CNG发动机燃烧氢气燃料的性能模拟计算

前 言内燃机问世一百多年来，人们为了研制出既经济又环保的发动机做了不懈的努力，取得了巨大的成就。目前汽车的能源消费占世界能源消费总量的四分之一，未来几十年内汽车的数量还会继续增加。现在世界的石油消耗量逐年提高，必将导致石油资源的短缺。另外以石油为原料制得的汽油和柴油在燃烧时会产生CO，HC和CO2，对人类生存的环境造成了极大的危害。现在人们已经成功地将氢、液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)、乙醇、二甲醚等代用燃料应用到了发动机上。氢燃料的性能优于碳氢燃料。同矿物燃料相比，氢具有发热量大火焰传播速度快、着火界限宽、点火能量小等优点；氢造成的污染小。氢在空气中燃烧产生水和极微量的一氧化氮。鉴于以上优点，氢被认为是最具前景的汽车发动机代用燃料。氢作为发动机燃料主要有两种形式：一种是通过氢的离子化转化成电能，通过燃料电池实现；另一种是通过氢的燃烧从化学能转化成机械能，由内燃机实现。燃料电池与传统内燃机相比有着明显的优势，体现在：燃料电池的生成物是水，接近于零排放；不受卡诺循环效率的限制，能量转换效率高；燃料电池中没有运动部件，噪声明显低于传统内燃机；过载能力强，设计方便，但燃料电池的价格昂贵，基础设施及维护人员缺乏等问题制约了燃料电池的产业化。相对于燃料电池，氢内燃机更容易实现。传统的汽油机不作大的改动就可以燃烧氢气，且氢气各项性能优越，因此氢内燃机备受科学家们的青睐。在国内外许多专家都对氢气发动机进行了研究，在国外，福特公司在压缩比分别为10，125，145，153的Ford P2000的氢内燃机上进行了性能实验。最大转矩主要受压缩比、点火时刻、充量系数和发动机转速影响，但早燃限制了转矩的增加。采用节流和降低压缩比可适当增大当量空燃比，但由此带来的转矩减少比空燃比增大带来的转矩增加要大。中低转速时，氢内燃机(压缩比为145)转矩比汽油机小35 ，大负荷时早燃严重，转矩比汽油机小50 。NO 排放受当量空燃比 影响很大， 大于05时NO 排放急剧增加 。国内，我国氢内燃机的研究始于2O世纪8O年代初。浙江大学、天津大学、吉林工业大学、包头冶金研究院、北京有色金属研究所、北京石油大学都先后进行过汽油掺烧氢的研究。天津大学、天津内燃机研究所及内燃机燃烧学国家重点实验室的研究显示通过喷水和废弃再循环可以有效地抑制氢内燃机的异常燃烧；吉林工业大学内燃机研究所在汽油掺烧氢的研究中发现这样可同时提高发动机性能及降低废气排放 。上海交通大学进行了燃氢发动机稳态工作过程模拟及有害物排放方面的研究。分别以汽油机和涡轮增压柴油机为原型建立了氢发动机模型，编制了计算机数学模拟程序，分析了缸内参数及工作参数对发动机性能的影响，针对氢内燃机的回火问题设计了喷氢阀和控制系统，分析了氢内燃机的异常燃烧和NO 排放。本设计的研究课题是CNG发动机燃烧H2燃料的性能模拟计算，结合科研的专题研究。文章第1章是绪论，讲述了汽车发动机的代用燃料及其燃烧特点、氢气发动机的研究现状氢气发动机的前进分析。第2章简述了CNG发动机模型以及该模型所用到的AVL BOOST理论知识，为后面的模型校核和燃烧分析奠定理论基础。第3章是CNG发动机模型的校对，根据已知的试验数据来对两个工况下（1200、2000）的CNG发动机进行校核，模型校对后说明CNG发动机的性能，方便后面与燃烧氢气作为比较。第4章是CNG发动机燃烧氢气性能测试，并燃烧天然气比较。第5章讲述了氢气发动机的点火提前角和过量空气系数的调节规律，在不同的过量空气系数的情况下（1.0、1.2、1.5、2.0、2.5）改变点火提前角，通过AVL BOOST模拟计算，求得最高的热效率点，此时的点火提前角便是最佳点火提前角。通过本题的研究，让我收获许多。在此过程中，我通过图书馆、教科书、网络等资源查阅了许多与之相关的文献，让我了解更多，视野更加广阔。对以往的专业知识也有所巩固。基本学会应用AVL BOOST软件，熟悉界面，了解到它的应用范围，相信这对我以后的工作有所帮助。 由于本人知识有限，在本次设计中，错误在所难免，欢迎各位读者批评指正。