（动力机械及工程专业论文）发电用增压沼气发动机的性能研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：近年来，随着世界经济的不断发展，能源危机和环境污染已经成为2 l 世纪 人类面i 临的主要问题。目前世界各国都在致力于寻求发动机代用燃料，气体燃料 在内燃机上的应用进入了一个新的历史时期。沼气是一种可再生的生物质能，具 有来源丰富、成本低廉、环境友好等特点，沼气发动机在发电领域的应用越来越 广泛。 本文以发电用沼气发动机为研究对象，对发动机与涡轮增压器的匹配特性和 发动机性能进行了深入的仿真分析和研究，同时完成了空燃比闭环控制系统的软 件开发，制定了控制策略，编写了模块化的控制程序并搭建电子节气门试验台对 控制系统进行了模拟试验验证。 采用g t - p o w e r 一维模拟软件建立了增压气体发动机仿真模型，通过仿真结果 与试验数据对比，验证了模型的准确性。以该模型为基础，对燃用不同甲烷含量 的沼气发动机进行了仿真分析，研究了过量空气系数和沼气组分对发动机与涡轮 增压器匹配特性的影响；研究了过量空气系数、压缩比、增压器布置方式、沼气 组分对发动机动力性、经济性、燃烧特性和排放特性的影响。最后应用g t - p o w e r 软件的优化模块，建立了发动机性能优化的仿真模型，对主要结构参数进行了优 化研究。 设计了由两个节气门进行控制的燃料供给系统，制定了开环控制和以功率传 感器信号为反馈的闭环控制相结合的控制策略，选用p i d 控制算法，编写了c 语 言控制程序，完成了控制系统软件的开发。 搭建了电子节气门控制试验台，对电子节气门p i d 控制和空燃比闭环控制效 果进行了模拟试验。试验结果表明，本文所开发的空燃比控制系统基本能够达到 预期的控制效果。 本论文得到国家自然基金项目“低热值气体燃料发动机燃烧稳定性的基础研 究( 5 0 9 7 6 0 1 2 ) ”资助。 关键词：沼气发动机；g t - p o w e r ；涡轮增压器；性能；空燃比；控制 分类号： a b s t r a ( 了r a bs t r a c t a b s t r a c t ：r e c 锄ty e a r s ，w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h e 、d de c o n o m y ，胁e r g yc r i s i s a n d 锄v i r o i l m e i 】t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m em em a i l lp r o b l e mi nn l e21 s tc c n t u 够a t p r e s 咖，m 锄i yc o m i t r i e sa r ec o m m i t t e dt 0s e e ka l t e m a t i v e 如e l sa n dt h ed e v e l o p m 钮to f g a s 向e le 1 1 西n e sh a sb e e ni n t oan e wh i s t o r i c a lp 舐o d b i o g a si sak i n do fr e l l e w a b l e e i l 锄斟s o u r c e s ，w i t hm ef e a n 鹏so f r i c hr e s o u r c e s ，l o wc o s ta i l de n v i r o 彻 1 e n t 衔e 1 1 d l y t 1 l eo b j e c to fm es t u d yi sb i o g a sc n 西n eu s c dt og e n e r a t ee l e c t r i c i t ymm i sp 印t h e s i m u l a t i o no fm ep e r f o m a i l c eo fb i o g 嬲c i l 西n ea i l dm a t c h i n gp r i n c i p l e sb e t v v e e nb i o g a s 铋舀n ea n d 缸b i n eb o o s t e rh 蜀eb e 吼i i e s t i g a t e d n l i sp 印e rh a sa l s o1 c i n i s h e dm e d e v e l o p m e n to fc l o s o dl o o pc o n 仃o ls 0 脚a r ef o ra i r - 凡e lr a t i o ，i n c l u d i n gt h ec o n 仃0 l s t r a t e g y 觚dm o d u l a rc o n 们lp r o 伊锄，a n dt h e nb u i l d sat e s tb e i l c h f o re l e r o n i c 廿1 t t l ec o n 打o ls y s t e r n f i r s t l y t l l es u p e r c h a 玛丽g 嬲e n 百n es i m u l a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e