富氫HCNG發動機一維數值模擬研究

安 娜,何義團,喬海江,蘇志凱，邵毅明，謝 飛

(1.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074；2.中國汽車工程研究院有限公司，重慶 400039)

天然氣摻氫后可以提高燃燒速度，拓寬稀燃極限，容易實現稀薄燃燒[1-2]，降低溫室氣體排放[3-4]。因此，HCNG發動機由于其燃燒清潔的顯著特性而受到國內外研究者的日益重視[5]。

焦爐氣經過“凈化”處理后得到由H2(體積比55%)和CH4(體積比45%)組成的混合氣，稱為“富氫混合氣”。 壓縮比和配氣相位對發動機的動力性、經濟性有較大影響。為了解決高壓縮比高負荷條件下HCNG發動機的回火問題，需要尋找合適的配氣相位。筆者主要針對由焦爐氣處理得到的富氫混合氣體，利用AVL BOOST[6]軟件建立富氫HCNG發動機模型，模擬富氫HCNG發動機在不同壓縮比和配氣相位時的性能，為HCNG發動機的開發提供一定的理論優化依據。

1 HCNG發動機模型建立及驗證

1.1 HCNG模型的建立

模型所用發動機為一臺單點電控噴射天然氣發動機，主要技術參數見表1。此發動機為增壓發動機，由于臺架上管路連接復雜，且沒有增壓器的渦輪特性圖，如果將這些因素全部納入到模型中，造成模型的驗證有較大誤差[7]。因此，筆者采用“截斷法”建立發動機的簡化模型(圖1)，不考慮增壓器、中冷器和空氣濾清器的變化因素，將進氣管前測量進氣壓力點出作為模型的邊界條件。

表1發動機主要技術參數

Table1Maintechnicalparametersofengine

名稱性能參數型式立式、直列、水冷、四沖程點火順序1-5-3-6-2-4壓縮比10∶1

圖1 HCNG發動機模型Fig.1 HCNG engine model

采用G.Woschni根據管中紊流傳熱相似理論提出的放熱系數計算公式[8]：

式中：C為計算系數；n為發動機轉速；D為汽缸直徑；φ為曲軸轉角；S為活塞行程；Tw1為缸蓋內表面平均溫度；Tw2為活塞頂面平均溫度；Tw3為缸套內壁平均溫度。

燃燒放熱規律為：

式中：Hu為燃料低熱值；B為循環供油量；φ0為燃燒開始角；φz為燃燒持續角；m為燃燒品質指數。

筆者所研究的發動機為HCNG火花點火發動機，選擇與試驗數據進行擬合的Vibe函數作為放熱率模型，同時考慮到已燃區和未燃區工質參數的不同以及預測NOx排放的需要，選擇Vibe 2 Zone模型。

建立的發動機模型的主要參數包括發動機及其附屬部件的結構參數，邊界條件。試驗用天然氣摩爾分子質量為15.911 g/mol，接近于純甲烷分子質量16 g/mol，誤差為0.556%；試驗用天然氣低熱值35.63 MJ/ Nm3，與純甲烷低熱值(35.88 MJ/Nm3)大致相同，誤差為0.696%，因此，在模擬計算時，假設天然氣成分為100%甲烷。模型中發動機摩擦損失、氣道流動損失等由實驗得到。在Vibe 2 zone模型中，燃燒起始角為實際工況的點火提前角，燃燒持續期和形狀參數m根據缸壓曲線計算出來的放熱率進行設置。

1.2 模型驗證

為了驗證所建發動機模型的準確性，選擇3種典型工況，工況點具體數據見表2。3種工況點的計算值與測量值誤差見表3。

表2 工況點數據

表3工況點A～工況點C計算值與測量值的比較

Table3Comparisonbetweencalculatedvalueandactualtestones

圖2為工況點A示功圖。由表3可以看出，3種工況的計算值與測量值的誤差小于5%，說明該模型對于原發動機的工作狀況能夠做出較為真實的模擬，具有較高的計算精度，可以用該模型進行發動機性能的分析預測。

圖2 工況點A示功Fig.2 Cylinder pressure in condition A

2 55%HCNG發動機變參數模擬計算

2.1 壓縮比對55%HCNG發動機外特性的影響

為在模擬驗證中避免由于回火現象的出現而影響計算結果的準確性，筆者在研究壓縮比對發動機性能的影響時氣門重疊角固定為0 ℃A證工況為在節氣門全開(WOT)時，轉速n=1 200 r/min，過量空氣系數Φa=1.3,摻氫體積比為55%，進氣壓力為130 kPa。