目录中文摘要英文摘要第1章 绪论11.1 引言11.2 代用燃料11.2.1 天然气与石油气11.2.2 醇类燃料21.2.3 二甲醚21.2.4 植物油31.2.5 氢气燃料3 1.3氢气发动机的研究现状41.3.1国外的研究现状41.3.2国内的研究现状4 1.4 氢气发动机面临的问题51.4.1 氢气发动机自身存在的问题及解决方法51.4.2 氢气发动机发展中存在的问题51.5 氢气发动机的前景分析6第2章 建立CNG发动机模型72.1 AVL BOOST软件简介72.2 建立CNG发动机模型82.3 该CNG发动机模型采用的运算方法82.4 本章小结10第3章 校正CNG发动机模型11 3.1 1200工况的校正113.1.1 对缸压，流量，功率的影响113.1.2 对缸压，流量，功率的影响133.1.3 燃烧持续期、形状参数m153.1.4模型校正结果163.1.5 1200时 CNG发动机的性能173.2 2000工况的校正173.2.1 需调整参数的设定17 3.2.2 模型校正结果193.2.3 2000时 CNG发动机的性能193.3 本章小结20第4章 CNG发动机燃烧H2燃料224.1 1200工况下H2燃料燃烧234.2 2000工况下H2燃料燃烧244.3 本章小结26第5章H2发动机点火提前角、空燃比的调节规律285.1 燃烧持续期估算295.2 1200工况下空燃比和点火提前角的调节规律295.2.1 时的最佳点火提前角305.2.2 时的最佳点火提前角325.2.3 时的最佳点火提前角335.2.4 时的最佳点火提前角345.2.5 时的最佳点火提前角365.3 2000工况下空燃比和点火提前角的调节规律375.3.1 时的最佳点火提前角375.3.2 时的最佳点火提前角385.3.3 时的最佳点火提前角395.3.4 时的最佳点火提前角405.3.5 时的最佳点火提前角425.4 本章小结43第6章：全文总计与展望446.1 全文结论446.2 展望45致 谢46参 考 文 献47摘 要随着石油资源的日益短缺和生态环境的不断恶化，开发清洁的汽车代用燃料是我们当前的一项重要任务。氢燃料发动机是汽车利用氢气的一种主要形式。氢燃料发动机燃烧速度快，着火界限宽。氢气发动机集柴油机的高热效率和汽油机的高转速于一身，是个非常理想的系统。本文的主要内容是：首先在AVL BOOST软件中建立好CNG发动机模型，根据试验数据调试模型。然后用该模型燃烧不同的燃料（压缩天然气和氢气）进行发动机的性能对比。最后根据氢气的燃烧特性选取不同的过量空气系数（1.0、1.2、1.5、2.0、2.5）进行燃烧分析，在每一个过量空气系数情况下，改变点火提前角，求得每一个点火时刻所对应的热效率值，最高的热效率值所对应的点火提前角就为最佳点火提前角，其动力性和经济性都达到最佳。研究结果表明：同一工况下，在氢气的着火界限内，氢气发动机的混合气越稀，其最佳点火提前角就越大，点火提前。负荷一定，转速增加，同一空燃比下的最佳点火提前角也增大。此规律可以为合理组织氢内燃机的燃烧提供依据。关键词： 氢气发动机 热效率 过量空气系数 最佳点火提前角ABSTRACTWith the shortage of petroleum resource and the deterioration of ecological environment ,a signficant task for us at present is to exploit the clean alternative fuels for vehicles. Hydrogen fuel engine is a main form of cars using hydrogen. Hydrogen fuel engine is burning speed and has a wide fire boundary. Hydrogen engine sets of high heat efficiency of diesel engine and a high speed of gasloine engine , It is a very ideal system. The main content of this article is: firstly, building model of CNG engine in AVL BOOST, and commissionimg model According to the experimental data. Secondly, burning of different fuels (compressed natural gas and hydrogen) to compare the performance of the engine with the model. At last, On the combustion properties of hydrogen to select different coefficient of excess air (1.0 、1.2、1.5、2.0、2.5)for combustion analysis. In each case of excess air ratio, changing the ignition