d u s i n g g t p o w e ro n e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t 、) 矿a r e t h er c s u l t ss h o wm a t t l l es i m u l a t i o ni s c o i l s i s t e n tw i t ht l l ee x p 嘶m e i l tw e l l b a s e do nt l l i sm o d e l ，m ee f f e c to fa i r - 允e lr a t i oa n dt l l ed i 缅：r e n tg 嬲c o m p o n e n t s o nt 1 1 em a t c h i n gb 印v e e l lb i o g a se n 百n ea n dt 1 1 | b i n eb o o s t e rh a v eb e e i l 锄a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i pb e 觚e e l le n 西n ep a r 锄阳sa n d 锶酉n ep e 响m 强c e i sa l s 0i n v e s t i g a 锄t 0 i m p r o v i n gt h ep e r f o 蛐a n c e ，锄o p t i m i z a t i o nm o d e la i m st oo b t a i nm a x i i l l 啪p o w e fi s s e tu p w i t l lt h ep a 舳e t e ro p t i m i z a t i o i l ，e n 西n ep e r f o 肌a n c eh a sb e e ni m p r o v e d i nm i sp 印m e ls u p p l ys y s t 咖w i t ht 、o 廿u o t t l e sa i l dm ec o n t l 0 ls t r a t e g y ，w r h i c h i n c l u d e so p e l l - l o o pc o n t r o la n dc l o s e d l o 叩c o n t r o lb a s e do nt h ef e e d b a c ko fp o w e r s e n s o r ，a r ed e s i g n e d t 1 1 ec o n t r o ls o 脚a r ei sp r o 蓼a m m e dw i t hc o d e w 撕r i o rs o f t w a r e a i l dcl a n g u a g e as i m u l a t i o nt e s tb e l l c hh a sb e e nb u i l ta i l dt h ec o n t r 0 1s y s t e mh a sb e e i lv a l i d a t e d k e y w o r d s ：b i o g a se n 西n e ，g t - p o w p e r f o 肌a 1 1 c e ，t u r b o c h a 唱 a i r - f u e lr a t i o ，c o n l ：r o l c i 。a s s n o ： l 致谢 本论文的研究工作是在国家自然基金项目“低热值气体燃料发动机燃烧稳定 性的基础研究( 5 0 9 7 6 0 1 2 ) ”资助下进行的，论文在该项目主持人张欣教授和我的 导师陈淑玲副教授的亲切关心和悉心指导下得以完成。两位导师渊博的知识、洞 察分析问题的能力、严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响， 使我受益匪浅。在此谨向两位导师致以衷心的感谢和敬意，感谢两年来导师对我 的关心和指导。 在论文工作期间，郭林福副教授、刘建华高工、张良老师给予了热情帮助和 指导，提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，靳彪师兄、许健师兄及实验室同级同学张国 瑞、李道强、黄利等给我提出了许多宝贵意见和建议，对我论文工作的开展给予 了很大的帮助，在此一并表示衷心的感谢! 另外非常感谢我的家人，他们的理解、支持和鼓励使我能够在学校专心完成 我的学业，借此机会向家人表示深深的感谢! 同时特别感谢我的爱人唐兆川，他 的鼓励、支持、默默的付出和陪伴使我克服了各种困难并坚持走到最后，谢谢他! 最后衷心感谢在百忙中评审本论文的诸位专家! l 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 气体燃料曾是内燃机的主要燃料，最早的内燃机就是煤气机。但是由于气体 燃料的能量密度低且储运不方便，逐渐被液体燃料所取代【l 】。 随着近年来全球能源危机愈演愈烈以及环境污染和气候恶化等问题被日益提 上日程，同时伴随着气体燃料储运技术的提高以及气体燃料发动机电子控制技术 的发展，特别是随着对内燃机排放指标要求的日益严格，气体燃料在内燃机上的 应用又进入了一个新的历史时期。