圖3為在最佳點火提前角(MBT)時空氣流量隨壓縮比的變化曲線。由圖3可以看出，隨壓縮比的提高，空氣流量有所下降。這是因為壓縮比增大，氣缸內壓力增大，在吸氣沖程開始前氣缸內的真空度降低，造成進入氣缸內的空氣流量減少。

圖3 不同壓縮比時空氣流量的變化曲線Fig.3 Curve of air flow variation at different compression ratios

圖4為在不同壓縮比的條件下功率隨著點火提前角的變化曲線。由圖4可以看出，隨著壓縮比的增大發動機的動力性明顯增強，這是因為壓縮比增大，熱效率提高，在燃料量不變的條件下，熱效率提高是有利于功率增加的。

圖4 不同壓縮比時功率隨點火提前角的變化曲線Fig.4 Curve of power changing with the ignition advance angle at different compression ratios

圖5為在各壓縮比的MBT點功率的變化情況。圖5表明隨壓縮比增大，動力性上升幅度減小，說明壓縮比對動力性的提高是有一定限制的，這是因為隨著壓縮比的提高，發動機的機械損失功越多，導致輸出的有用功減少。因此在壓縮比提高后應將點火提前角適當減小。

圖5 不同壓縮比時MBT點的功率變化曲線Fig.5 Curve of e power variation of MBT versus different compression ratios

圖6為不同壓縮比下有效燃油消耗率BSFC的變化曲線。由圖6可以看出，壓縮比提高，發動機的有效燃油消耗率降低，這是因為壓縮比提高，缸內燃燒溫度增加，混合氣蒸發更快，可燃混合氣的利用效率提高。

圖6 不同壓縮比時BSFC的變化曲線Fig.6 Curve of BSFC variation at different compression ratios

2.2 配氣相位對55%HCNG發動機外特性的影響

在前期的試驗中可以發現，在原機氣門重疊角30°，壓縮比為11 ∶ 1，燃料為純天然氣，在1 200 r/min轉速下的低負荷(進氣壓力為90 kPa)的條件下，發動機發生回火現象，將壓縮比提高到12∶1，則在進氣壓力為70 kPa條件下便發生回火現象；當燃料為HCNG時，則在更低的負荷條件下發生回火[7]。模擬工況點參數見表4。

表4 模擬工況點的實測參數

從2.1節的模擬結果可以得出，為了提高發動機功率，應盡可能提高壓縮比。但壓縮比提高使得HCNG發動機在低負荷條件下便發生回火，因此應該盡可能減小氣門重疊角。筆者在原機氣門重疊角是30°CA基礎上重新設計了4種配氣相位(表5)，研究配氣相位對55%HCNG的發動機性能的影響。

表5不同配氣相位的氣門開閉角

Table5Valveopenandcloseanglesindifferentvalvetiming

圖7為不同氣門重疊角下的充氣效率的變化曲線，可以看出，隨著氣門重疊角減小，充氣效率大致呈下降趨勢。這是因為氣門重疊角減小，排氣阻力加大，殘余廢氣系數上升，使得充氣效率下降。

圖7 充氣效率隨氣門重疊角的變化曲線Fig.7 Curve of charging efficiency changing with valve overlap

圖8為發動機功率隨著氣門重疊角的變化曲線，可以看出功率變化曲線與進氣流量曲線變化趨勢是一致的，大致呈下降趨勢。

圖8 發動機功率隨著氣門重疊角的變化曲線Fig.8 Curve of engine power changing with the valve overlap

圖9是BSFC隨著氣門重疊角的變化曲線。可以看出有效燃油消耗率是呈下降趨勢的，這說明隨著氣門重疊角的減小，發動機的經濟性增強。

圖9 有效燃油消耗率隨著氣門重疊角的變化曲線Fig.9 Curve of BSFC changing with the valve overlap

由以上結果可以看出，在模擬工況下，在壓縮比為12 ∶ 1、氣門重疊角為0℃A時，發動機的功率由原機65.3 kW降低到63.3 kW，下降了3.06%，BSFC由原機167.9 g/(kW·h)降低到164.4 g/(kW·h)，下降了2.08%，基本可以維持原機動力水平，但是氣門重疊角為0℃A可以有效防止回火現象的發生。

3 結 論

1)利用AVL BOOST軟件建立富氫HCNG發動機仿真模型。通過與試驗數據的對比，說明該模型具有較高的計算精度。

2)模擬計算表明提高壓縮比可以在一定的范圍內提高發動機的動力性和經濟性。同時會略微降低空氣流量。

3)隨著氣門重疊角的減小，發動機的充氣效率、動力性及經濟性都有所降低。

4)相對于原機而言，壓縮比等于12 ∶ 1、氣門重疊角等于0 ℃A，發動機的功率和有效燃油消耗率略有下降，但下降幅度不大，可以在保證發動機動力性的前提下有效防止回火。

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