天然氣發動機增壓器匹配及試驗驗證

孫萬超　郎曉姣　張磊　周鵬　趙路路　王坤　張培紅

摘要：在概念設計階段，基于GT-Power軟件建立某4缸天然氣發動機的整機模型，該模型包括進氣系統、缸內燃燒系統、廢氣再循環（excust gas recircluation，EGR）管路系統，根據工程經驗，設置目標EGR率、點火提前角、燃燒持續期、燃燒重心為邊界條件，仿真對比不同增壓器方案的EGR率、EGR閥開啟比例、燃氣消耗率、增壓器旁通閥放氣比例、外特性聯合運行線，結合工程應用中的增壓器匹配原則，選出合適的增壓器方案，并進行試驗驗證。試驗結果表明：所選方案發動機的外特性聯合運行線遠離喘振線和堵塞區，中、高轉速的運行點落在壓氣機高效區；標定點增壓器轉速余量大于18%，滿足發動機性能要求。

關鍵詞：GT-Power；天然氣發動機；EGR；當量燃燒；廢氣渦輪增壓器

中圖分類號：TK433.5文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0085-05

引用格式：孫萬超，郎曉姣，張磊，等. 天然氣發動機增壓器匹配及試驗驗證［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（4）：85-89.

SUN Wanchao， LANG Xiaojiao， ZHANG Lei， et al. Matching and test verification of a natural gas engine turbocharger［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：85-89.

0 引言

壓縮天然氣是一種理想的車用替代能源，具有成本低、效益高、無污染、使用安全便捷等特點，在新能源汽車發展過程中具有較明顯的優勢。天然氣的主要成分為甲烷，具有較高的辛烷值和熱值，性質穩定，燃燒比較完全，與汽、柴油相比有較好的排放性能。天然氣汽車以其優良的燃燒和排放特性得到了市場和用戶的接受[1]。

為達到國六排放水平，天然氣發動機常采用2種技術路線：當量燃燒-三效催化轉化器（three-way catalyst， TWC）、高壓冷卻廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）-當量燃燒-TWC。第一種技術路線結構簡單，增壓器匹配僅需滿足動力指標，不需考慮天然氣發動機重點考慮的爆震問題，缺點是渦前溫度較高，需要通過更換排氣管材料或改進設計方法提高其耐溫極限；第二種是常規技術路線，通過高壓冷卻EGR技術提高發動機抗爆震邊界，同時降低NOx排放及渦前溫度，降低TWC的工作強度，但該路線對空氣系統的匹配要求較高，需要同時滿足動力性和EGR率目標。爆震是主火核未達到的位置發生自燃的現象，屬于不正常燃燒。發動機長時間處于爆震工況，影響發動機壽命。添加EGR系統，將廢氣再次引入缸內，可降低燃燒溫度，減輕爆震程度。

天然氣發動機中的三大關鍵部件為燃氣系統、點火系統、空氣系統。燃氣系統在精確時刻為發動機提供適量燃料；點火系統通過火花塞2個電極間產生的電火花引燃天然氣，實現化學能轉化為熱能；空氣系統為燃料燃燒提供氧氣，按進氣方式分為自然吸氣和增壓，通過增壓可以大大提高發動機的升功率。周勝余等[2]將燃氣噴射閥由噴嘴式噴射閥更換為連續流式噴射閥，提升了燃氣噴射控制精度，降低氣體機實際使用氣耗；郭喆晨等[3]將汽油機改為天然氣發動機后，相同發動機參數下的低速轉矩性能較差， 采取非同步進氣正時優化方案后使發動機低速動力性能得到較大提升， 且能保持高速動力性能；陳剛田[4]通過對12V190天然氣發動機的增壓匹配估算，以及與SJ150 系列增壓器的匹配試驗，發現調整渦輪噴嘴環出口流通面積可以有效提高增壓匹配效率；楊兆山等[5]研究發現根據廢氣控制閥放氣能力對增壓器運行區間的影響，并在性能標定時考慮增壓高效區和增壓低效區，可以提高增壓器的低速性能及改善瞬態響應性。關于增壓器匹配定性原則及標定的研究較多[6-8]，但關于天然氣發動機設計階段的增壓器匹配的定量研究較少。本文中主要針對產品設計階段的增壓器匹配進行研究，提出定量原則，為后續天然氣發動機產品開發、性能優化中增壓器匹配提供參考。

1 仿真模型

以某4缸天然氣發動機為研究對象，利用GT-Power軟件建立的整機熱力學模型如圖1所示。模型包含進氣系統、缸內燃燒、排氣系統、高壓冷卻EGR系統4部分；天然氣發動機的渦前溫度較高，為了防止高溫導致EGR閥失效，需要把EGR閥放在冷卻器之后［9-11］。在此模型基礎上進行增壓器匹配，增壓器仿真選型流程如圖2所示。

2 仿真分析

2.1 邊界條件

依據工程經驗，擬合目標EGR率、點火提前角（上止點前曲軸轉角）、燃燒持續期、燃燒重心（以總放熱量達到50%為特征點，記作CA50，此時對應的曲軸轉角記為βCA50等邊界條件，如圖3所示。