目前，以天然气为主的气体燃料发动机在全世 界得到广泛的的重视和发展。我国存在天然气、沼气、高炉煤气、煤层气等可燃 气体资源。其中沼气是一种可再生的生物质能，是细菌在厌氧条件下分解有机物 的一种产物，沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳。其中，甲烷( c 日。) 含量约为5 0 8 0 、二氧化碳( c q ) 含量约为2 0 4 0 、氮气( ，) 含量约为0 5 、 ( 皿) 含量小于1 、氧气( d ，) 含量小于o 4 、硫化氢( 以s ) 含量约为0 1 3 。 沼气混合气的热值约为2 0 2 5m ，1 3 ，lm 3 沼气的热值相当于o 8 堙标准煤【2 1 。 沼气来源丰富、成本低廉、废物利用、环境友好。沼气在传统上的利用方式 大多是在取暖、炊事和照明等方面，其利用率和经济效益较低。沼气燃烧发电是 随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术。目前沼气发动机可利 用的沼气主要有城市污水处理产生的沼气、垃圾填埋沼气、酒厂与柠檬酸厂沼气、 农村沼气等。利用沼气能源发电有如下优点：有助于减少温室气体的排放。甲烷 的温室效应是二氧化碳的2 2 倍以上，燃用沼气可以消耗有机垃圾自行发酵产生的 甲烷，减轻大气的温室效应；有利于变废为宝，提高沼气工程的综合效益【2 ，3 】。 沼气发电的形式有两种：一种是单独用沼气燃烧，二是沼气与汽油或柴油混 合燃烧。前者的稳定性较差，但较经济，后者则相反。近年来，沼气作为动力源 在发电机组上的应用比较广泛，国内外在沼气发动机技术研究和应用领域取得了 较大进展【4 1 。 由于沼气着火温度高，燃烧速度慢，容易造成沼气发动机的后燃严重、排气 温度高、热负荷大，从而导致沼气发动机能耗增加、热效率降低，影响整机可靠 性垆j 。此外，由于沼气生产环境和发酵原料的不同，造成沼气浓度、温度、压力不 稳定，因此开发的沼气发动机必须能够适应沼气浓度和温度等物性参数的变化。 沼气中硫化氢( 只s ) 的含量虽然很少，但对发动机的影响却很大。硫化氢能够 严重腐蚀发动机零部件，尤其是气缸和活塞等部件，严重影响发动机的运行安全 北京交通大学硕士学位论文 和使用寿命。一般来说，当沼气中硫化氢的含量低于o 1 时，沼气可不经过任何 前处理直接进入发动机燃烧，当硫化氢含量超过o 1 时，沼气则必须要先经过脱 硫处理，降低硫化氢含量后才能进入发动机燃烧【6 j 。由于沼气具有以上特点，沼气 发电机组研制过程中目前仍存在着较多技术难点。目前沼气发动机的热点技术主 要包括：电控混合技术、快速燃烧技术、稀薄燃烧技术、数字高能点火等。国内 一些企业和高校在快速燃烧和高能点火方面进行了大量研究并取得了一些进展。 但是与国外相比，我国在发电用沼气发动机技术方面还存在着较大差距，尤其在 全烧式沼气发动机方面的研究较少。本文对发电用沼气发动机的性能仿真分析及 优化和燃料供给方案的设计及空燃比控制系统的开发具有一定的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外气体燃料发动机研究发展现状 我国燃气内燃机技术发展时间较短，技术水平相对较落后。从2 0 世纪8 0 年 代开始，国内几家内燃机生产企业开始在柴油机基础上改造气体燃料发动机【7 j 。我 国在沼气发电领域的研究始于2 0 世纪8 0 年代初，我国早期用于沼气发电的发动 机多是由柴油机改装而成的双燃料发动机。上海内燃机研究所、四川省农机院、 武进柴油机厂、泰安电机厂等十几家科研院所、厂家对此进行了试验研究。 我国在“九五”、“十五”期间，先后研制出一批全沼气发动机。重庆柴油机厂在 s 1 9 5 z 型柴油机的基础上改制成了全沼气发动机，作为小型发电机组配套动力。与 原柴油机的沼气互换率达到8 9 7 。潍坊柴油机厂是我国研制全烧气体发动机较早 的单位，该厂于8 0 年代初研制出功率为1 2 0k w 的6 1 6 0 a 3 型全烧式沼气发动机。 贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发出6 0k w 的6 1 3 5 a d ( q ) 型全烧式沼 气发动机发电机组。此外，重庆红岩机器厂、上海内燃机研究所、南通柴油机厂 等单位也进行过这方面的研究、研制工作【3 ，4 1 。 近几年济南柴油机厂和胜利动力机械厂发展异常迅猛。济柴根据自身的经验 和实力，吸收了国际先进技术和成熟经验，研制开发了各种系列燃气发电机组， 发动机型式包括外混方式、机械内混式、闭环电控内混式、闭环电控外混式等多 种机型；机组功率范围从8 k w 至1 5 0 0 k w ；燃气种类包括天然气、焦炉煤气、沼 气、煤层气、炼化尾气和秸杆气等，可满足不同地区、不同气体成分的使用要求。 在国外，沼气发电始于2 0 世纪7 0 年代初期。德国、芬兰、丹麦等是较早使 用沼气发电的国家，也是应用水平最高的国家，所使用的沼气发动机属于火花点 2 1 绪论 火式气体燃料发动机。生物质能发电并网在西欧如德国、丹麦、奥地利、芬兰、 法国、瑞典等一些国家的能源总量中所占的比例为1 0 左右，并一直在持续增加。 