 黃勇成3， 武得鈺2,3

(1. 湖南大學汽車車身先進制造國家重點實驗室， 湖南 長沙 410082； 2. 淮安工業研究院， 江蘇 淮安 223001；3. 西安交通大學能源與動力工程學院， 陜西 西安 710049)

運用GEM3D工具離散化的方法建立了某1.5 L自然吸氣車用CNG(壓縮天然氣)發動機GT-Power仿真模型，并用試驗數據對模型進行校核，模型最大誤差為3.64%。在此基礎上進行了CNG發動機增壓器匹配分析，用DoE(design of experiment)工具對增壓發動機的點火提前角進行了優化，然后優化了不同壓縮比和不同過量空氣系數下的點火提前角，對壓縮比和過量空氣系數進行了計算分析。結果表明：仿真模型具有較高精度，方案2為4種渦輪增壓器方案中最佳方案，并對該方案進行了臺架試驗，仿真結果與試驗結果誤差在4%以內；通過優化點火提前角，扭矩最大提高了9.3%；在各最優點火提前角下，壓縮比為12時最優，過量空氣系數為1.1時具有最佳經濟性。

天然氣發動機； 仿真； 增壓器； 匹配； 性能優化

汽車工業的快速發展在給人們帶來巨大生活便利的同時，也帶來了石油危機和環境污染問題[1]。各國研究者積極開展了替代燃料的研究，其中天然氣資源豐富，分布范圍廣，燃料費用低，安全性強，可以降低汽車使用成本和有害排放量，因此成為了一種非常重要的替代燃料[2-3]。天然氣發動機與傳統石油燃料發動機相比也有不足之處。傳統石油燃料以液態形式與空氣混合，在此過程中吸熱汽化，降低進氣溫度。而天然氣為氣體燃料，沒有吸熱汽化過程，在進氣過程中還會占據較大體積，導致進入氣缸的新鮮空氣量減少，發動機動力性能明顯下降[4]。廢氣渦輪增壓技術可以提高發動機動力性，燃油經濟性和排放也有所改善[5]。本研究借助GT-Power軟件為某1.5 L自然吸氣CNG發動機進行了增壓器匹配，在此基礎上對點火提前角、壓縮比和過量空氣系數進行了探討和優化，為該發動機的性能開發提供可靠參考依據。

1 自然吸氣CNG發動機模型建立及校核

1.1 發動機模型的建立

研究對象1.5 L自然吸氣CNG發動機是一款四沖程，16氣門，雙頂置凸輪，進氣道多點噴射點燃式發動機，其主要技術參數見表1。

表1 自然吸氣CNG發動機主要技術參數

大量的實際應用證明，GT-Power軟件能真實地模擬發動機運行情況，降低試驗和設計成本[6]。根據廠家提供的幾何結構建立CNG發動機GT-Power仿真模型。進氣歧管的形狀和尺寸極大程度地影響著發動機的進氣情況，從而影響仿真的精度。GT-Power自帶有一個能夠將三維模型離散化為一維管路模型的工具GEM3D，用該工具建立進氣歧管模型：(1)獲取Pro/E等作圖軟件設計的三維數模(見圖1a)；(2)用有限元網格劃分軟件Hypermesh抽取進氣歧管的內表面進行網格劃分(見圖1b)，將網格導出轉化成為STL格式的文件；(3)將處理好的STL格式的進氣歧管導入GEM3D，根據管路的形狀和尺寸進行離散化(見圖1c)，最后轉化成為GT-Power一維管路模型(見圖1d)。使用該方法建立的模型能在最大程度上保持管道長度、直徑、穩壓腔體積、彎曲半徑與角度等與實體參數一致，從而提高仿真模型的精確度。

運用同樣的建模方法建立排氣歧管、進氣道、排氣道等關鍵部件模型。利用廠家提供的其他相關參數最終建立了自然吸氣CNG發動機整機模型。

1.2 發動機模型的校核

為保證模型的準確性，利用該發動機的外特性試驗數據對模型進行校核，模擬值與試驗值對比見圖2。

模擬值與試驗值對比表明，進氣流量的最大誤差為1.95%，扭矩的最大誤差為2.25%，燃氣消耗率的最大誤差為3.64%，其余點的誤差均小于2.5%。模擬值與試驗值吻合良好，計算模型的精度滿足工程應用要求。