將上述4個外特性參數輸入熱力學模型中，作為基礎數據進行后續仿真分析。

2.2 增壓器匹配原則

1）優先滿足目標EGR率，降低爆震風險;其次燃氣消耗率較低。

2）為保證增壓器的環境適應性，防止高溫高原工況因進氣不足導致的動力性不足，增壓器渦前折合質量流量不能過大，具體匹配原則是確保額定點的廢氣旁通率控制在30%～60%［12］。

3）為保證各運行環境下發動機均能達到目標EGR率，以及因增壓器一致性導致的EGR驅動壓差的差異，EGR閥開啟比例（當量直徑與最大當量直徑的比）應控制在30%左右。

4）為保證發動機高效、可靠運轉，發動機聯合運行線應穿過壓氣機的高效區，離喘振線最近的工況點對應的壓氣機折合質量流量應大于喘振線對應壓氣機折合質量流量的1.1倍［13-14］。

5）市場運行車輛大部分運行在海拔高度低于2 500 m的地區，為保證發動機在海拔高度為2 500 m時的高原動力性，標定點的增壓器轉速應留出18%的裕量。

2.3 仿真結果分析

增壓器匹配過程中定功率、定空燃比，4種備選增壓器結構參數如表1所示。

增壓器匹配仿真結果如圖4所示。

由圖4可知：1）方案1和方案3在轉速為1 000～1 400 r/min的EGR閥開啟比例明顯超過30%，且不滿足EGR率需求，尤其是方案3遠低于目標EGR率，不滿足原則1、3；2）各方案的標定點旁通閥放氣率為30%～40%，滿足原則2，均可保證不同環境下EGR閥的可控性。因此，淘汰方案1、3。

方案2、4的外特性聯合運行線的仿真結果如圖5所示。由圖5可知：方案2在增壓器轉速為80 000 r/min的聯合運行點緊貼喘振線，有喘振風險，予以淘汰；方案4在增壓器轉速為80 000 r/min的喘振裕量大于10%，標定點的增壓器轉速裕量大于18%（增壓器轉速限值為194 000 r/min，計算值為150 000 r/min，增壓器轉速裕量為29.3%），滿足仿真要求，可以進行試驗驗證。

3 試驗驗證

控制臺架空調出口壓力和出口溫度，以及標定點的排氣背壓、中冷器前后壓損、中冷器后進氣溫度、喇叭口進氣壓損，進行臺架標定。結果表明，方案4滿足發動機的各項性能目標，方案4發動機聯合運行線如圖6所示。由圖6可知：方案4發動機的外特性聯合運行線遠離喘振線和堵塞區，中、高轉速的運行點落在壓氣機高效區；標定點增壓器轉速裕量大于18%（增壓實測轉速為158 000 r/min，限值為194 000 r/min，裕量為22.8%）。

4 結論

在概念設計階段，基于GT-Power軟件，建立某4缸天然氣發動機模型，仿真計算不同增壓器方案的EGR率、EGR閥開啟比例、燃氣消耗率、增壓器旁通閥放氣比例、外特性聯合運行線，從中優選合適的增壓器方案，并進行試驗驗證。

1）試驗結果表明：選擇的增壓器方案發動機的外特性聯合運行線遠離喘振線和堵塞區，中高轉速的運行點落在壓氣機高效區；標定點增壓器轉速裕量大于18%，通過試驗驗證，滿足試驗要求。

2）在設計階段，通過仿真對增壓器進行篩選，可避免出現喘振、堵塞、增壓器超速、EGR率不足等現象，縮短開發周期，節約試驗資源。

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Matching and test verification of a natural gas engine turbocharger

SUN Wanchao， LANG Xiaojiao， ZHANG Lei， ZHOU Peng，

ZHAO Lulu， WANG Kun， ZHANG Peihong

Weichai Power Co.， Ltd.，Weifang 261061， China

Abstract：In the conceptual design stage， based on GT-Power software， a complete simulation model of a four cylinder natural gas engine， including the intake system， combustion system in the cylinder， and EGR pipeline system， has been established. Based on engineering experience， target EGR rate， ignition advance angle， combustion duration， and combustion center is set as boundary conditions. The simulation compares the EGR rate， EGR valve opening ratio， gas consumption rate， turbocharger bypass valve bleeding ratio， and engine external operation line of different turbocharger schemes. According to the matching principle of turbocharger in engineering applications， a suitable turbocharger scheme is selected for experimental verification. The experimental results show that the combined operating line of the external characteristics of the selected scheme engine is far from the surge line and blockage zone， and the operating points of medium and high speeds fall in the high-efficiency zone of the compressor. The speed margin of the turbocharger at the designated point is greater than 18%， which meets the engine performance requirements.

Keywords：GT-Power; natural gas engine; EGR; stoichiometric ratio combustion; exhaust gas turbocharger

（責任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2022-08-15

第一作者簡介：孫萬超（1987—），男，寧夏平羅人，工程師，主要研究方向為發動機性能開發，E-mail： Sunwc@weichai.com。