沼气发电设备方面，德国、丹麦、奥地利、美国的纯燃沼气发电机组比较先 进，气耗率 ( 七) h 时，为亚临界流动，排气流量变化率为： 芳= 击从c 击 j = 一，f ，! ；釜2 d 矽6 ，l 。r r 当告i 斋) 击时，为超临界流动，排气流量变化率为： 北京交通大学硕士学位论文 等= 击以e 击c 熹，吉属 协2 3 ， 式中，从：排气门流量系数； e ：排气门瞬时几何流通面积。 p ，丁，r ：气缸内工质的压力、温度和绝热指数； p ，：排气门后的排气管压力。 ( i i i ) 气门瞬时几何流通截面积 气门瞬时几何流通截面积f 的计算公式为： f = z 万饥c o s ( 或+ 吃s i i l c o s ) ( 2 2 4 ) 式中，z ：每缸进气门或排气门数： 危，：进排气门瞬时升程，可按配气凸轮升程曲线计算； ：气门座锥角； z ，：气门座喉口直径。 ( i v ) 流量系数 流量系数主要取决于气门升程，可将其表示为气门升程的函数： = 厂( 玩( 伊) ) ( 2 - 2 5 ) 通常值由试验确定，在没有试验数据的情况下，可参照类似机型或母型机 适当选取。 2 1 2 进排气系统数学模型 进气系统和排气系统划分为独立的子系统。进气系统包括进气总管、进气歧 管和进气道。排气子系统包括排气道、排气歧管、排气总管和增压器蜗壳。 在模拟计算中，将进排气系统中的气体流动作为一维非定常流动来分析，管 道内气体的每一个流动参量均认为是相应管道截面上该流动参量的平均值【z 4 。 建立管道内一维非定常流动模型时，作以下假设p 2 。弭j ： ( 1 ) 略去径向流动效应，认为管道内的流动是一维的，管道内气体的每一个 流动参量均认为是相应管道截面上该流动参量的平均值； ( 2 ) 管道内流动是非定常的，每一个流动参量都是坐标x 和时间f 的函数； ( 3 ) 认为管壁是刚性的； ( 4 ) 考虑管壁的摩擦、热传导或管内燃烧时，本质上不是一维的，但为了简 化仍采用一维模型，所以流动过程一般是非等熵的； ( 5 ) 管内流体不计重力，认为是完全气体。 基于以上假设，经过一系列推导并作一定的简化，得到进排气管内一维非定 1 4 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证 常流动的基本方程如下： 连续性方程： 望+ p 塑+ “望+ 丝坚：o 上+ p 一+ “二+ l 一= o 8 ti 融融fd x 动量方程： 丝+ “丝+ ! 望+ 笪：o+ “+ 一二+ 二= u a a x p 瓠d2 能量方程： 害+ “赛一口2 害一如罢+ c r 叫c 仞+ 心嘶，苦譬卜。a a x西苏、 “1 、。d2 。 。 上述各式中，p ：气体压力；p ：气体密度；虮气体流速； 厂：管壁摩擦阻力；f ：管道截面积。 由于着眼点不同，气体在进排气系统中的流动可以按照准稳态和不稳态两种 方法处理，相应有两种仿真计算模型，即有限容积法( 也叫充一排法) 和特征线法。 本文采用的是有限容积法。 有限容积法的基本思想是：认为气体在排气管中的流动过程是准稳态的。把 进气管和排气管看成与管道容积相当的容器，整个容器中的状态都是一样的，只 是时间的函数。容器内的压力变化完全是由气体的充填和排空决定的。实施的主 要步骤如下【2 1 2 3 2 5 】： ( 1 ) 将守恒型的控制方程在任一控制容积及时间间隔内对空间与时间作积分； ( 2 ) 选定未知函数及其导数对时间及空间的局部分布曲线( 型线或插值方式) ； ( 3 ) 对各项按照选定型线作积分，整理成关于节点上未知值的代数方程。 下式为采用有限容积法计算时守恒型方程的通用形式： 亳妒y + 沙a s 一擎删s + l q 删 式中，矽：流体守恒流量； p ：流体密度； & 控制体表面积； k 控制体容积； 力：控制体表面外法线； 耽流体速度； r ：扩散系数； 口：控制体内源项。 对守恒控制方程式进行数值积分计算过程中，为了得到稳定解，必须满足c f l 1 5 北京交通大学硕十学位论文 ( c o u r a n t f r i e d r i c h s l e w y ) 准贝l j ，即 出旦 甜+ 口 式中，出：时间步长；缸：沿管道长方向上的步长； 出气体流速；口：气体声速。 在有限容积法中进行方程的离散时，是把微分方程在控制容积上积分，形成 离散的有限差分方程。其中，控制容积就是包围积分区域内某一控制点的网格单 元。具体来讲，在有限容积法中，计算区域被划分为有限个、连续的、无重叠的 容积，在每个容积内应用控制方程的守恒形式，并进行积分得到方程的离散形式。 一般计算节点位于控制容积内部，边界上的值则由相邻节点上的变量插值得到。 这样就可以在每个控制体内得到一个由本节点和若干个相邻点变量表示的离散方 程组，就可得到整个区域的解。由于在每个控制容积内方程都是守恒的，在边界 处满足一定的条件( 变量值和导数连续) ，有限容积法就可以保证在整个计算区域 上的守恒。 各谷积内弪制万栏的禹敢彤式( 米用显式茬分硌瓦) 为： 质量守恒离散方程 譬= 等+ ( 州肛( 州煳 动量守恒离散方程 掣= 掣+ ( 州肛( 州煳m 。鸭) 能量守恒离散方程 譬= 譬+ ( 州肛( 州煳 式中，下标历本计算节点5 f ：时间间隔的长度； 下标k ：左侧相邻点；下标形：右侧相邻点； 上标o ，1 ：本时刻的值以及下一时刻待求的变量值。 g t p o w e r 软件离散化时采用的是一维交错网格。