（载运工具运用工程专业论文）天然气发动机压缩比、点火时刻及配气相位优化研究.pdf

f i i i ir li iir lll li ii iii ii y 19 0 2191 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：爱锄p 日期：蒯f 年垆月，2 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：裴劲争 日期：妒1 年v 月1 2 日 指导教师签名：研鹚 日期：弦1 1 年眵月j 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n q 系列数据库中全文发布，并按 ：中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 指导教师签名：研锄 日期：州j 年缈月g 日 摘要 内燃机和汽车的出现为人类社会的发展做出了巨大的贡献，但随着汽车保有 量的急剧增加，由此带来的能源危机和环境问题也不容忽视，因此寻找合适的替 代能源迫在眉睫。天然气作为一种优质能源，具有技术成熟、资源丰富、排放污 染低及价格便宜等特点，从而成为汽车代用燃料的首选，但是天然气作为汽车代 用时会造成内燃机动力性下降。目前国内外众多专家、学者对天然气发动机的工 作过程作了大量的研究，这些研究大多是在天然气发动机满负荷时进行，对天然 气发动机中、低负荷时的性能研究还较少。 优化天然气发动机的参数，使其适应天然气的理化性质，是改善天然气发动 机动力性的有效途径之一。本文根据某型汽油发动机的相关参数，利用发动机仿 真分析软件g t - p o w e r 建立了较为准确的汽油发动机仿真模型；在g t - p o w e r 软 件的燃料库中新建了乙烷和丁烷的燃料模型，并生成了四川天然气燃料模型；利 用汽油发动机模型和四川天然气燃料模型对天然气发动机的性能进行了模拟计 算，针对天然气发动机动力性下降的问题，分析了不同负荷条件下压缩比、点火 时刻和配气相位对天然气发动机性能的影响，并对各参数进行了优化。 将优化后天然气发动机的性能与原天然气发动机、原汽油发动机进行了对 比。对比结果表明，优化后天然气发动机动力性、经济性明显改善，但与原汽油 发动机相比仍有一定差距。优化后与原天然气发动机相比，在2 5 负荷时，最大 扭矩由5 3 9 n m 提高到5 6 8 n m ，最大功率由1 1 1 k w 提高到1 2 6 k w ，提升幅度 分别为3 1 、6 4 ；在5 0 负荷时最大扭矩由1 0 8n m 提高到l1 3 5 n m ，最大 功率由2 2 4 k w 提高到2 4 1 k w ，提高幅度分别为5 1 、7 6 ：在7 5 负荷时， 最大扭矩由1 2 0 7 n i l l 提高到1 2 8 1 n m ，最大功率由3 9 k w 提升到4 1 7 k w ，提 升幅度分别为6 1 、6 9 ；在1 0 0 负荷时，最大扭矩由1 4 3 2 n m 提升到 1 5 9 6 n i l l ，最大功率由6 7 2 k w 提高到7 0 6 k w ，提升幅度分别为1 1 5 、5 1 。 此外，在仿真优化分析的过程中得出：1 与汽油发动机相比天然气发动机的压缩 比可以适当提高，宜在1 0 5 1 2 之间；2 天然气发动机的最佳点火时刻在中等转 速时相对汽油发动机有所提前，提前的幅度在3 0 c a 左右；3 在中等转速时优化 的固定配气相位，可以提高中、低转速时天然气发动机的动力性，但降低了天然 气发动机高转速时的动力性，所以固定的配气相位很难提高天然气发动机全转速 范围内的动力性。本文的研究结果对天然气发动机的开发具有一定的参考价值。 关键词：天然气发动机；压缩比；点火时刻；配气相位；仿真优化；动力性能； a bs t r a c t t h ee m e r g e n c eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n dv e h i c l eh a sm a d eag r e a t c o n t r i b u t i o nt ot h eh u m a ns o c i e t y b u tw i t ht h ei n c r e m e n to fv e h i c l e s ，t h ep r o b l e mo f e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sg e t t i n gw o r s ea n dw o i s oi ti su r g e n t t ol o o kf o rak i n do fa l t e r n a t i v ee n e r g y a sak i n do