2 渦輪增壓器的匹配

2.1 增壓CNG發動機模型的建立

出于對渦輪增壓器的布置和改善增壓后進氣效率等因素的考慮，在原自然吸氣CNG發動機的基礎上為增壓機型設計了新的進排氣歧管、凸輪型線及配氣相位。為控制增壓后爆燃發生的風險，對活塞頂部的燃燒室形狀進行了重新設計，將壓縮比由自然吸氣時的13降為12。其余參數與原自然吸氣機型相同。采用與之前自然吸氣發動機建模相同的方法保證模型的精確度，建立了新的進排氣歧管模型，替換了原進排氣歧管，同樣替換了原凸輪型線和配氣相位，更換壓縮比。在自然吸氣模型的基礎上增加了中冷器模型、渦輪增壓器模型和機械膜片式廢氣旁通閥模型，最終模型見圖3。

2.2 增壓器匹配結果

發動機廠家對增壓機型的目標見表2。

表2 增壓機型的目標

本研究采用兩款渦輪機A，B和兩款壓氣機C，D兩兩組合成4種匹配方案(見表3)。

表3 增壓器匹配方案

4種方案的渦輪增壓器和發動機外特性的聯合運行線見圖4。由圖可知，在低速1 200 r/min時，方案3和方案4的聯合運行線已經在喘振線左側，發生了喘振。這是因為方案3和方案4均采用渦輪機B，而渦輪機B與發動機匹配時流量偏小。因此方案3和方案4不滿足要求。由圖4可知，方案1和方案2都具有足夠的喘振裕度，也沒有在堵塞線以外，因此對方案1和方案2作進一步比較。

方案1和方案2的外特性對比見圖5。兩方案的扭矩和燃氣消耗率在中低轉速相差很小，在高轉速時差距增大，5 200 r/min時達到最大，方案2扭矩較大、燃氣消耗率較小。這是因為在中低轉速1 200～3 600 r/min時，兩種方案的壓氣機效率相差很小，方案1略高于方案2。在3 200 r/min以后，方案1效率下降速度加快，導致效率逐漸比方案2低，在5 200 r/min時，兩種方案效率差別達到最大，方案2比方案1效率高出9.5%。綜上，選擇方案2較為合理。

2.3 增壓器匹配試驗驗證

針對方案2增壓器進行了臺架試驗。試驗表明，在渦前排氣溫度和缸內最高燃燒壓力的限制下，最大扭矩為190.8 N·m(2 800 r/min)，最大功率為85.9 kW(5 200 r/min)，達到了預期開發目標。將仿真模型所用的環境壓力、溫度、點火提前角等試驗可調參數設置成與試驗值一致。模擬值與試驗值結果對比見圖6，模擬值最大誤差在4%以內，進一步驗證了模擬計算的準確性，也說明了選擇方案2的合理性。

3 CNG發動機參數優化探討

3.1 點火提前角

點火提前角直接影響著發動機缸內燃燒的狀況，從而影響發動機的性能。點火時刻過于提前會導致缸內最高燃燒壓力超過限制值，點火時刻過于推后會導致渦前排氣溫度超過限制值，不同工況都對應著不同的最佳點火時刻。GT-Power的DoE(design of experiment)模塊能準確找出最優參數目標，大幅提高優化效率[7-8]。利用DoE對發動機1 200～5 200 r/min的11個外特性工況點進行點火提前角優化，優化準則如下：(1)不發生爆震，缸內最高燃燒壓力不超過8.5 MPa；(2)渦前排氣溫度不超過930 ℃；(3)在滿足前兩項限制要求的基礎上，扭矩最大，燃氣消耗率最小。點火提前角優化結果見圖7，利用優化后的點火提前角計算發動機性能，結果見圖8。經過優化后，扭矩在低速段得到了提高，在1 600 r/min時提高比例最大達9.3%。這是因為原點火提前角在低速段時偏大，混合氣過早點燃，火焰傳播速度加快，缸內最高燃燒壓力達到時太早，從而引起壓縮負功增大，扭矩降低。