advance angle, and obtaining corresponding values of thermal efficiency each time. the ignition advance angle which the maximum value of the thermal efficiency is corresponding to is the best The results show that :At same conditions, and in the ignition limit of hydrogen, as to the hydrogen engine, the more dilute mixture, the greater the optimal ignition timing, this is ignition advance. Load certain, with the increase of the speed, the best ignition advance angle also increases under the same air-fuel ratio. This rule can provide the basis for rational organization combustion of the hydrogen engine.Kewords: Hydrogen engine, Hhermal efficiency, Excess air ratio, Best ignition advance angle- -第1章 绪论1.1 引言21世纪世界各国将要共同面对环境污染日趋加剧和石油资源日益短缺的问题，各国政府、企业界和学术界也比以往任何时候都清醒地意识到解决这2个重大问题的迫切性，现在各国都在寻找替代能源，大力发展低污染、节能的“清洁燃料”汽车，用以解决所面临的问题。天然气是一种较为理想的车用发动机替代燃料，尤其是采用稀薄燃烧方式时，更有利于天然气发动机利用提高燃料经济性能与排放性能1。而氢能作为21世纪的绿色能源，由于其清洁，便于储存和资源丰富的特点，在未来可持续能源中占有重要地位。氢和含氢燃料发动机的研究对我国发展新一代车用代用燃料技术具有重要意义。使用氢燃料的汽车主要有燃料电池汽车和氢内燃机汽车2种。燃料电池汽车价格高、体积大、冷启动性能差，以及高负荷运行时效率低，续驶里程及寿命有限等不足，短期内很难达到大规模使用水平等。而发展氢内燃机相对来说更容易实现，氢燃料内燃机工作原理和点燃式内燃机相同，只需对传统内燃机做一些修改，此外，氢内燃机对氢气纯度的要求也没有燃料电池那么严格，而且在内燃机应用方面，人类已经拥有了大量的经验，且使用成本只相当于燃料电池的一小部分。因此是最经济实用的车用氢能应用解决方案2。氢气作为内燃机燃料,既具有清洁、可再生的特点,又具有较高的热效率,为解决能源和环境问题开辟了一条可发展之路3。1.2 代用燃料简介49从能源的可再生角度看，汽车的待用燃料可分为两类：一类是不可再生的燃料，如液化石油气、压缩天然气、二甲基醚等；另一类是可再生的燃料,如氢气、植物油等1.2.1 天然气与石油气天然气和石油气是两种主要的汽车气体燃料，在汽车的使用时，常以压缩天然气和液化石油气的形式出现，由于气体燃料丰富、燃烧清洁、随着石油资源的枯竭和保护环境的日益严格，同时随着电控技术和液化、高压缩比等技术的成熟，燃气汽车得到了较大的发展。压缩天然气汽车（CNGV）、液化石油气汽车（LPGV）有如下特点：（1） 由于热值高、辛烷值高、燃烧完全、热效率高，因此汽车的经济性好；（2） 排污少，特别是CNGV；（3） 由于天然气能量密度低，CNGV动力性差，就气瓶占有空间大；（4） 发动机维修成本低，使用寿命长，总体上燃料价格便宜；（5） 加气网络的建设投资大。1.2.2 醇类燃料醇类燃料是指甲醇和乙醚。20世纪七十年代以来，醇类燃料已得到了相当多的应用，如巴西盛产甘蔗、制取乙醇的原料丰富，部分汽车上掺烧的乙醇有20%；目前，美国部分商用汽车有10%的乙醇，美国加州约有1/3的汽车使用过甲醇。如汽车上标有M15字样，表示燃料中甲醇占有15%，E5表示乙醇占有5%。我国目前广泛使用乙醇汽油为E10。醇类燃料的特点有：（1） 醇类分子含有氧，易于完全燃烧；（2） 自燃温度和辛烷值高，允许发动机有较高的压缩比，故热效率高；（3） 着火界限宽，火焰传播速度快，可采用稀燃技术，循环波动小，因而经济性好；（4） 沸点低，蒸气压高，易于燃料管道内产生气阻，汽化潜热大，低温启动性较差；（5） 甲醇有毒，可刺激眼结膜，也可通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体，产生毒害。