fh i g h - q u a l i t ye n e r g y , n a t u r eg a s h a sb e e nw i d e l yu s e di nv e h i c l e ，a n dn a t u r eg a sa l s oh a st h ec h a r a c t e r so fr i c h 、l o w p o l l u t i o ne m i s s i o n s 、c h e a pa n ds o0 1 1 s oi t h a sb e c o m et h ep m f e r r e da l t e r n a t i v e e n e r g yo fv e h i c l e s b u tw h e nn a t u r eg a sw a su s e di nv e h i c l e s ，i tw i l lm a k et h ee n g i n e p o w e rr e d u c e d n o wm a n ye x p e r t sa n ds c h o l a r sb o 廿lf o r e i g na n dd o m e s t i ch a v em a d e al o to fr e s e a r c ho nn a t u r eg a se n g i n e m u c ho ft h e r e s e a r c hw a sm a d ew h e nn a t u r e g a se n g i n ea tf u l ll o a d t h er e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo fn a t u r eg a sa tm e d i u ma n d l o wl o a di ss t i l ll e s s o p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fn a t u r a lg a se n g i n e si sag o o dw a yt oi m p r o v ei t s p o w e r i nt h ep a p e ras i m u l a t i o nm o d e lo fg a s o l i n ee n g i n ew a sb u i l ti nt h eg t - p o w e r s o t h v a r e a n dt h ef u e lm o d e lo fe t h a n ea n db u t a n ew a sb u i l ti nt h ef u e ll i b r a r yo f g t - p o w e r , a n dt h e ng e n e r a t e dt h ef u e lm o d e lo fn a t u r eg a si ns i c h u a n i no r d e rt o s t u d yt h ep r o b l e mo fn a t u r eg a se n g i n ep o w e rd e c l i n e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h en a t u r e g a se n g i n ew a ss i m u l a t e dw i t ht h eg a s o l i n ee n g i n em o d e la n dn a t u r eg a sf u e lm o d e l t h e na n a l y z e dt h ev a r i a t i o no fn a t u r eg a se n g i n ep e r f o r m a n c ew i t hc o m p r e s s i o n r a t i o 、s p a r kt i m ea n dv a l v et i m i n gu n d e rd i f f e r e n tl o a d , a n do p t i m i z e dc o m p r e s s i o n r a t i o 、s p a r kt i m ea n dv a l v et m a i n g o f t h en a m r eg a se n g i n e n a t u r eg a se n g i n ep e r f o r m a n c ea f t e ro p t i m i z a t i o nw a sc o m p a r e dw i t ht h e p e r f o r m a n c eo ft h