标量在网格中心计算，如压 力、温度等；矢量在网格的交界面计算，如速度、质量流量等。用户定义网格的 离散化长度。对于通常的内燃机性能计算，g t p o w e r 推荐的离散长度为： 进气系统：0 4 缸径；排气系统：0 5 5 缸径 1 6 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证 2 1 3 涡轮增压器数学模型 涡轮增压器由排气涡轮和压气机组成。涡轮增压器在稳定运行过程中必须满 足能量平衡、流量平衡和转速相等三个条件。用方程式可表示如下【捌： 能量平衡方程： 7 7 砌= 哌 流量平衡方程： 疡7 = 廊k + 晚 转速相等： 吩2 ，k2 ，k ( 2 3 5 ) 上述各式中，m r ，b ：分别为涡轮输出功、涡轮流量和涡轮转速； ，柳x ，：分别为压气机耗功、压气机流量和压气机转速； ，7 k ：分别为涡轮增压器效率和转速； 聊口：燃油流量。 l 、压气机数学模型的建立 。 ( 1 ) 压气机特性参数的计算 压气机的工作状况可由四个参数确定，分别为：增压比，压气机流量历r 、 压气机转速n 足和压气机绝热效率巩。上述工作参数之间是相互关联的，其相互关 系用压气机的特性曲线来表示【l 】。 增压比 增压比是压气机出口压力与进口压力之比。压力一般采取总压，上角标“木 表示总压，增压比可表示为【2 2 】： 鲰= 粤= 丝 p op o 离心式压气机在理想情况下没有气流流动损失， 缩功。压比可按下式计算： 冗k2 坠翌墅坠+ l r 瓦高 压气机耗功等于气体等熵压 ( 2 3 8 ) 流量廊k 流量表示压气机的流通能力。可用质量流量或体积流量来表示。它是在一定 大气条件下测定的。为避免大气条件变化引起特性曲线变化。常采用相似参数绘 制压气机特性曲线，将测得的流量折合成标况下的流量。折合后的流量表示为： 1 7 北京交通大学硕士学位论文 蝣峨尝 转速 压气机折合转速表示为： 2 膏 、乃 压气机效率 压气机效率( 等熵效率) 消耗的总功之比，即： 盟 = 鲁= 警半 ( 2 4 0 ) 是指空气由风压缩至n 的等熵压缩功与压气机实际 式中，：气体由压缩至a 所需理论压缩功。 可用下式进行计算： = 刍r 兀f 一) 式中：压气机实际消耗的总功。 ( 2 ) 压气机特性曲线的数值表示 在增压发动机匹配计算中，需要在压气机特性曲线上确定配合运行点。为了 使程序能自动寻找配合运行点，需将试验得到的压气机特性曲线用数值表示，并 输入计算机中存储。压气机特性曲线的数值表示方法有网格法和分析计算法。本 文采用的是网格法。即用正交网格离散压气机特性曲线上的等效率曲线和等转速 曲线，读取每个网格上的效率和转速，并输入计算机中存储。 2 、涡轮数学模型的建立 涡轮特性主要有流通特性、效率特性和综合特性 2 3 1 。 ( 1 ) 流通特性：表示燃气通过涡轮的流通能力。即在一定的涡轮当量面积下 通过涡轮的燃气质量流量与燃气在涡轮中的膨胀比的关系。 。 径流涡轮质量流量可按下式计算 妒矾赢 2 矸 时一( 玎 矸一l 式中，胁：流量系数；：等效喷嘴流通截面积；万砌：修正涡轮膨胀比。 对于径流式涡轮来说，流量系数胁的变化规律比较复杂，是速度比盖和膨胀 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证 比乃的函数，即所2 厂( 苦，乃) 。随着速度比苦增大，涡轮流量坼成线性减小， 即所减小。涡轮流量和流量系数也随着膨胀比乃的变化而变化。 一斟r 峨南蜗卜州 表示涡轮效率珊与比速度睾的变化关系，即： = 厂( ) 2 1 4 中冷器数学模型 它可综合反映出涡轮膨胀 中冷器可以降低从压缩机出口流出的气体温度，使气缸在相同的进气压力下 提高新鲜空气充量。中冷器计算主要包括压缩气体经中冷器冷却后的出口温度和 出口压力。 中冷器出口气体温度可按下式进行计算： 弘霹静忆 出 。、1 ”。1 州7 式中，互：中冷器出口气体温度；五：压气机出口气体温度；下标“s ”代表 气体，“。”代表冷却水，“f 代表入口状态，“口”代表出口状态。 中冷器出口气体压力可按下式计算 只= 仇一瓴( ) 2 1 9 北京交通大学硕士学位论文 式中，哦：中冷器在设计工况时的压力损失。 中冷器出口冷却水温度可按下式计算： 咖l ， 耻酗 陬_ ) ( 2 - 4 ” 2 2 增压气体发动机仿真模型的建立 2 2 1g t - p o w e r 模拟计算软件 g t s u i t e 系列软件是美国g a m m a t e c l l i l 0 1 0 西e s 公司开发的汽车仿真分析软 件，其组成部分g t p o w e r 是专业进行发动机性能仿真的软件，它是基于管内一维 流动和缸内容积法进行计算分析的，适合于模拟分析各种发动机的性能，还能够 用数学方法对发动机参数进行优化。g t p o w e r 是一个模块化的仿真软件，包括了 发动机的传热模型、燃烧模型以及发动机的各个组成部分，如：气缸、气阀、涡 轮、压气机等，便于建立准确的发动机模型。g t - p o 、懈软件涉及流体流动计算、 传热传质模拟、燃烧过程模拟、控制仿真等方面的内容，可以用于发动机稳态和 瞬态的仿真计算，也可以用于发动机动力系统的控制系统分析，它在汽车领域已 经有了广泛的应用。 