馬鎮(zhèn)鎮(zhèn)， 劉瑞祥， 劉永啟， 鄭斌

(山東理工大學交通與車輛工程學院， 山東 淄博　255000)

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基于GT-Power的天然氣發(fā)動機爆震分析與研究

馬鎮(zhèn)鎮(zhèn)， 劉瑞祥， 劉永啟， 鄭斌

(山東理工大學交通與車輛工程學院， 山東 淄博255000)

為了改善增壓天然氣發(fā)動機的燃燒狀況、提高發(fā)動機的性能，對某發(fā)電用增壓天然氣發(fā)動機爆震現(xiàn)象進行研究。利用GT-Power軟件建立了增壓天然氣發(fā)動機整機仿真模型，通過模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比驗證了模型的準確性，然后在仿真模型中利用自主建立的爆震預測模型對天然氣發(fā)動機的性能和爆震現(xiàn)象進行了模擬計算，并對得到的數(shù)值結(jié)果進行分析。結(jié)果表明：隨著壓縮比的增加，發(fā)動機發(fā)生爆震的可能性增大，爆震開始時刻提前，爆震強度增大，燃氣消耗率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，壓縮比為13時，燃氣消耗率最小；隨著點火提前角的增加，發(fā)動機發(fā)生爆震的可能性增大，爆震開始時刻提前，爆震強度基本不變，燃氣消耗率變化趨勢是先減小后增大，當點火提前角為-21°時，燃氣消耗率最小。

天然氣發(fā)動機; 爆震; 性能模擬

天然氣具有儲存量大、有害物質(zhì)排放少、抗爆性能好等特點，是一種較為理想的替代燃料。由于天然氣的著火溫度較高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，容易造成天然氣發(fā)動機后燃嚴重、排氣溫度高、熱負荷大，從而導致天然氣發(fā)動機能耗增加、熱效率降低，使得天然氣發(fā)動機的動力性能與汽油機和柴油機相比有所下降[1]。優(yōu)化壓縮比和點火提前角對于提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性都有很大的作用[2]，但過高的壓縮比和過大的點火提前角容易引起發(fā)動機爆震。因此，在改善發(fā)動機性能的同時需要對發(fā)動機的爆震現(xiàn)象進行研究。

對于發(fā)動機爆震的研究一般是通過臺架試驗的方式來檢測發(fā)動機的爆震，近年來，隨著計算機數(shù)值模擬技術的不斷發(fā)展，許多學者開始利用數(shù)值模擬的方法對發(fā)動機的爆震現(xiàn)象進行研究。姚喜貴[3]等將焰前反應動力學模型與燃燒模型及湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ拖嘟Y(jié)合，預測了點火式天然氣發(fā)動機和汽油機的爆震發(fā)生時刻。肖茂宇[4]等利用雙區(qū)燃燒模型研究了中冷溫度對汽油機爆震的影響規(guī)律。Qin Yan[5]等研究了壓縮比對天然氣發(fā)動機爆震發(fā)生時刻的影響，并對發(fā)動機的壓縮比進行了優(yōu)化。胡春明[6]等利用自主研發(fā)的燃燒分析軟件對燃燒放熱率和時頻圖進行分析，提出了將爆震發(fā)生時特定頻帶內(nèi)的能量用帶通濾波后的放熱率積分值表示，用于表征爆震強度的方法，并對該方法的精確性進行了驗證。目前利用數(shù)值模擬對天然氣發(fā)動機爆震強度、爆震指數(shù)和爆震發(fā)生時刻變化規(guī)律進行綜合分析的研究比較少，本研究利用GT-Power軟件建立了某天然氣發(fā)動機仿真模型，研究了標定功率下壓縮比和點火提前角對天然氣發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的爆震發(fā)生時刻、爆震指數(shù)和爆震強度的影響規(guī)律及爆震強度與發(fā)動機性能之間的關系，對改善增壓中冷天然氣發(fā)動機的性能具有一定的指導意義。

1　發(fā)動機仿真模型的建立與驗證

本研究的研究對象是某8缸增壓中冷天然氣發(fā)動機，原機的基本參數(shù)見表1。

表1　發(fā)動機的基本參數(shù)

根據(jù)發(fā)動機的基本參數(shù)建立的增壓中冷天然氣發(fā)動機仿真模型主要包括渦輪增壓器、中冷器、氣缸和進排氣系統(tǒng)等部分。氣缸內(nèi)的幾何模型尺寸參照表1設置，燃燒模型采用準維雙區(qū)燃燒模型，并在模型中設置點火正時、點火位置、活塞幾何形狀等參數(shù)。傳熱模型采用Woschni傳熱模型，混合氣的形成方式為預混合。