en a t u r eg a se n g i n eb e f o r eo p t i m i z a t i o na n dt h eg a s o l i n ee n g i n e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o w e ra n de c o n o m yo ft h en a t u r eg a sa l 气e ro p t i m i z a t i o n w a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d , b u tc o m p a r e dw i t ht h eg a s o l i n ee n g i n ew a ss t i l ll e s s a f t e ro p t i m i z a t i o nt h em a x i l n u l nt o r q u ew a si n c r e a s e df r o m5 3 9 n mt o5 6 8 n m ，a n d t h em a x i m u mp o w e rw a si n c r e a s e df r o m1 1 1 k wt o1 2 6 k wa tt h e2 5 l o a d , w i t ht h e e n h a l l c er a n g eo f3 1 、6 4 ；a tt h e5 0 l o a dt h em a x i n l u l nt o r q u ew a si n c r e a s e d f r o m10 8 n - mt o113 5 n m ，a n dt h em a x i m u mp o w e rw a si n c r e a s e df r o m2 2 4 k wt o 2 4 1 k w ：w i t ht h ee n l a a l l c er a n g eo f 5 1 、7 4 ；a tt h e7 5 l o a dt h em a x i r f l u l nt o r q u e w a si n c r e a s e df r o m12 0 7 n mt o12 8 1 n m ，a n dt h em a x i n l mp o w e rw a si n c r e a s e d f r o m3 9 k wt o4 1 7 k w ：证t l lt h ee n h a n c er a n g eo f 6 1 、6 9 ；a tt h e1 0 0 l o a dt h e m a x i m mt o r q u ew a si n c r e a s e df r o m1 4 3 2 n mt o15 9 6 n i 坞a n dt h em a x i r t l u m p o w e rw a si n c r e a s e df r o m6 7 2 k wt o7 0 6 k w , w i t ht h ee n h a n c er a n g eo fl1 5 、5 1 s o m ec o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e di nt h ep r o c e s so fs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n a n a l y s i s ：1 c o m p a r e dw i t hg a s o l i n ee n g i n e ，t h ec o m p r e s s i o nr a t i oo fn a t t l r eg a s e n g i n es h o u l db ei n c r e a s e d b e t w e e n1 0 5a n d1 2w a sg o o d ；2 c o m p a r e dw i m g a s o l i n ee n g i n e ，t h es p a r kt i m eo fn a t u r eg a se n g i n ea tm e d i u ms p e e ds h o u l db e e a r l i e r , 、丽mt h er a n g ei na d v a n c eo fa b o u t3 0 c a ；3 t h ef i x e dv a l v et i m i n gw a s 0 l 娟m i z e da tm e d i u ms p e e d , c o u l di m p r o v e dt h en a t u r eg a se n g i n ep o