g t p o w e r 的模块数据库是用户建模的基础，根据物理模型的特点，数据库主 要分为七类，包括流动、机械、热计算、电、磁、控制、数据分析相关模块和通 用模块。本文主要应用该软件的流动( f l o w ) 和机械( m e c h 粗i a l ) 模块对发动机 的性能进行模拟计算。 使用g t - p o w e r 软件对内燃机的工作过程进行仿真计算时，需要对内燃机的结 构进行分析，将复杂的内燃机结构分解成若干个容易处理的模块。通过收集发动 机的结构参数和必要的运行参数，用g t p o w e r 提供的模块建立发动机的物理模型。 模型建好后，需结合大量内燃机试验数据对模型进行校核，并通过参数的调整使 模型的精度达到计算要求。 进行g t p o w e r 软件建模时，可以将涡轮增压内燃机划分为下列几个子系统： 气缸、曲轴箱、进气系统、排气系统、燃料供给系统、增压器和中冷器及环境边 界等。 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证 2 2 2 发动机基本参数 本文以w p l o 气体燃料发动机为对象机型建立发动机仿真模型，进行模型校 核时，使用的试验数据为该发动机以l p g 为燃料的试验数据。模型经过调试达到 精度后，以该发动机模型为基础，采用沼气为燃料开展仿真分析。 w p l o 发动机基本参数如表2 1 所示。 表2 1 、p 1 0 发动机基本参数 发动机主要技术指标 发动机型号 型式 气缸数一缸径行程 压缩比 额定功率转速 最大扭矩转速 最高空车转速 点火顺序 燃料消耗率( 额定功率) 最高排气温度( 0 c ) w p1 0 l p g 2 6 0 直列，四冲程，电控预混合进气，增压中冷 6 1 2 6 舳1 3 0 m m 9 6 ：1 1 9 1 k w 2 2 0 0 r m i n 9 8 0 n m ( 1 3 0 0 1 5 0 0 ) r m i n 2 4 0 0 r m i n 1 5 3 6 2 4 3 4 5 ) 6 0 0 ( 涡轮增压器后) 7 3 0 ( 涡轮增压器前) 2 2 3 发动机气缸工作模型 气缸模型的建立是发动机建模的核心。g t p o w e r 软件提供的气缸模块的参数 设置主要包括：气缸结构参数、燃烧模型、传热模型、缸壁温度等。 气缸结构参数主要包括：气缸径、活塞行程、连杆长度、压缩比、气门间隙 等。这些参数为研究对象本身固有的参数，根据发动机厂家提供的数据进行建模。 针对火花点火式发动机，g t - p o w e r 软件提供了单韦柏燃烧模型、多韦柏燃烧 模型、湍流模型等。本文选用的是单韦柏燃烧模型。在燃烧模型设置模块中，将 燃烧设置为准维双区模型并建立崛计算模型。们，的生成服从z e l d o v i c h 化学反 应机理。主要化学反应方程式如下： 传热模型选用的是w o s c h n i 模型，主要输入参数为活塞顶表面积与气缸截面 积之比等参数。缸壁温度模型主要输入活塞项面温度、缸盖壁面温度和气缸套壁 2 l + + 弘慧珊 = i i 卜 葛一 北京交通大学硕士学位论文 面温度。 2 2 4 发动机进排气系统模型 1 、进气系统模型 本文所建立的发动机进气系统模型主要包括气体从中冷器出口流出后流经的 进气管、节气门、进气歧管、进气门、进气道等，不包括空气滤清器。 在g t - p o w e r 中，管道是由一系列的直管、弯管和溢出口组成的。采用交错网 格对管道进行离散。离散长度一般为：进气系统中离散长度是缸径的4 倍，排气 系统中是缸径的5 5 倍。如果某些管件太短，它们应该与相邻的管件合成一体离散。 根据所研究发动机的进气系统具体结构，建立进气系统模型如下( 从中冷器 出口到进气道) ： 图2 _ 1 进气系统模型 2 、排气系统模型 本文所建立的发动机排气系统模型主要包括排气门、排气道、排气歧管和其 它排气管道等，管件的建立方法与进气系统相同。本文所研究的发动机为脉冲增 压系统。将彼此相隔一定发火间隔的一、二、三缸共用一根脉冲排气支管，四、 五、六缸共用一根脉冲排气支管，每根排气管的长度相等。采用这种排气管结构 可避免内燃机排气时各气缸中的气流相互干扰【2 3 】。 本文根据所研究发动机的排气系统具体结构，建立排气系统模型如下( 从排 气阀门到大气环境) ： 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证 图2 2 排气系统模型 2 2 5 发动机燃气供给系统模型 本文所研究发动机的燃气供给方式为：空气与燃料在混合器内预混合，混合 后的气体经节气门流入进气歧管，然后进入气缸燃烧。g t - p o w e r 软件提供了三种 主要针对燃油喷射式燃料供给方式的喷射阀模型，而没有混合器预混合式燃料供 给模型。为使模型仿真尽量接近发动机实际工作过程，本文选用g t - p o w e r 的 e n d f l o w i n l e t 模块建立燃料供给模型。在该模块中可以设置燃料的质量流率，因此 可以通过该参数的设置模拟发动机的每小时油耗量，同时能够设置燃料的成分和 性质，因此可以实现变工况、变燃料的仿真分析。 