為了驗證所建天然氣發(fā)動機仿真模型的準確性，將試驗測得的發(fā)動機在不同負荷下的扭矩、燃氣消耗量及排放特性等數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果進行了對比(見圖1至圖5)。

由圖1至圖5可以看出，發(fā)動機仿真模型的燃氣消耗率、扭矩、NOx排放量、CO排放量和HC排放量的模擬值與試驗值基本一致。其中燃氣消耗率最大誤差出現(xiàn)在小負荷段，其主要原因是在模擬過程中沒有考慮中冷器、節(jié)氣門等的節(jié)流損失和氣缸的輻射換熱損失，雖然發(fā)動機仿真模型模擬結(jié)果與發(fā)動機的實際工況不同，但是誤差值都保持在5% 以內(nèi)，能夠達到較高的計算精度，所以可以用該發(fā)動機仿真模型來模擬研究發(fā)動機的實際工況。

圖1　燃氣消耗率試驗值與模擬值對比

圖3　NOx排放試驗值與模擬值的對比

圖4　CO試驗值與模擬值對比

圖5　HC試驗值與模擬值對比

2　爆震數(shù)學模型

壓縮比和點火提前角的改變都會對發(fā)動機的性能和爆震趨勢產(chǎn)生很大的影響，為了能夠更好地了解這些因素對于發(fā)動機性能和爆震的影響規(guī)律，可以在湍流燃燒模型中嵌入一個爆震預測模型對發(fā)動機仿真模型進行爆震現(xiàn)象分析[4]。在GT-Power中嵌入爆震預測模型時需要對爆震預測模型進行調(diào)試，使爆震預測模型對發(fā)動機爆震現(xiàn)象的預測結(jié)果與發(fā)動機試驗發(fā)生爆震現(xiàn)象的結(jié)果相符合，從而能夠在發(fā)動機參數(shù)變化時能夠準確地預測發(fā)動機爆震現(xiàn)象的發(fā)生，其中爆震預測模塊調(diào)試流程見圖6。

圖6　爆震監(jiān)測模塊調(diào)試流程

本研究采用的爆震預測方法是經(jīng)驗自燃誘導時間統(tǒng)計法，這個方法是來源于阿列紐斯(Arrhenius)函數(shù)，通過給定混合氣的幾個重要的相關參數(shù)如壓力、溫度等，來預測混合氣自燃的時間。自燃時間的計算公式為

(1)

式中：τ為誘導時間；IVC為進氣門關閉的時間，即缸內(nèi)終燃混合氣開始進行壓縮的曲軸轉(zhuǎn)角；thkn為自燃發(fā)生時刻的曲軸轉(zhuǎn)角，當時間積分T=1時認為缸內(nèi)混合氣產(chǎn)生自燃。誘導時間τ可以通過經(jīng)驗公式獲得，本研究采用得到廣泛應用的Douaud和Eyzat公式[7]來進行計算：

(2)

式中：P，A均為與燃料物理性質(zhì)有關的常數(shù)，其中P=1.9，A=1.012；ON為燃料的辛烷值，ON=130；p為瞬時的缸內(nèi)壓力；Tu為未燃氣體瞬時的溫度。通過聯(lián)立式(1)與式(2)可以計算出自燃發(fā)生的時刻，同時判斷出未燃混合氣是否在火焰正常傳播過來之前發(fā)生自燃產(chǎn)生爆震。

在GT-Power爆震預測模型中，模型的輸出參數(shù)為爆震指數(shù)KI、爆震發(fā)生的時刻和爆震強度[8]。爆震強度是指在爆震開始時氣缸內(nèi)未燃氣體的質(zhì)量分數(shù)。爆震指數(shù)主要是用來表征發(fā)動機發(fā)生爆震的可能性，可以通過改進的爆震指數(shù)公式[9-10]進行計算：

max[0,(1-(1-Φ)2)]×τ。

(3)

式中：km，V1分別表示爆震開始時刻缸內(nèi)未燃氣體的質(zhì)量分數(shù)和缸內(nèi)體積，發(fā)生爆燃后未燃氣體全部參與爆燃，因此km即為參與爆燃的燃料質(zhì)量分數(shù)；VTDC表示燃燒室的容積；Ta為反應激活溫度；Tu為瞬時的未燃氣體溫度。

3　壓縮比和點火提前角對發(fā)動機性能和爆

震現(xiàn)象的影響規(guī)律

壓縮比和點火提前角對氣缸壓力和燃料開始燃燒的時刻有很重要的影響，通過改變壓縮比和點火提前角可以調(diào)整燃料燃燒的放熱速率、氣缸內(nèi)的溫度和壓力，從而調(diào)整發(fā)動機的爆震趨勢。利用GT-Power爆震預測模塊來研究不同壓縮比和點火提前角對發(fā)動機爆震現(xiàn)象和發(fā)動機性能的影響。