3.2 壓縮比

增大壓縮比(εc)可以提高發動機的循環熱效率，增大指示功率，但是壓縮比的提高受爆震的限制。增壓發動機當前壓縮比為12，分別取壓縮比為10.5，11,11.5,12和12.5對外特性工況進行計算對比。壓縮比不同，相同工況壓縮終了缸內混合氣的溫度和壓力都不同，因此同一工況下不同的壓縮比對應了不同的最佳點火提前角。首先用DoE對不同壓縮比下的點火提前角分別進行了優化，優化結果見圖9。在相同的轉速下，隨著壓縮比增大，最佳點火角提前角減小，即點火時刻推后。

采用最優點火時刻進行計算，因為各壓縮比下的性能參數差距較小，所以取壓縮比εc=10.5時的值為參照基準值。壓縮比εc=10.5時的外特性數據見圖10，相對于壓縮比εc=10.5時各壓縮比的外特性差值百分比見圖11。由圖11可知，該發動機隨著壓縮比的增大表現出如下性能特點：(1)扭矩略有增大；(2)燃氣消耗率略有降低；(3)渦前排氣溫度降低，在低速1 200～2 000r/min時降低比較明顯；(4)缸內最高燃燒壓力在低速1 200～2 000r/min時增大比較明顯，之后大小無規律，壓力值都在8.5MPa左右。出現上述渦前排氣溫度和缸內最高燃燒壓力規律的主要原因是：優化點火提前角時通過推遲點火時刻將缸內最高燃燒壓力限制在8.5MPa以內，因此最高燃燒壓力只有在低速段沒達到限值8.5MPa時隨壓縮比增大而增大，渦前排氣溫度也在這一低速段降低較明顯，而且因無法將最高燃燒壓力精確控制在8.5MPa，因此最高燃燒壓力呈現出在8.5MPa左右的不規律性。扭矩和燃氣消耗率變化不大主要原因：(1)扭矩和燃氣消耗率隨壓縮比的增大并非是單純的線性關系，達到一定壓縮比時，隨壓縮比的增大變化幅度會減小[9]；(2)中高速段受最高燃燒壓力的限制；(3)低速段雖沒有最高燃燒壓力限制，但是隨著最高燃燒壓力的增大，機械損失增加，抵消了一部分因壓縮比增大帶來的改善。

在2 800r/min，節氣門開度為10%時發動機性能隨壓縮比的變化見圖12。隨著壓縮比逐漸增大，扭矩逐漸增大，增大幅度為4.9%，燃氣消耗率逐漸減小，減小幅度為5.6%，渦前排氣溫度逐漸降低，降低幅度為5.9%，缸內最高燃燒壓力逐漸增大，增大幅度為2.1%。

在2 000r/min全負荷工況點，壓力升高率隨壓縮比的變化見圖13，為保證點燃式發動機工作柔和，最大壓力升高率應為0.175～0.25MPa/(°)[5]，因此壓縮比為12.5可能會引起發動機工作粗暴。綜上，原壓縮比12是較優壓縮比，不需要改動。

3.3 稀燃時過量空氣系數

稀燃天然氣發動機過量空氣系數φa>1.45時，燃燒循環波動的幅度會變得很大[10]，因此取過量空氣系數φa為1，1.1，1.2，1.3，1.4。計算1 200～5 200 r/min外特性，采用前述點火提前角的優化準則和方法，用DoE對不同過量空氣系數下的點火提前角分別進行了優化，結果見圖14。