该模块中燃料质量流率( 模拟每小时油耗量) 的确定方法： 进行模型调试和验证时 试验数据中某些试验工况同时记录每小时油耗量和空燃比，可将试验数据中 的每小时油耗量输入到该模块中，待整个发动机模型建好后，模拟与试验相同的 工况进行发动机仿真计算，在后处理中可以得到空燃比的计算结果，将计算得到 的空燃比与试验测量的空燃比进行对比，对比结果可以作为参考检验模型的准确 性。 试验数据中多数工况没有小时油耗量数据但有空燃比数据，该情况下可通过 不断调整模型中燃料质量流率的取值，以得到与试验相一致的空燃比，进而进行 发动机性能方面的计算并与试验数据做对比。 进行性能预测分析时 在发动机性能分析中，根据节气门开度和欲实现的空燃比目标来调整模型中 北京交通大学硕士学位论文 燃料的质量流率。 在g - p o w e r 软件中燃气供给模块的参数设置界面、w p l o 发动机燃气供给系 统结构示意图及燃气供给系统仿真模型分别如图2 3 、图2 - 4 和图2 5 所示。 图2 - 3 燃料供给模块参数设置界面 图2 - 4 发动机燃气供给系统结构示意图 图2 - 5 发动机燃气供给系统模型 2 2 6 曲轴箱模型 曲轴箱模型的参数设置主要包括发动机的气缸排列型式、气缸数、点火次序、 摩擦模型、以及发动机是在定转速下运行还是在定扭矩下运行。如果选择定转速 运行，则选择s p e e d 选项，并在e n 百n es p e e d 或c a l s es e t u p 中设置发动机转速。如 果选择定扭矩运行，则选择l 0 a d 选项，此外还需建立扭矩模型与曲轴箱模型连接， 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证 此时设置的转速为定扭矩运转的初始转速，仿真计算收敛后会达到最终稳定转速。 2 2 7 涡轮增压器模型 涡轮增压器模型包括压气机模型、涡轮模型和联轴节。 建立压气机模型时，本文采用的是g t p o w e r 软件自带的压气机参考实体： c o m p r e s s o r m a p 。将压气机的四个特性参数：速度、效率、压比、流量以数组的形 式输入到模块指定的d a t a 项中。此外，通过设置模块中的压气机速度因子、效率 因子、压比因子、流量因子可对压气机特性曲线的形状进行调整。 涡轮模型的建立可以采取与建立压气机模型相同的方法，即采用参考实体 t u r b i n e m a p 。由于本文所研究的发动机增压器特性曲线是以幸。而的文件格式给出 的。可以直接以 形式为模型所引用。 联轴节是连接压气机和涡轮的部件，保证两者的转动速度相等。在模型中需 要设置联轴节的初始转速和转动惯量等参数。 本文所研究的压气机和涡轮特性曲线分别如图2 6 和图2 7 所示。 m s gf 1 0 wd 叫。】 a 速度特性 p ”i 删节m ”of l o 贰璇d 蜘c y c o n l o w c o 砷f e ，o o r - c 锄警m 叩 细事+ 6 l o e i ”l 1 0 1 7 l 一 巷 0 l0 00 30 40 j m ，f l a w 阿i 】 b 效率特性 图2 _ 6 压气机特性曲线 捌露援艘 器 么穸 黧嗣 厂 攀 疆 罗 a 速度特性曲线 事 l j j 。 i 1 i ” t - h i m l i h r 五k 瞄咿 一0 埘 一0 捌， 一0 l 一0 3 并 0 3 一0 柏l 0 j 3 5 o 懈 一o 舶 一0 岛j o 瑚 o 2 0 醪6 oj 6 国 一0 ，0 3 0 缁 8 怒：3 獬 叠寥 撼 纛 髯 b 效率特性曲线 北京交通大学硕士学位论文 2 2 8 中冷器模型 在g t - p o w c r 软件中建立中冷器模型时，不需要知道中冷器的内部结构，而是 将其作为“黑箱”处理。中冷器模型是由多根管件并联而成的。模型中管件数目、 换热因子和摩擦因子的设置用来适应压力和温度的下降。本文所建立的中冷器模 型如图2 8 所示。 图2 - 8 中冷器模型 至此，发动机工作模型创建完成，包括气缸模型、进排气系统模型、曲轴箱 模型、燃料供给系统模型、涡轮增压器模型和中冷器模型。如图2 9 所示。 图2 9 涡轮增压发动机仿真模型 2 3 增压气体发动机仿真模型的验证 为了验证模型的准确性和有效性，本文分别对中冷器模型、不带涡轮增压器 的发动机模型、带涡轮增压器的发动机模型进行了仿真计算。为使仿真结果与现 有试验数据最大程度相符合，以保证后续研究的可信度，本文通过调整模型参数 对发动机模型进行了反复的修改和调试。模拟了发动机外特性工况和负荷特性工 况，绘制了扭矩、有效功率、有效燃气消耗率、涡前排温和每小时耗气量曲线， 并与发动机厂家提供的试验数据进行了对比。对比结果如图2 1 0 和图2 1 l 所示。 