w e ra tl o wa n d m e d i u ms p e e d , b u tt h en a t u r eg a se n g i n ep o w e rw a sr e d u c e da th i g hs p e e d t h er e s u l t o ft h ep a p e rh a ss o m er e f e r e n c ev a l u eo nt h ed e v e l o p m e n to fn a t u r a lg a se n g i n e k e yw o r d s ：n a t i l r eg a se n g i n e ；c o m p r e s s i o nr a t i o ；s p a r kt i m e ；v a l v et i m i n g ； s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ；p o w e r 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 1 1 能源危机与环境污染1 1 1 - 2 新能源探索3 1 2 天然气发动机发展与数值模拟研究状况5 1 2 1 天然气发动机的发展历史5 1 2 2 天然气发动机数值模拟研究现状6 1 3 主要研究内容l o 第二章天然气发动机动力性能分析1 l 2 1 天然气发动机动力性下降的主要原因1 1 2 2 改善天然气发动机动力性的措施1 3 2 3 本章小结1 5 第三章天然气发动机仿真系统建立1 6 3 1g t - p o w e r 软件简介1 6 3 2 汽油机仿真模型建立1 6 3 3 汽油机仿真模型标定2 0 3 4 天然气燃料模型2 1 3 4 1 乙烷燃料模型2 1 3 4 2 丁烷燃料模型2 3 3 5 天然气发动机性能仿真2 5 3 6 本章小结2 6 第四章天然气发动机关键参数优化2 7 4 1 压缩比的优化计算2 7 4 1 1 压缩比对天然气发动机动力性的影响2 7 4 1 2 压缩比对天然气发动机经济性的影响2 8 4 1 3 压缩比对燃烧的影响2 9 4 1 4 压缩比选择3 0 4 1 5 优化前后天然气发动机性能对比3 2 4 2 点火时刻的优化计算3 4 4 2 1 点火时刻对天然气发动机动力性的影响3 4 4 2 2 点火时刻对天然气发动机经济性的影响3 5 4 2 3 点火时刻对燃烧始点的影响3 6 4 2 4 点火时刻对燃烧持续期的影响3 7 4 2 5 点火时刻对缸内燃烧压力的影响3 7 4 2 6 点火时刻对缸内燃烧温度的影响3 8 4 2 7 点火时刻优化前后发动机性能对比3 9 4 3 配气相位优化设计4 0 4 3 1 配气相位优化4 0 4 3 2 配气相位优化结果组合4 4 4 3 3 配气相位优化前后性能对比4 7 4 4 天然气发动机参数优化前后性能对比5 0 4 5 本章小结5 4 第五章结论弱 5 1 结论5 6 5 2 不足与展望5 6 致谢5 8 参考文献5 9 在学期问发表的论著及取得的科研成果6 2 ，jpgp、i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自1 8 7 6 年德国人奥托发明第一台四冲程往复活塞式内燃机以来，内燃机以其 热效率高、机动性强，工况范围广等优点著称于世。目前世界上内燃机的保有量 大大超过了其它任何的热力发动机。然而内燃机在推动人类社会进步的同时，也 给我们带来了一系列负面效应，主要表现在能源危机和环境污染这两个方面。 1 1 1 能源危机与环境污染 据研究资料显示，整个2 0 世纪石油对世界能源的供给贡献占了8 0 。美国油 气杂志评估，按照目前已经探明的石油存储量和年开采量，以现在的世界能耗 水平计算( 目前全球每天大约消耗8 7 0 0 万桶原油) ，作为目前主要能源的石油只 可以开采4 1 年【l - 2 】。据专家分析，未来3 0 年内全球的石油消耗量将持续上升，而 且预计全球石油产量将会在2 0 1 0 - - 2 0 2 0 年间达到晟高峰例，图1 1 显示了2 0 0 0 年 2 0 1 0 年全世界石油日需求量上涨情况。对石油资源的过量使用，直接导致了石油 总消耗量的大幅增加，能源的不可再生与需求不断增加之间的矛盾愈演愈烈，使 得燃油价格日益昂贵。在过去几年里，石油价格已经从2 0 0 0 年1 月的2 5 美元每 桶涨到最高时2 0 0 8 年7 月的1 4 7 美元每桶。 