在柴油车上使用醇类燃料需对发动机进行改造，以适应柴油机和乙醚不可能互溶和适应醇类燃料的十六烷值低、着火性能差、自然温度高，压燃难，汽化潜热大，着火延迟期长等特性。目前，国内外正在研究使用柴油和乙醇互溶的助燃剂，生成柴油醇（Diesohol）。1.2.3 二甲醚二甲醚也称二甲基醚（DME），DME是一种是一种无色气体或压缩液体，具有轻微醚香味。常温下蒸气压约为0.5MPa，与石油液化气（LPG）相似。在保持动力性、经济性的前提下，燃用DME,碳烟排放为零，NOX、CO、HC、PM排放达到了ULEV（超低排放）标准，还可以用更大的废气再循环来进一步降低NOX,使用DME还可以使发动机噪音降低10dB（A）15dB(A)。DME可以以煤、天然气、生物有机物等原料组合生成（CO、CO2和H2），然后通常以二部进法先取得甲醇，进一步脱水制取二甲醚，最近，丹麦Topsoe公司成功开发出以天然气为原料产生合成气，又合成气进一步高效制备DME的工艺，可以降低DME的生产成本。根据我国煤炭资源较为丰富的特点，开发从煤衍生成待用燃料DME，对减少大气污染，降低汽车对石油燃料的依赖，具有重要意义。影响二甲醚推广使用的主要是生产、储存、销售和分配供应系统的建立。1.2.4 植物油植物油是世界上大量存在的可再生能源，主要成分分为饱和脂肪酸和甘油酯。我国西南地区曾以当地的菜籽油和乌柏油作为农用柴油机的燃料。美国给过剩的植物油找出路，用花生油、向日葵油与柴油（1：1）混合作为燃料在直喷式柴油机上进行实验，结果是植物油作为发动机燃料，其功率较为柴油机高出6%，但油耗高出20%，柴油机以植物油与柴油的混合燃料燃烧时的热效率稍低，排放物中HC含量高于柴油的排放，二CO的排放高出一倍，我国一些内燃机工作者所做的台架试验表明，其动力性及经济性与燃用柴油时基本相当，但排放物中的烟度浓度大大下降。使用植物油作燃料易堵塞燃油滤清器，而且喷油嘴和燃烧室内的积碳增多，为避免此缺点，美国学者建议将植物油转化为脂肪酸甲脂或乙脂，使其挥发性接近柴油，其他性能与柴油相当。1.2.5 氢气燃料氢能是一种可以再生的无机燃料，他可以用一次性能源，特别是核能和太阳能将水直接分解来获得。氢燃烧后产生的水蒸气又可以重新恢复为水，这种水-氢/氧-水之间永久循环，使氢成为最理想的能源。氢气具有如下特点：（1） 在所有化学元素中，氢重量最轻。在标准状态下，其密度为0.0899g/l,在-252.7C时，可成为液体；（2） 氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态存在于水中，而水是地球上最为广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总能量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。（3） 氢的单位质量放热量为120975KJ/kg,约为汽油放热量的2.8倍多；（4） 氢燃烧性好，氢的火焰传播速度比石油燃料的火焰传播速度快很多，而且燃烧后的生成物具有更高的温度；（5） 氢混合气最小点火能量为0.02MJ，只为汽油混合气点火能量的1/10；（6） 氢气比汽油有更宽的着火界限，在过量空气系数为0.53.5范围内都可以正常燃烧，并且不会产生明显的循环波动。采用稀燃、速燃技术，不但提高了经济性，而且降低了缸内温度，抑制了NOX的产生。但是燃用很稀的混合气，会使燃烧推后，缸内残余气体温度高，易发生早燃；（7） 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量NOX外不会产生诸如CO、CO2、HC、铅化合物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化轻经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水可以继续制氢，反复循环使用；（8） 氢能利用形式很多，氢可以通过产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢替代煤和石油，不需要现有的技术装备做重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用；（9） 氢可以气态、液态或固态的金属氢化合物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。由于自然界中存在天然的氢气，氢气的制备要消耗能源，也会产生污染。因此也有学者认为氢气是能源的载体，不是能源，氢气燃料的利用，要从我国国情出发，对于污染严重的城市，可以利用氢气燃料，实现能源利用多元化，改变污染区域分布，有利于污染集中处理。