2 增压气体发动机计算模型的建立及验证 1 0 5 0 1 0 0 0 鼍9 5 0 z 煨9 0 0 辑 8 5 0 8 0 0 2 4 0 2 3 5 号2 3 0 旨 鼍2 2 5 褂2 2 0 萎2 1 5 蒌2 1 0 2 0 5 2 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 2 2 0 0 转速( r m i n ) a 外特性扭矩曲线 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 2 2 0 0 转速( r m i n ) c 外特性有效燃气消耗率曲线 5 0 4 5 鼍4 0 _ 一3 5 皿掣 攫3 0 瓮r 扩2 5 饕 2 0 1 5 2 0 0 1 8 0 1 6 0 蕾 喜1 4 0 雷1 2 0 1 0 0 8 0 1 2 0 0 1 1 0 0 兰1 0 0 0 赠 世9 0 0 楹 赡8 0 0 7 0 0 6 0 0 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 2 2 0 0 转速( r m i n ) b 外特性有效功率曲线 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 02 2 0 0 转速( r m in ) d 外特性涡前排温曲线 1 0 0 01 2 0 0 1 4 0 01 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 02 2 0 0 转速( r m i n ) e 外特性每小时耗气量曲线 图2 一1 0 外特性仿真数据与试验数据对比 2 7 北京交通大学硕士学位论文 1 0 0 0 9 5 0 9 0 0 g8 5 0 翌8 0 0 幂 扫7 5 0 怔 噻7 0 0 6 5 0 6 0 0 2 0 4 0 6 08 0 1 0 0 l z 0 1 4 0l b u 有效功率( k w ) 图2 1 11 5 r 加i l l 负荷特性涡前排温曲线 通过以上仿真结果与试验结果的对比可以看出，发动机外特性、1 5 0 帆m i n 负 荷特性性能参数的仿真结果与试验结果的曲线趋势相一致，且计算值与试验值之 间的误差均在5 以内。由此可认为所建立的增压气体发动机模型是较为合理的， 该模型对发动机性能的预测比较符合发动机实际情况。后续以该模型为基础进行 的变燃料、变增压器布置方式、变发动机参数的计算和分析具有较高的可信度。 2 4 本章小结 1 、本章首先对发动机工作过程模拟计算理论进行了分析。重点对点燃式发动 机双区计算模型缸内工作过程基本方程进行了推导。根据质量守恒、能量守恒、 气体状态方程和气缸容积限值方程建立了缸内工作过程数学模型，并对气缸内工 作容积、比热力学能、燃烧放热规律和传热规律的计算理论进行了总结；根据简 化假设，将进排气系统内的流动视为一维非定常流动，建立了进排气系统数学模 型，确定采用有限容积积分法对数学模型进行求解；分析压气机和涡轮的特性参 数，对其进行数学描述，建立了涡轮增压器数学模型；对中冷器的工作特性进行 分析，建立了中冷器数学模型； 2 、对发动机工作过程仿真软件g t - p o w 簟的功能和特点进行了介绍。将本文 所研究的增压气体发动机划分为气缸、进排气系统、燃气供给系统、涡轮增压器、 中冷器等物理子系统，建立了带涡轮增压的气体发动机仿真模型； 3 、通过调整模型参数对仿真模型进行反复调试，模拟了发动机外特性工况和 1 5 0 0 r ：m i n 转速时的负荷特性工况，并将外特性扭矩、有效功率、有效燃气消耗率、 涡前排温、每小时耗气量以及负荷特性涡前排温与发动机厂试验数据进行了对比。 对比结果表明，模型的误差在5 以内，以该模型为基础进行沼气发动机的性能研 究具有较高的可信度。 3 沼气发动机增压器匹配与发动机性能分析 3 沼气发动机增压器匹配与发动机性能分析 3 1 不同甲烷含量的沼气物性参数计算 本文仿真研究的重点为燃用不同甲烷含量的沼气发动机增压器匹配及性能分 析，针对不同甲烷含量的沼气燃料，需要在发动机模型中设置燃料的分子构成、 热值等参数。因此，首先须对不同甲烷含量的沼气物性参数进行计算，本文主要 针对甲烷体积含量分别为5 5 、6 5 和7 5 的沼气进行计算，计算内容包括沼气热 值、混合气热值、理论空燃比和分子构成等。 1 、不同甲烷含量的沼气热值计算 1 k g 燃料完全燃烧所放出的热量叫做燃料的热值，其单位为m 姆。燃料的 热值分为高热值和低热值。计及水蒸气冷凝时放出汽化潜热的热值叫做高热值， 不计及汽化潜热的热值叫做低热值。由于在内燃机中无法利用汽化潜热，所以一 般用低热值来表示燃料的热值【。 质量低热值的计算公式为： 地螂= 面券 。 式中， 协恸：沼气的低热值，培； 胁c | ：甲烷的低热值，彬堙； 砌、氏：分别为甲烷、二氧化碳、氮气的密度，姆删3 ； d ，：分别为甲烷、二氧化碳、氮气的体积分数。 2 、沼气空气混合气热值的计算 虽然沼气的热值较低，但对发动机动力性有着重要影响的是沼气空气混合气 的热值 2 8 1 。沼气空气混合气的低热值可按下式计算： 胁矿鬻 ( 3 2 ) 式中，胁，h ：混合气的质量低热值； 旯：过量空气系数； x ：1 k g 沼气理论燃烧所需空气量。 3 、不同甲烷含量的沼气燃烧时的理论空燃比计算 从理论上说，在理论空燃比时，燃料充分燃烧，燃料中的碳原子和氢原子完 全转化为二氧化碳和水，空气中的氮元素不参与化学反应。 建立沼气按照理论空燃比进行燃烧的化学方程式如下： 北京交通大学硕士学位论文 吼+ 鹏+ 2 ) + 2 ( q + 3 7 6 2 ) 丫c h ：( 1 + 堕) c q + 2 皿d + ( 堕+ 7 5 2 ) 2 p c h p c h l 根据化学方程式，沼气燃烧的理论空燃比计算式为： 乞：三坚塑堕 ( 3 4 ) l = = 一 i - ， 。1 6 + 4 4 堕+ 2 8 堕 9 c