h 霉 k 一 * 隹 叮 雾 k 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 72 0 0 8 2 0 0 92 0 1 0 图1 12 0 0 0 年 - - 2 0 1 0 年全世界石油日需求量统计 f i g1 1 廿l ew o r l dd a i l yo i ld e m a n ds t a t i 髓i c sf r o m2 0 0 0t 02 010 我国正处于经济快速发展的黄金时期，对于能源的需求日益增加。再加上科 学技术水平的限制，以及大量高耗能产业的存在，使得我国的能源消耗总量居高 88踞弧娩即他伯m他伯 2 第一章绪论 不下。最新统计数据显示，2 0 1 0 年我国一次能源消费量为3 2 5 亿吨标准煤，同比 增长了6 ，能源消耗强度是美国的3 倍、日本的5 倍。中国能源研究会常务副理 事长周大地称中国已经成为全球第一能源消费大 t 4 j 。 中国金融网2 0 1 0 年2 月 2 1 日报道，2 0 0 9 年中国石油净进口量2 1 8 8 8 5 万吨，石油表观消费量4 0 8 3 7 5 万 吨；原油净进口量1 9 8 6 2 0 万吨，原油表观消费量3 8 8 1 0 9 万吨。原油进口依存度 达到5 2 5 ，原油净进口对外依存度为5 1 2 ，石油进口依存度达到5 3 6 。但国 家发改委发布的1 2 0 0 8 年石油行业运行情况及2 0 0 9 年趋势预测称，2 0 0 8 年我 国国内石油消费对外依存度为4 9 8 t 5 1 。短短一年多时间，我国的石油进口量增长 竞如此迅速。据专家预测2 0 1 0 - 2 0 2 0 年我国石油消费量仍将保持较快的增长，到 2 0 2 0 年我国石油消费量将达到5 6 3 亿吨。 内燃机在消耗大量石油资源的同时，还不断向大气中排放大量的废气并产生 各种噪音，严重破坏了人类赖以生存的自然环境，危害了人类的健康。据调查资 料显示，汽车尾气是造成城市大气污染的主要原因，在城市大气污染物中大约占 了6 0 8 0 ，主要包括一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、碳氢化合物( h c ) 、 氮氧化合物( n o x ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、三氧化硫( s 0 3 ) 以及微粒等。其中c 0 2 是造成目前全球气候变暖的最主要原因，继全球1 4 1 个国家和地区签署：京都议 定书之后，2 0 0 9 年1 2 月7 日开始的哥本哈根全球气候峰会，再一次将全球气候 变暖问题提上议程，并由此掀起了一股低碳经济的热潮。此外n 0 2 和h c 在光照 条件下会生成光化学烟雾，s 0 2 和s 0 3 溶于雨水中会造成酸雨等。据有关资料显示， 在我国北京市机动车尾气排放对大气污染物中c o 、h c 、n o x 的分担率分别为6 3 4 、7 3 5 和4 6 ；上海市中心地区机动车尾气排放对大气污染物中c o 、h c 、 n o x 的分担率分别达为8 6 、9 6 和5 6 ；广州、天津、重庆等许多大中型城市 也有类似的情况网。这些问题的出现让世界各国纷纷认识到，严格控制汽车尾气排 放是一项势在必行的任务。目前全球主要有三大排放法规体系，分别是美国、欧 洲和日本。经过几十年的发展，这些法规的标准不断提高。由于欧洲的排放法规 体系相对比较适合我国的实际情况，因此我国在充分研究和学习欧洲排放法规的 基础上，逐步形成了我国的排放法规体系。目前我国排放法规的实施步伐与限制 要求与欧洲相比还有一定的差距，实现排放法规的国际同步化还需要今后不断的 努力。 由于能源与环境的双重压力，加上排放法规日益严格，因此世界各国的研究 人员不断完善发动机结构、优化发动机燃烧系统、开发新的电子控制技术、采用 更先进的后处理装置，以改善发动机的动力性，经济性和排放特性。除此之外各 国还投入大量资金用来探索和研究新型清洁能源，为内燃机的未来寻找新的出路。 第一章绪论 1 1 2 新能源探索 能源危机与环境污染使得探索新型清洁能源成为下一阶段内燃机研究工作的 重点。根据目前新能源研究现状分析，今后一段时间内燃机燃料将会进入传统能 源和新能源并存的多元化时代。在此过程中传统能源所占比重将逐步减少，新能源 所占比重将不断增加，从传统能源向低碳能源过渡，最终达到以新能源为主导，实现 能源结构的根本性改变r 7 1 。目前发动机代用燃料主要有天然气( c n g l n c ) 、液化石 油气( l p g ) ，醇类燃料、生物柴油、二甲醚、氢气、燃料电池以及太阳能等。其中 液化石油气因为其储量相对较少，所以液化石油气不可能作为主要的内燃机代用 燃料使用；作为醇类燃料( 主要包括甲醇和乙醇) 的推广，主要困难是运行成本较高， 而且对于发动机的结构要做相应的调整。另外还会造成汽车与人抢粮食的局面。 这些因素决定了它不可能成为基本的代用燃料。只能作为内燃机能源的补充；氢 能源可以实现真正的零排放，但因为其制取成本太高，现阶段也不可能大规模使 用；太阳能是最清洁、最环保的能源，但受到地域与天气的影响，太阳能要全面 走进人们的生活还需要较长的时间嗍。 