基于AVL BOOST的CNG發動機壓縮比優化設計

紀文曉 馬晨陽

（重慶交通大學，重慶 401120）

將汽油機改為天然氣發動，在壓縮比不變的情況下發動機動力性下降10%～22%左右。天然氣辛烷值130，有較好的抗爆性，因而可以提高發動機壓縮比進而提高發動機動力性和經濟性，同時CO和HC排放也會降低。

本文建立了該款發動機的一維模型，并通過實驗參數對其進行模型的驗證，調整參數從而研究壓縮比對發動機動力性和經濟性的影響。

1 CNG發動機模型的建立和驗證

1.1 CNG發動機模型的建立

模型所用發動機為四缸多點電控噴射天然氣發動機，直列四缸、四沖程，壓縮比為10，缸徑×行程：70×81mm。

表1 5600r/m、壓縮比10 時實驗值與計算值對比

SB1、SB2分別為進排氣系統的邊界，主要設置溫度、壓力、流量系數和空燃比A/F等系數。燃燒模型采用Vibo雙區模型，傳熱模型采用Woschni 1978模型。

1.2 CNG發動機模型的驗證

為了保證所建發動機模型的準確性，在5600r/min時，更改發動機壓縮比，進而對比試驗數據與仿真計算數據。主要驗證數據有功率、扭矩、燃氣消耗率，對比結果見表1。

結果表明，仿真值和實驗值誤差在5%左右，缸壓曲線也能較好的擬合，因此此模型具有較好的準確性，可以通過該模型進行發動機性能的仿真優化設計。

2 不同壓縮比發動機對外特性的影響

基于AVL BOOST模型，在原機基礎上，將發動機壓縮比提高至11.5和12.5，研究不同壓縮比對發動機外特性的影響。圖2、圖3為不同壓縮比對發動機功率、扭矩和燃氣消耗率的影響。

結果表明，提高發動機壓縮比，提高了燃料燃燒的溫度和壓力，燃燒速率加快，發動機熱效率提高，使得發動機的功率和扭矩都有所提高，最高提升5%左右，動力性增強，如圖3所示。由于燃燒熱效率的提高，使得發動機燃氣消耗率略有下降，最高下降5%左右，改善燃油經濟性，如圖4所示。

結論

（1）利用AVL BOOST建立了天然氣發動機的一維仿真模型，并用實驗數據與模型計算數據進行對比，驗證了模型的準確性。

（2）在一定范圍內，隨著壓縮比的提高，功率和扭矩均有增加，動力性增強；同時燃氣消耗率有所下降，有助于經濟性的改善。

[1] Girma Tadesse, A. Rashid A. Aziz. Effect of BOOST Pressure on Engine Performance and Exhaust Emissions in Direct-Injection Compressed Natural Gas （CNG-DI） Spark Ignition Engine. SAE Technical Paper, 2009-32-0135.

[2]孫慧慧，王天友，張海巖.高壓縮比稀薄燃燒天然氣發動機的燃燒與排放特性[J].天然氣工業，2013，33（02）.