3.1壓縮比的影響

由圖7、圖8和圖9可以看出，當壓縮比小于11時發(fā)動機未發(fā)生爆震現(xiàn)象，當壓縮比大于等于11時，發(fā)動機發(fā)生爆震現(xiàn)象,并且隨著壓縮比的增加發(fā)動機的爆震指數(shù)增大，即發(fā)動機爆震的可能性逐漸增大，爆震發(fā)生的時刻提前并且爆震的強度也增大。隨著壓縮比的增大，氣缸內(nèi)的燃燒壓力增大，燃燒速率加快，燃燒過后的氣體溫度升高，導致氣缸的爆震趨勢明顯增大，爆震發(fā)生時刻提前，并且爆震強度增大。由于強烈爆震對發(fā)動機的性能危害較大，所以在利用壓縮比改善發(fā)動機性能時需要盡量避免發(fā)動機產(chǎn)生強烈爆震。通過降低壓縮比可以降低氣缸最高燃燒壓力，進而降低爆震趨勢。

由圖10可以看出，隨著壓縮比的增大，發(fā)動機燃氣消耗率的變化趨勢是先降低后升高，當壓縮比為13時燃氣消耗率最小。原因是隨著壓縮比的增大，氣缸內(nèi)的壓力和溫度不斷升高，氣體流動性增強，有利于提高燃燒速度和燃燒效率，因此燃氣消耗率不斷降低。但過高的壓縮比會導致燃料的爆燃可能性增大，造成氣缸內(nèi)燃料燃燒狀況惡化，燃料的燃燒效率下降，從而使發(fā)動機的燃氣消耗率增大。

圖7　壓縮比對爆震指數(shù)的影響規(guī)律

圖8　壓縮比對爆震開始時刻的影響規(guī)律

圖9　壓縮比對爆震強度的影響規(guī)律

圖10　壓縮比對燃氣消耗率的影響規(guī)律

由圖11可以看出，隨著壓縮比的增大，NOx的排放量不斷增大。其主要原因是隨著壓縮比的增加，發(fā)動機氣缸內(nèi)壓力和溫度不斷增大，此時，混合氣體中具有較充足的氧氣，從而造成NOx的排放量不斷增大。

圖11　壓縮比對NOx排放量的影響規(guī)律

由圖12和圖13可知，壓縮比的變化對CO排放量和HC排放量的影響非常小。其主要原因是在發(fā)動機稀燃狀態(tài)下，壓縮比的改變對排氣溫度的影響和對混合氣含氧量等方面的影響較小，因此，壓縮比改變后，發(fā)動機的CO排放量和HC的排放量基本沒有變化。

圖12　壓縮比對CO排放量的影響規(guī)律

圖13　壓縮比對HC排放量的影響規(guī)律

由圖14可以看出，隨著壓縮比的增大，氣缸壓力不斷增大。氣缸壓力過大會造成發(fā)動機燃料的爆燃，不僅對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性造成影響，還會嚴重影響發(fā)動機的使用壽命。

圖14　壓縮比對氣缸壓力的影響規(guī)律

由圖15可以看出，隨著壓縮比的增大發(fā)動機的扭矩先增大后減小。其主要原因是在壓縮比較小時，隨著壓縮比的增大，氣缸內(nèi)燃料燃燒速度加快，膨脹做功增大，發(fā)動機扭矩增大；當壓縮比過大時，隨著壓縮比的增大，燃料燃燒狀況不斷惡化，并會出現(xiàn)嚴重爆燃現(xiàn)象，使得發(fā)動機的扭矩不斷下降，并對發(fā)動機造成嚴重損壞。

圖15　壓縮比對扭矩的影響規(guī)律

3.2點火提前角的影響

圖16、圖17、圖18分別示出了標定功率下點火提前角對爆震指數(shù)、爆震開始時刻和爆震強度的影響規(guī)律。當點火提前角小于27°時未發(fā)生爆震現(xiàn)象，當點火提前角大于等于27°時發(fā)動機發(fā)生爆震現(xiàn)象，并且隨著點火提前角的增大爆震的趨勢明顯增大，爆震發(fā)生時刻提前，爆震強度增大。隨著點火提前角的增大，氣缸內(nèi)燃料的燃燒始點提前，導致氣缸壓力峰值出現(xiàn)的位置提前，氣缸壓力增大，燃燒速率加快，所以發(fā)動機的爆震開始時刻提前，爆震的強度也增大。