1.3 氢气发动机的研究现状【101.3.1国外的研究现状20世纪后期以来，美国、德国、日本和俄罗斯等国家对氢气燃料发动机的研究热潮逐渐兴起，持续至今。这一阶段的研究主要集中在燃烧机理的研究和对燃烧规律的认识，但发动机异常燃烧和提高功率及降低NOx的矛盾始终困扰着研究的进展。进入21 世纪以来，传统燃料发动机的电控技术逐步实用化，具有优化控制特征的燃料直接喷入燃烧室内的混合气形成方式的研究逐步受到重视，为解决发动机异常燃烧和提高功率及降低NO的矛盾提供了新的思路和方法。世界上一些汽车公司一直都致力于氢内燃机研究，并投入使用，像MAN 公司在1996年就生产出第一代氢内燃机公共汽车投放于德国Erlangen运行；宝马公司更是对氢气发动机汽车产品进行了10多年的开发，多次展出自己研发的氢气燃料汽车，2003 年已有多辆宝马牌750hL 氢气发动机汽车在柏林市投入使用；Ford 公司在氢内燃机的研究方面也取得了很大成就，他们研究成功的氢内燃机车型包括P2000，Focus C-M3XH2ICE以及新款U 型概念车等。其中新款U型车采用氢内燃机混合电力驱动，2.3L 4 缸直喷内燃机，当量燃油消耗量低于5L/100km，燃油效率比汽油机提高25%，可提供483km 的续行里程，同时达到近零排放，CO减少99%。1.3.2 国内的研究现状我国氢能的研究起步较晚，氢气发动机的研究开始于20 世纪80年代初。包头冶金研究、北京有色金属研究所、天津大学都先后进行了内燃机燃氢的实验研究。上海交通大学曾进行过柴油机加氢的双燃料内燃机实验研究，效果较好，现在还在进行燃氢发动机和汽油机的车用性能对比和分析，氢气发动机循环的热力学分析及其变化特征和涡轮增压氢气发动机工作过程的特征和变化等方面的研究。西安交通大学曾进行过“氢燃烧和动力循环的研究”和“氢燃烧流场的研究及氢火焰性实验方法性能评价”等课题的研究。浙江大学曾与日本武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验研究，他们采用缸内直接喷射，并用模糊神经网络控制，研究认为氢气发动机的异常燃烧、动力增加及NOx减少在很大程度上取决于正确的喷氢系统、喷射正时及点火正时。另外，浙江大学新材料所与内燃机所合作，成功地改装了一辆燃用氢、汽油混合燃料的中巴车。吉林工业大学内燃机研究所在对汽油机的掺氢燃烧的实验研究中发现了这样可以对发动机的性能改善及废气排放物的降低起到了良好的作用。1.4 氢气发动机面临的问题111.4.1 氢气发动机自身存在的问题及解决方法氢气发动机自身存在的问题氢气作为很有前景的一种代用燃料，由于它的特殊性质，使得作为发动机燃料时会出现氢燃料低点火能量所导致的进气管回火和缸内早燃，以及经由活塞环渗漏到曲柄箱的氢气产生爆炸等问题。使得氢气发动机正常工作遭到破坏。解决方法根据氢气发动机自身存在的问题，可采用以下主要措施予以解除或缓解。(1) 采用特殊的喷射技术，尽可能地减少进气行程期间在进气管中残留的氢气，以抑制回火。(2) 各缸独立点火、降低点火能量并降低火花塞的热容值，以抑制早燃。(3) 控制曲柄箱的压力，将含氢气体适时导出，以避免曲柄箱氧压过高导致爆炸。(4) 采用高性能的电子控制系统对控制参数和运行参数进行优化控制。1.4.2 氢气发动机发展中存在的问题要使氢气燃料在汽车上大量使用，使氢能得以广泛推广，还会面临着2个主要问题：一是使用氢能的设备价格昂贵，制取氢的成本太高；二是车上储带氢不方便，使用气态储氢，能量密度较低;使用液态储氢，要求超低温、储罐成本高，且蒸发损失大。当前，氢的制造通常有2 种办法，一种是利用煤炭、石油、天然气提取炭氢化合物；另一种是直接利用水制取。我国“973”计划项目中，有利用太阳能进行规模制氢的基础研究，目前已在西安交通大学启动。近来，武汉工业大学原校长素润章提出，利用我国丰富的水电资源，以电解水制氢，可以达到制氢成本与汽油成本大体相当，达到低成本，规模化制要求，目前已开展试点工作。关于氢的储存方法，最简单的是使用高压氢气瓶，但体积太大，只能在大客车上应用，而更先进的办法是应用含钛合金板制成的储氢箱，用以储存液态氢。B M W 研制一种较实用的储氢箱，强度很高，结构很像保温瓶，箱体由两层隔热板制成，中间抽点空，并装有防撞装置和高受热时少量自动排出装置，而最先进的储氢技术是利用纳米碳素纤维来储存氢气，目前该项技术正在加速研制中。此外，新能源汽车在上牌、安全性能、排放等方面还没有制定相关标准，这些问题都有待解决。1.5 氢气发动机的前景分析2氢燃料因其在能源和环保方面的独特优势，极有可能成为未来汽车发动机的主导燃料。