就目前情况而言，天然气是缓解能源压力最为直接和有效的方案之一，并且 天然气也具备了作为内燃机代用燃料的基本条件。目前全球天然气可采储量与石 油相当，而且天然气储采比为7 0 ：1 1 9 1 ，具有广阔的发展前景。此外天然气还具有运 行成本低、排放污染低、使用安全、技术成熟等突出优点，因此在资源丰富的国 家，天然气的使用很容易形成规模化、产业化。表1 1 为2 0 0 9 年世界及主要国家 一次能源消费量及构成，从该表中可以看出天然气已经成为各国继煤和石油之后大 量使用的第三大能源。如果说2 0 世纪是石油的世纪，那么2 l 世纪有可能是天然 气世纪。尽管有如此多的优点，但受天然气自身的理化性质影响，其作为内燃机 代用燃料时，会造成内燃机动力性下降。如表1 2 所示为天然气、汽油和柴油的主 要性质对比，虽然动力性有所下降，但这丝毫不能阻碍天然气作为内燃机代用燃 料的发展趋势，越来越多的内燃机工作者通过自己不断努力研究各种新技术以弥 补内燃机燃用天然气时所造成的动力性下降问题。 4 第一章绪论 表1 1 世界及主要国家一次能源消费量及构成 t a b l 1t h ee o n s u m p t i o na n dc o n s t i t u t i o no f p r i m a r ye n e r g yo f t h ew o r l d 能源消费总量( 亿吨 占消费量的比重 国家 油当量)煤炭 石油 天然气核电水电 美国 2 2 9 92 4 63 8 52 6 18 42 4 加拿大 3 - 3 01 03 0 92 7 36 42 5 4 北美小计 2 7 9 92 1 73 8 52 6 87 75 3 巴西 2 2 86 44 6 2 9 91 43 6 1 委内瑞拉 o 8 14 03 5 82 4 2 中南美小计 5 8 04 4 6 6 2 2 20 82 6 4 法国2 5 84 63 5 71 5 43 8 65 6 德国 3 1 l2 63 82 3 71 0 8】5 意大利 1 7 79 64 5 8 3 9 65 英国 2 1 21 6 73 7 23 9 95 60 6 俄罗斯 6 8 51 4 81 9 1 5 5 25 45 5 欧洲和前苏联小计 2 9 6 51 7 63 2 23 4 79 36 2 沙特阿拉伯 1 7 55 9 74 0 3 中东小计 6 1 41 55 04 80 5 南非 1 3 27 7 71 9 92 30 1 非洲小计 3 5 63 l3 8 2 4 0 86 2 澳大利亚 1 1 84 3 33 5 91 7 92 9 中国 2 0 0 37 0 21 8 83 6o 86 6 印度 4 3 35 3 43 1 28 60 86 日本 5 0 82 5 44 3 71 6 61 1 23 1 韩国 2 4 02 7 54 31 4 91 4 2 o 4 表1 2 天然气、汽油及柴油的主要性质1 m 1 1 l t a b1 2t h ep r i m a r yc h a r a c t e ro f n a t u r a lg a s 、g a s o l i n ea n dd i e s e l 淡 天然气( c h 4 为主) 汽油柴油 性质 分子式 含c l c 3 的t h c 含c r - c 1 2 的t h c 含c l 一2 3 的t h c 相对分子量1 6 1 1 41 7 0 c 质量百分比( )7 5 8 5 58 7 h 质量百分比( ) 2 51 4 51 2 6 o 质量百分比( ) 0 4 理论空 k g k g 1 7 4 1 4 9 1 4 5 燃比 m 3 l 【g 1 3 3 31 1 5 4 1 1 2 2 低热值( m j k g ) 5 0 0 54 44 2 5 第一章绪论 5 混合气热值( m j m 3 ) 3 2 33 7 3 ，3 8 33 7 9 沸点( ) 1 6 13 0 1 9 01 6 m 0 6 0 辛烷值( r o n ) 1 3 08 蝴2 m 弓0 十六烷值 、 “7 。 - 一- 1 i 冬 纱 、i 心、i i 誓 j i ? 1 、“、 、 、1 岫驰d 删 ( a ) e p 日 咚 l 1 t 。 p 吣， ”r 卞 呐s p _ 嗍 ( b ) 么 一j乡 二；茹蔷 l 二；一 ( c ) 图4 8 压缩比优化前后天然气发动机性能对比( 2 5 负荷) f i 9 4 8t h ec o m p a r i s o no fe n g i n ep e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e r t h eo p t i m i z a t i o no fc o m p r e s s i o nr a t i o ( 2 5 l o a d ) 第四章天然气发动机关键参数优化3 3 世也- a t k m- 优化 优化 - ； p 、： ：+ 毫。