圖16　點火提前角對爆震指數(shù)的影響規(guī)律

圖17　點火提前角對爆震開始時刻的影響規(guī)律

圖18　點火提前角對爆震強度的影響規(guī)律

由圖19可以看出，隨著點火提前角的增大，燃氣消耗率呈現(xiàn)的變化趨勢是先減小后增大，當點火提前角為-21°時燃氣消耗率最小。

圖19　點火提前角對燃氣消耗率的影響規(guī)律

由圖20可以看出，隨著點火提前角的提前，NOx排放量也逐漸升高。主要原因是隨著點火提前角的增大，燃料的燃燒始點不斷提前，活塞到達上止點前燃料的燃燒比例增大，氣缸內(nèi)的壓力和溫度不斷升高，從而使NOx的排放量不斷增大。

圖20　點火提前角對NOx排放量的影響規(guī)律

由圖21可以看出，隨著點火提前角的提前，CO的排放量基本沒有太大變化。主要原因是CO的生成主要受混合氣的含氧量以及混合氣的均勻程度等影響，而點火提前角的變化不能改變這些因素，因此點火提前角的變化對CO的生成基本沒有影響。

圖21　點火提前角對CO排放量的影響規(guī)律

由圖22可以看出，隨著點火提前角的提前，HC的排放量基本沒有太大變化。其主要原因是HC的生成主要受排氣溫度影響，此時氣缸內(nèi)的燃料燃燒屬于稀燃狀態(tài)，隨著點火提前角的提前，排氣溫度的變化較小，所以對HC的排放量的影響較小。

圖22　點火提前角對HC排放量的影響規(guī)律

由圖23可以看出，隨著點火提前角的增大氣缸壓力不斷增大。其主要原因是隨著點火提前角的增大，燃料的燃燒始點提前，在活塞到達上止點之前燃料燃燒的比例不斷增加，使得氣缸內(nèi)壓力不斷增大。

圖23　點火提前角對氣缸壓力的影響規(guī)律

由圖24可以看出，隨著點火提前角的增大，天然氣發(fā)動機的扭矩先增大后減小。其主要原因是隨著點火提前角的增大氣缸內(nèi)壓力增大，燃料的燃燒效率提高，發(fā)動機扭矩不斷增大，當點火提前角過大時，燃料在活塞到達上止點之前燃燒的比例過大，從而活塞上行所做的負功過大，導致發(fā)動機的扭矩開始下降。

圖24　點火提前角對扭矩的影響規(guī)律

通過分析壓縮比和點火提前角對發(fā)動機性能和爆震的影響可以看出，在一定的范圍內(nèi)，隨著爆震強度的增大，發(fā)動機的扭矩增大，燃氣消耗率降低。因為輕微爆震能夠促進氣缸內(nèi)燃料的燃燒，改善發(fā)動機的燃燒特性，提高發(fā)動機的性能，因此在一定范圍內(nèi)可以通過對壓縮比和點火提前角進行優(yōu)化來改善發(fā)動機的性能。

4　結(jié)論

a) 隨著壓縮比的增大，爆震可能性增大，爆震開始的時刻提前，爆震強度也增大，燃氣消耗率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢;

b) 隨著點火提前角的增大，發(fā)動機的爆震可能性增大，爆震開始時刻提前，爆震強度基本不變，燃氣消耗率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，NOx排放量不斷增大，點火提前角過大會造成發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性下降。

[1]肖紅.直噴式天然氣發(fā)動機性能模擬研究與優(yōu)化[D].成都:西南交通大學,2014.

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[10] GT-ISE user’s manual[M].[S.l.]：Gamma Technologies，2004.

[編輯：姜曉博]

Study and Analysis on Knock of Natural Gas Engine Based on GT-Power

MA Zhenzhen, LIU Ruixiang, LIU Yongqi, ZHENG Bin

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo255000, China)

In order to improve the engine combustion status and performance, the knock phenomenon of turbocharged natural gas engine for power generation was researched. The simulation model of the whole engine was built with GT-Power software and verified by comparing the simulation data and test data, then the simulation and calculation of engine performance and knock phenomenon were conducted with the self-built knock prediction model, and the numerical results were finally analyzed. The results show that the possibility of knock increases, the knock timing advances, the knock intensity increases, the specific gas consumption first decreases and then increases with the increase of compression ratio. The specific gas consumption is the minimum when the compression ratio is 13. With the increase of ignition advance angle, the knock characteristics keep the same changes as with the compression ratio except the knock intensity. The specific gas consumption is the minimum at the ignition advance angle of -21°.

natural gas engine； knock； performance simulation

2016-04-11；

2016-06-04

馬鎮(zhèn)鎮(zhèn)(1989—)，男，碩士，主要研究方向為天然氣發(fā)動機性能模擬與研究；mazhenyouxiang@163.com。

劉瑞祥(1963—)，男，教授，主要研究方向為動力機械測試及電子控制技術、動力機械工作過程及數(shù)值模擬和動力機械及工程的熱傳遞過程；lrxdlut@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.009

TK431

B

1001-2222(2016)05-0043-07