目前，以宝马、通用与丰田这样的汽车大公司为代表，确定了优化现有发动机-混合动力- 氢动力三步走的技术发展路线。我国的主流汽车企业也都制定了远近结合的新能源发展战略，把氢动力、燃料电池当作长期目标，把混合动力作为近期的研发重点。客观地说，国内汽车企业在节能环保型汽车研发上并没有核心技术，退一步说，在传统汽车技术上，我们的核心技术也不强。如果单单就技术差距来说，像混合动力车、燃料电池车等节能环保型汽车，反倒是我们与跨国汽车公司差距最小的领域。中国已在一些氢能源研究开发及应用示范项目上，取得了一些关键技术上的显著进展，我国完全可以采取“蛙跳战略”，大力发展氢能源经济。（1）应用并部署氢燃料站和氢燃料汽车，开发散布式供氢系统。（2）对氢燃料实行大规模化制作，使进入商品化运作和供应渠道，建设地区性氢能网络。（3）利用并部署可再生资源和核能的氢生产，建设和启用管道网等氢能基础设施。（4）使氢能应用不仅在运输方面，还在居民生活领域上占主导地位，让氢能成为与电同等重要的终端使用能源。如果这样，中国便已经推开了氢能走向社会可持续发展的窗口，开辟了属于中国汽车产业及社会新能源的天空。第2章 建立CNG发动机模型2.1 AVL BOOST软件简介12BOOST用来模拟各种类型发动机的工作过程,如四冲程或二冲程,火花塞点火或自动点火。应用范围从小型的摩托车或工业用发动机到大型的海上推进器用发动机。BOOST还可以用来模拟空气动力系统的特性。BOOST程序包含有一个交互的预处理程序,它用来准备主计算程序的数据输入。结果分析由一个交互的后处理程序完成。AVL工作空间图形用户界面一个新的预处理工具的特点是模型编辑和指导数据输入。通过点击鼠标从所显示的元件树上选择需要的元件,并用管元件将它们连起来,发动机的计算模型即被建立起来。用这种方式, 即使是很复杂的发动机配置也可以容易的建立模型，因为有大量的元件可被应用。主程序对所有可用元件提供最优模拟计算。管道中的流动被视为一维,这就意味着从解气体动力方程所得到的压力、温度和流速代表着管道横界面的平均值。由于三维流动影响导致的处于发动机特殊部位的流动损失由适当的流动系数来修正。如果需要对三维流动作详细考虑,可以连接到AVL的三维流动模拟程序FIRE中进行。这就是所说,发动机关键部位的多维模拟可以和其它地方的一维模拟结合起来。该特点对于气缸里的进气运动,二冲程发动机的扫气和复杂的消音元件的模拟具有特殊用处。PP2和PP3后处理工具用来分析模拟计算所得到的大量数据。所有结果都可以和测量得到的或先前计算的结果进行比较。另外，还可以对所选择的结果进行形象的显示，以研究用户问题的最佳解决方案。报告样板可以用来帮助准备报告。内燃机气缸内高压循环的计算基于热力学第一定律，热力学第一定律内容为：气缸里的内能变化等于活塞功、燃料燃烧放出的热量、壁热损失和漏气引起的焓流的代数和。气缸内燃料的燃烧是一个化学过程，它受许多参数影响。其中之一是空气和燃料的比例（空燃比）。如果实际空气比理论需要的多，使燃料充分燃烧，则叫稀燃。反之则叫富燃。对于稀燃，一个循环释放的热量可以从气缸里的燃料量和其低热值计算得到。在富燃中，在循环中产生的总热量由气缸中的空气量决定。发动机在某一运行点的放热率可由测量的缸内压力曲线计算得到通过计算循环总放热量由气缸内的燃料量和空燃比确定，BOOST计算出每度曲轴转角所释放的热量。由此计算出缸内压力，空气流量，燃料流量，功率等。2.2 建立CNG发动机模型CNG发动机的已知参数缸径行程=105mm102mm； 压缩比：；缸数： 6 缸；图2.1 AVL Boost里建立的CNG发动机模型该模型由55 个元素构成, 其中包括6 个气缸( C1C6) , 1 个喷嘴( I1) , 6 个限流阀( R1R6) , 2 个容积腔( PL1PL2) , 2 个系统边界( SB1,SB2) , 27个连接管道( 127) , 5 个测量点( MP1MP5) ,5 个连接点( J1 J5) 。2.3 该CNG发动机模型采用的运算方法AVL BOOST 软件内含有很多现成的模型, 这些模型边界条件的输入比较简单, 在缸内计算过程中,通过直接定义放热率函数及传热函数来进行计算。BOOST 提供可选的放热率函数包括Vibe 模型、Vibe双区模型、双Vibe 模型、准维模型。计算传热时, 可用的函数包括Woschni1978、Woschni1990、Hohenberg等。本计算模型, 缸内放热函数选取的是Vibe 模型, 计算传热系数时, 采用Woschni 在1978 年提出的公式。韦伯函数经常用来近似描述发动机真实的放热特征：式中：Q 为燃料燃烧放出的总热量；为曲轴转角；为燃烧开始时的曲轴转角；为燃烧持续期；m 为形状参数；a 为完全燃烧的Vibe参数，a=6.9。