p 。专弋0 ：、 k 、 曲 1 互 量 f1 一 - 、l 卜：、0 k 。i f 7 7 、 l 、 ” ? - 、， 薹 7 1 1 i l 、 、 。“”4 i ；墨勰q “”棚”1 94 “- 器晶晶q 1 。”“ ( a )( b ) 。优匕 彘他詹 、ji 姗 i 柚 枷 。 柚 ，二： ，一| i ，二_套；4 j | | ”t l 器褊q 9 ”1 ” ( c ) 图4 9 压缩比优化前后天然气发动机性能对比( 5 0 负荷) f i 9 4 8t h ec o m p a r i s o no fe n g i n ep e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e r t h eo p t i m i z a t i o no fc o m p r e s s i o nr a t i o ( 5 0 l o a d ) t 鲁n 在业 一惶t 、位让鲁 _ - ；名二一：、 i 、一二= ：、0 - _ 一 譬 。芳l1 、= 。、k， 1l 、1 l i 、 少 茎m 。、 l 耋 。? ， l m 霉 量蛐 j 壕 j ? | | i ， i kk ，+ - 、 1 、 埔 口 _ 瑚1 ”“1 ；墨_ 昂品q 9 “”埔1 ”l i 蓄备磊晶q 1 ”绷 ( a )( b ) - 健化4 - t ： 一 ； 鲞 沥 ， l 埘 羞 ， 钐彳 扣 、1 - “一，一 ， 、q | 一p 一- 1 哪“。“- 品- 褊q 4 _ 1 埔 ( c ) 图4 1 0 压缩比优化前后天然气发动机性能对比( 7 5 负荷) f i 9 4 8t h ec o m p a r i s o no f e n g i n ep e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e r t h eo p t i m i z a t i o no fc o m p r e s s i o nr a t i o ( 7 5 l o a d ) 第四章天然气发动机关键参数优化 ? 冬 t ， i 、 、 i 、 l 、 r 1。 一k ，隋- “f _ t _ 卸- d 洲 ( e ) 图4 i i 压缩比优化前后天然气发动机性能对比( 1 0 0 负荷) f i 9 4 8t h ec o m p a r i s o no fe n g i n ep e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e r t h eo p t i m i z a t i o no f c o m p r e s s i o nr a t i o ( 1 0 0 l o a d ) 4 2 点火时刻的优化计算 通过前文的分析可知，天然气的燃烧速度比汽油要慢，因此汽油机改用天然 气之后要适当的提前点火时刻，且不同的工况，对应着不同的最佳点火时刻。本 文在原汽油机的基础上，初选了一组点火时刻为：o o c a 、5 0 c a 、i o o c a 、1 5 0 c a 、 2 0 0 c a 、2 5 0 c a 、3 0 0 c a 、3 5 0 c a 、- 4 0 0 c a 、4 5 0 c a 。通过仿真计算，分析天 然气发动机在2 5 、5 0 、7 5 和1 0 0 负荷时，其性能随点火时刻的变化情况 并为各个负荷选择合适的点火时刻，仿真在标定转速3 0 0 0 r m i n 的条件下进行。 4 2 1 点火时刻对天然气发动机动力性的影响 图4 1 2 和图4 1 3 为不同负荷条件下点火时刻对发动机功率和扭矩的影响， 从图中可以看出，随着点火时刻的推迟，发动机的功率和扭矩呈先增大后减小的 趋势。此外在2 5 负荷条件下，点火时刻的变化对功率和扭矩的影响较小，但随 着负荷的增大，点火时刻对功率和扭矩的影响越来越明显。从图中还可以看出在 第四章天然气发动机炎键参数优化 2 5 负荷条件下，天然气发动机的最大功率和扭矩出现在2 5 0 c a 左右；在5 0 和7 5 负荷条件下，天然气发动机的最大功率和扭矩出现在2 0 0 c a 左右；在 1 0 0 负荷条件下，天然气发动机的最大功率和扭矩出现在1 5 0 c a 左右。这种变 化规律也符合前文分析中所提到的，在其它条件不变的情况下，点火时刻随着负 荷的增大而后移。 匿 差 羞 一 。，+ 一一 v _ 一1r h h k 、 r ，7 ，一 r 一7 = d 。d一 ，_ 一 。 ，_ “ 、1 s p 虹k t i m 图4 1 2 不同负荷下点火时刻对功率的影响 f i 9 4 1 2t h ev a r i a t i o no f p o w e rw i t ht h es p a r kt i m eu n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d 茎- 重 耋 ，一 一一 p _ _ _ _ 一 、 ， r 1 ， 。 、 ， ，“ ，一 i ，一 - _ ，一 、 一一r 一一 1k 、- 一叫 s 矗t 面 图4 1 3 不同负荷下点火时刻对扭矩的影响 f i 9 4 1 3t h ev a r i a t i o no f t o r q u ew i t ht h ec o m p r e s s i o nr a t i ou n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d 4 2 2 点火时刻对天然气发动机经济性的影响 图4 1 4 为不同负荷条件下点火时刻对燃气消耗率的影响。在其它条件不变的 3 6 第四章天然气发动机关键参数优化 情况下，随着点火时刻的推迟，燃气消耗率呈先减小后增大的趋势。此外，最小 燃气消耗率和最大功率、扭矩大体出现在相同的点火时刻。 至 茧 声 、 r “ ：? ：。 弋 b 、。 夕 h 、。 l： 、 h 多 o 一：，一1 s p 矗 r i m 图4 1 4 不同负荷下点火时刻对燃气消耗率的影响 f i 9 4 1 4t h ev a r i a t i o no fg a sc o n s u m p t i o nr a t i ow i t ht h ec o m p r e s s i o nr a t i ou n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d 4 2 3 点火时刻对燃烧始点的影响 图4 1 5 为不同负荷条件下点火时刻对燃烧始点的影响，从图中可以看出， 不同负荷工况下，随着点火时刻的推迟，燃烧始点( 这里定义为2 的燃料被燃 烧) 呈后移的趋势，移动幅度可达4 0 0 c a ，由此可见改变点火时刻是控制燃烧始 点的有效方法。另外在点火时刻一定的情况下，燃烧始点随着负荷的增加而提前， 这是因为，负荷越大，节气门的开度增大，每循环进入汽缸的混合气增多，能够 更快具备燃烧所需要的条件。 一彰汐 彭 荔寥 旁 彰 影 i 。 s p m k r m 图4 1 5 不同负荷下点火时刻对燃烧始点的影响 f i 9 4 15t h ev a r i a t i o no fb u mp o m w i t ht h ec o m p r e s s i o nr a t i ou n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d 第四章天然气发动机关键参数优化 4 2 4 点火时刻对燃烧持续期的影响 图4 1 6 为不同负荷条件下点火时刻对发动机燃烧持续期的影响规律( 这里定 义燃料燃烧1 0 - 9 0 的过程为燃烧持续期) 。从图中可以看出，不同负荷工况 下，随着点火时刻的推迟，燃烧持续期变长，尤其当点火时刻在2 5 0 c a 之后， 这一变化趋势更为明显。这对于提高燃烧效率是极为不利的。此外，在点火时刻 一定的条件下，随着负荷的增大，燃烧持续期缩短。这主要是因为负荷增大，节 气门开度增大，进入汽缸的可燃混合气增多，压缩终了时气缸内的温度和压力较 高，燃烧速度加快，从而缩短了燃烧持续期。 a ，j磊 一乞砻疹疹 钐 | r 一氏弋 苣；刍 洲t t r e e 图4 1 6 不同负荷下点火时刻对燃烧持续期的影响 f i 9 4 1 6t h ev a r i a t i o no f b u m d u r a t i o nw i t ht h ec o m p r e s s i o nr a t i ou n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d 4 2 5 点火时刻对缸内燃烧压力的影响 图4 1 7 为不同负荷条件下缸内燃烧压力随点火时刻的变化规律。从整体上 来看，点火时刻对发动机的燃烧过程有较大的影响。随着点火时刻的提前，缸内 的最高燃烧压力呈上升的趋势，且最高燃烧压力的出现时刻前移。此外，点火时 刻对燃烧前半周期的影响较大，对燃烧后半段( 上止点后3 0 度曲轴转角以后) 的影响较小。这些主要是因为点火时刻的提前，使得燃烧始点提前，整个燃烧过 程的重心前移，所以缸内最高燃烧压力上升和前移。虽然随着点火时刻的前移， 缸内最高燃烧压力增加，但是从图中也可以看到，发动机的压缩负功也在增加， 同时也会使爆震倾向加大、传热损失增加，因此应该综合考虑选取合适的点火时 刻。 臀邑斌鼋d-目曩量