利用優化后的點火提前進行計算，結果見圖15。扭矩隨φa的增大而逐漸減小。燃氣消耗率大體上呈現先減小再增大的趨勢，在低速段1 200～2 000r/min和高速段4 000～5 200r/min，φa為1.1時燃氣消耗率最小，中速段2 400～3 600 r/min，除了φa為1時燃氣消耗率較大，其余相差很小。這主要是因為：氣缸內空氣、燃料和殘余廢氣不可能完全均勻混合，因而不可能剛好在φa為1時完全燃燒；混合氣稍稀時，燃燒最高溫度降低，燃燒產物離解減少，有利于提高熱效率；過稀的混合氣使燃燒速度降低，燃燒時間變長，導致熱效率下降。因此φa為1.1時發動機具有最佳經濟性。在不改變其他條件時，因噴入燃氣的減少，稀燃必然會導致動力性能的下降，可以考慮通過增大增壓比，強化發動機而增大缸內最高燃燒壓力限值等方式恢復動力性。

4 結論

a) 4種增壓器匹配方案中方案3和方案4發生了喘振，方案2和方案1對比，方案2扭矩較大，燃氣消耗率較小，增壓器效率較高，為最優方案；

b) 采用DoE對增壓發動機點火提前角進行優化，使扭矩最大提高了9.3%；

c) 在最優點火提前角下，外特性時隨壓縮比的增大，扭矩略有增大，燃氣消耗率略有降低，渦前排氣溫度在低速段降低較明顯，中高速段則略有降低，缸內最大爆發壓力在低速段增大較明顯，中高速段基本保持在8.5 MPa；2 800 r/min部分負荷時隨壓縮比的增大，扭矩逐漸增大，燃氣消耗率逐漸減小，渦前排氣溫度逐漸降低，缸內最高燃燒壓力逐漸增大，通過比較確定最優壓縮比為12；

d)在最優點火提前角下，過量空氣系數為1.1時發動機具有最佳的經濟性。

致謝：

本研究的發動機設計參數和試驗數據由江蘇上淮動力有限公司提供，在此表示感謝。

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[3] Midhun V S. Development of CNG Injection Engine to Meet Future Euro-V Emission Norms for LVC Applications[C].SAE Paper 2011-26-0002.

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[5] 周龍保.內燃機學[M].北京:機械工業出版社，2010：65-86.

[6] 韓愛民，藺鑫峰，孫柏剛.基于GT-Power的BN6V87-QE汽油機性能優化仿真[J].北京工業大學學報，2007,33(6)：617-621.

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[10] 魏弟清. 稀燃天然氣發動機的燃燒系統及其工作過程研究[D].南寧：廣西大學,2014.

[編輯： 潘麗麗]

Turbocharging Matching and Performance Parameter Optimization of Vehicle Natural Gas Engine

LIU Ting1,2, HAN Zhiyu1,2, HUANG Yongcheng3, WU Deyu2,3

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University,Changsha 410082, China; 2. Huai’an Industrial Technology Research Institute, Huai’an 223001, China;3. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A 1.5 L naturally aspirated compressed natural gas (CNG) engine model was established with GT-Power through GEM3D discretization method. The model was verified against experimental data and the maximum error was 3.64%. Then the matching and analysis of turbocharger for CNG engine were conducted and the ignition advance angle was optimized with DoE tool. The compression ratio and excess air coefficient were calculated and analyzed and their corresponding ignition advance angles were also further optimized. The results show that the simulation model has a high precision and the second scheme is the best among the four kinds of turbochargers. For the determined best scheme, the bench verification is conducted and the error between simulation and experiment is within 4%. The maximum increase of torque is 9.3% by optimizing the ignition advance angle. For all best ignition advance angles, the optimal compression ratio is 12 and the excess air coefficient for best fuel economy is 1.1.

CNG engine; simulation; turbocharger； matching; performance optimization

2016-01-09；

2016-03-29

企業基金(1.5 L渦輪增壓CNG發動機性能開發)

劉廷(1990—)，男，碩士，主要研究方向為發動機性能開發；liutin690@163.com。

韓志玉(1962—)，男，教授，博導，主要研究方向為發動機節能、減排和計算燃燒學；allenhanzhiyu@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.014

TK432

B

1001-2222(2016)04-0075-07