对vibe函数积分，得到从燃烧开始时刻起至某一时刻所烧掉的燃油质量分数，即已燃质量分数x ：通过对测得的放热曲线的最小二乘法处理得到始燃期a、燃烧持续期 和形状参数m。为了计算传热系数，BOOST提供了下面的传热模型： Woschni 1978 Woschni 1990 Hohenberg Lorenz（只用于分隔式燃烧室的发动机） AVL2000模型WOSCHNI（沃西尼）模型用于高温循环的Woschni模型出版于1978年C5，概述如下：；对于DI发动机C2 = 0.00324 ，对于IDI发动机C2 = 0.00622；D 气缸筒直径；平均活塞速度； 圆周速率； 每缸置换的容积； 发动机气缸内压力bar； 进气门关闭时气缸内温度；进气门关闭时缸内压力 bar。修订过的Woschni传热模型出版于1990年C6，目的是对部分负荷运行下的更精确预测： 上止点时缸内容积；V 实际气缸容积；IMEP 平均指示有效压力。当时，传热系数根据1978年版的公式计算。对于热交换过程，两个Woschni模型的传热系数用同一个方程得到：； 为传热系数；D 为气缸筒直径；为平均活塞速度； 为圆周速度。2.4 本章小结本章简约地介绍了奥地利AVL公司研制的BOOST模拟计算软件，它是多种发动机工作过程模拟的计算软件，具有广泛的应用领域，既可用于汽油机，也可用于柴油机;既可用于四冲程机，也可用于二冲程机:既可用于压燃式，也可适用于点燃式。其功率范围也非常广泛，小到摩托车，大到大功率船用柴油机。AVLBOOST软件的主要应用范围包括:(l)发动机各种方案的性能对比;(2)进、排气系统，气门尺寸的优化;(3)气门正时和凸轮型线的优化;(4)增压系统的设计和匹配;(5)燃烧噪声研究;(6)发动机瞬态性能的评价;总体说来，AVL BOOST软件是AVL公司研制的一个功能强大、界面友好的发动机稳态和瞬态性能分析软件。 简述了在该课题模拟实验中所用到的数学模型，本计算模型, 缸内放热函数选取的是Vibe-2 模型, 计算传热系数时, 采用Woschni 在1978 年提出的公式。第3章 校正CNG发动机模型近年来, 计算机技术取得了飞速发展, 有力地推动了内燃机的模拟研究。鉴于奥地利AVL 公司开发的BOOST 软件可以针对不同的燃料对发动机的整个工作循环过程进行模拟, 既可以对发动机稳态工况进行分析, 也可以对发动机瞬态工况进行分析, 本研究是应用AVL- BOOST 软件对1 台6 缸4 行程CNG发动机进行了燃烧过程模拟研究,并与试验已知数据进行了对比，在不同的工况下（1200，2000，节气门开度一定），从缸内压力曲线、最高压力、发动机发出的有效功率、空气流量、CNG流量等数据验证该CNG发动机模型的建立的准确性。从而为后续的实验做好必要的准备。3.1 1200工况的校正CNG发动机的已知参数：转速n=1200；点火角：-30；功率p=69kw；CNG流量= 14.3kg/h = 3.92g/s; 空气流量= 310kg/h =86g/s空燃比：A/F=310/14.3=21.68所需校正的参数有：有效功率、CNG流量、空气流量、缸内压力。所需调节的参数有调节（SB1）系统边界条件的压力，温度，形参m，燃烧持续期。为了对、等有个更加准确的调试，首先应该了解它们对缸内压力、流量和功率的影响规律。3.1.1 对缸压，流量，功率的影响在这个课题研究中，由于我是运用AVL BOOST来模拟CNG发动机进行模拟性能研究，所以我没有完全运用理论的知识得出结论，完全建立在实验的基础之上。在这里，由于需要调节的又四个参数: （SB1）系统边界条件的压力，温度，燃烧放热率曲线的形状参数m和燃烧持续期(Combustion Duration)的值，首先假定、形状参数m、燃烧持续期等参数为某一个值固定不变，在AVL BOOST中只对做几组参数进行调试，预测对有效功率、CNG流量、空气流量、缸内压力的影响规律。得出结论，从而为CNG发动机模型的校正起到一定的作用。点火提前角 ，温度，燃烧持续期为曲轴转角82，形状参数m=1.62每相隔15kpa做一次模拟，共做了的四次数据模拟，对比模拟结果。表3.1 不同压力对CNG发动机性能参数的影响次数压力(kpa)有效功率（kw）空气流量(g/s)CNG流量(g/s)最高压力(kpa)111048.5362.70262.88565331.50212558.0172.23623.31846116.02314067.6881.74643.77836908.05415577.3791.28434.2032770385从模拟实验分析能够说明，对于该CNG发动机模型，点火提前角已知，空燃比预设为A/F=21.68，系统边界温度温度，燃烧持续期为曲轴转角82，形状参数m=1.62，当、形状参数m、燃烧持续期等参数为某一个值固定不变时，应用AVL BOOST 分析了系统（SB1）边界压力对于有效功率、CNG流量、空气流量、缸内压力的影响，分析结果如上表3.1，结果显示：随着系统边界压力的升高（110kpa到155kpa），有效功率也增加，空气流量增加，CNG流量增加，当增加缓慢，发动机气缸内的随燃烧过程的压力也随系统边界（SB1）压力的增加而增加。 CB DA图3.1 实验已知的压力-曲轴转角图试验已知的气缸压力如图3.1。为方便分析，模拟点火式汽油机，将该CNG发动机的燃烧分为三个燃烧时期，着火落后期（A-B）、明显燃烧期(B-C)和后燃期(C-D)。火花塞跳火的时刻到气缸压力线脱离压缩线的变化规律，从而为高温单阶段着火燃烧，这标志着着火落后期结束，通常为10到20，也有资料中以燃烧放热量的1%到10%内的某一数值作为确定着火落后期的标准。B点到C点为明显燃烧期，在此期间火焰由火焰中心传播到整个燃烧室，约为90%的燃料被烧掉。一般将Pmax作为明显燃烧期的终点。Pmax及压力升高dp/d是发动机性能密切相关的两个燃烧特性参数。Pmax出现位置可以用点火提前角来控制。由C点到D点为后然期，在C点火焰前锋面已传播到燃烧室壁面，整个燃烧室被火焰充满。由于90%的燃料放热已经完成，因而继续燃烧是火焰前锋面扫过后未完全燃烧的燃料以及壁面及其附近的未燃混合气。由于放热速率下降，加之气体膨胀作功，使缸内压力很快下降13。图3.2 不同压力对缸内压力的影响对比结果显示：随着系统边界压力的升高（110kpa到155kpa），Pmax点向右移，曲线开口增大，曲线中心线向右移动。得出这个规律方便了对模型的校准。3.1.2 对缸压，流量，功率的影响同3.1.1步骤一样，首先假定、形参m、燃烧持续期等参数为某一个值固定不变，在AVL BOOST中只对做几组参数进行调试，预测对有效功率、CNG流量、空气流量、缸内压力的影响规律。得出结论，从而为CNG发动机模型的校正起到一定的重用。点火提前角 ，温度，燃烧持续期为曲轴转角72，形状参数m=1.85每相隔T=10做一次模拟，共做了的四次数据模拟，对比模拟结果如下表3.2。表3.2 不同温度对CNG发动机性能参数的影响次数温度()有效功率（kw）空气流量(g/s)CNG流量(g/s)最高压力(kpa)12068.9082.71893.81107405.7623066.8980.73573.74887261.9034064.9478.92893.63387130.8045063.1277.14183.56807003.00从模拟实验分析能够说明，对于该CNG发动机模型，点火提前角已知，空燃比预设为A/F=21.68，系统边界温度温度，燃烧持续期为曲轴转角72，形状参数m=1.85，当、形状参数m、燃烧持续期等参数为某一个值固定不变时，应用AVL BOOST 分析了系统（SB1）边界温度对于有效功率、CNG流量、空气流量、缸内压力的影响，分析结果如上表3.2，结果显示：随着系统边界温度的升高（20度到50），有效功率降低，空气流量降低，CNG流量降低，当增加降低，发动机气缸内的随燃烧过程的压力也随系统边界（SB1）温度的升高而降低。不同的系统边界的温度对缸内压力的影响如图3.3。图3.3 不同温度对缸内压力的影响对比结果显示：随着系统边界温度的升高（20到50），Pmax逐渐降低，并向左移动，温度变化对缸内压力影响小。得出这个规律方便了对模型的校准。3.1.3 燃烧持续期、形状参数m在AVL BOOST中形状参数m是关于vibe函数(vibe双区模型)定义的，燃烧持续期是函数中的值，使用vibe函数计算瞬时放热率和已燃质量分数。韦伯函数经常用来近似描述发动机真实的放热特征： 式中：Q 燃料燃烧放出的总热量；曲轴转角；燃烧开始时的曲轴转角； 燃烧持续期；m 形状参数；a 完全燃烧的Vibe参数，a=6.9。对vibe函数积分，得到从燃烧开始时刻起至某一时刻所烧掉的燃油质量分数，即已燃质量分数x ：由于实验数据已知了的累积放热率、质量燃烧率和瞬时放热率，在这里为了确定较为准确的燃烧持续期和形状参数m，参考实验已知的数据，实验已知的瞬时放热率如下图3.4。图3.4：实验已知的瞬时放热率从实验数据也可以知道燃烧质量率，从而也对燃烧持续期和形状参数的初步预定有所帮助，其燃烧质量率如下图3.5。根据这两个图，可以初步确定燃烧持续期为50，形状参数m为5。在以后的校对过程中再做适当的微调。图3.5：质量燃烧率3.1.4模型校正结果根据以上的模拟实验可以总结出系统（SB1）边界条件的压力，温度，形参m，燃烧持续期对于有效功率、CNG流量、空气流量、缸内压力的影响规律，根据这个规律，首先保证了有效功率、空气流量、CNG流量和气缸最高压力在