（动力机械及工程专业论文）增压天然气发动机工作过程模拟及运行参数优化研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘要 大气环境污染和石油危机是世界经济发展面临的两个主要问题。为了 减少有害气体排放量、改善能源利用结构和降低能耗，世界各国都在积极 寻找和开发车用代用燃料。天然气以其丰富的储量和良好的可获得性，在 能源利用中所占的比重迅速增加。以天然气为燃料的发动机由于其良好的 排放性能和经济性能，已经成为世界各国研究的热点。本论文以国家“十 五”科技攻关项目“电控喷射单燃料c n g 公交车研究开发”为依托，以 增压天然气发动机性能优化为研究目标，开展了增压天然气发动机热力过 程模拟和运行参数优化理论的研究工作。 本文通过大量查阅相关文献资料，在对w d 6 1 5 天然气发动机整体结 构进行深入系统的分析基础上，建立了增压天然气发动机热力过程模拟计 算的数学模型，模型采用了半经验燃烧模型和传热模型描述了缸内热力过 程，同时采用一维非定常流气体动力学方程描述了进排气管系的气体流动， 并研究了求解该方程的计算方法。 在研究并确定了增压天然气发动机热力过程模拟数学模型的基础上， 进行了发动机运行参数优化的研究工作，在确定发动机优化目标和实际优 化的运行参数后，建立了以动力性和经济性为目标的增压天然气发动机的 优化数学模型，研究了求解该优化模型的方法，完成了优化程序的编写， 并进行了优化数学模型的求解计算。 试验研究表明：本文建立的增压天然气发动机热力过程数学模型能够 较准确地预测发动机主要性能指标；研究的求解增压天然气发动机运行参 数优化数学模型的方法能够得到比较理想的优化结果。 在建立的热力过程模拟数学模型的基础上，计算研究了影响天然气发 动机性能的主要因素，为提高发动机性能提供了依据。 关键词：增压天然气发动机、热力过程、模拟研究、运行参数优化 北京交通大学硕士学位论文 s t u d y o f t h e r m o d y n a m i c s p r o c e s ss i m u l a t i o n a n d o p e r a t i n g p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n f o rt h e t u r b o c h a r g e d d c n g e n g i n e a b s t r a c t a t m o s p h e r ep o l l u t i o na n do i l c r i s i sh a v eb e e nt w om a r ep r o b l e m st h a t r e t a r dt h ed e v e l o p m e n to f g l o b a le c o n o m y i no r d e rt or e d u c eb a n e f u le m i s s i o n ， m o d i f yr i s e s t r u c t u r eo fe n e r g ya n ds a v ee n e r g y , m a n yc o u n t r i e sa i ea c t i v e l y d e v e l o p i n gn e we n e r g yt e c h n o l o g ya n ds e a r c h i n g f o ra l t e r n a t i v ef u e l b e c a u s eo f i t sr i c hr e s e r v e sa n d g o o da v a i l a b i l i t y , t h ep r o p o r t i o no f n a t u r a lg a si nt h eu s eo f e n e r g yi si n c r e a s i n gr a p i d l y e n g l n e f u e l l e dn gi sb e c o m i n gt h eh o tr e s e a r c h d i r e c t i o no ft h ew o r l di nr e c e n t y e a r s a si ti se x c e l l e n t a d v a n t a g e s o n l o w e m i s s i o na n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e s u p p o r t e db yc h i n e s en a t i o n a lt e n t h f i v e y e a r p l a nc o n s t r u c t i o n p r o i e c t t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d i n j e c t i o ns i n g l e f u e l c n gb n s ，t h er e s e a r c ho f m o d e l i n gt u r b o c h a r g e dn ge n g i n ea n do p t i m i z i n g i t so p e r a t i n gp a r a m e t e r sh a v e b e e nc a r r i e do u ti no r d e rt oi m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c e s u p p o r t e db yl i t e r a t u r e s a n db a s e do nw h o l ec o n s t r u c t i o na n a l y s i so f w d 6 1 5c n g e n g i n e ，t h i sp a p e r c o n s t r u c t t h e r m o d y n a m i c s m o d e lo f t u r b o c h a r g e d n ge n g i n e i nt h i sm o d e ls e m i t h e o r yc o m b u s t i o nm o d e la n d t r a n s f e rh e a tm o d e lh a v eb e e na d o p t e d o n e d i m e n s i o nu n s t e a d yf l o we q u a t i o ni s p r e s e n t e df o rg a sf l o w i np i p e so fi n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m t h i se q u a t i o n s o l u t i o ni sd i s c u s s e d b a s e do n t u r b o c h a r g e d n ge n g i n et h e r m o d y n a m i c sm o d e l ，t h i sp a p e r c a r r i e so u tt h er e s e a r c hw o r kf o r o p e r a t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n a f t e r c o n f i r m i n ga i ma n dp a r a m e t e r , t h i sp a p e r s e t su pa l lo p t i m i z a t i o nm o d e la i mt o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft u r b o c h a r g e dn ge n g i n e t h i sm o d e ls o l u t i o ni ss t u d i e d t h ep r o g r a mo f s o l v i n gm o d e l i sw r o t e ，a n dt h e o p t i m i z a t i o nm o d e l i ss o l v e d t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e r m o d y n a m i c sm o d e lo ft u r b o c h a r g e dn g e n g i n ec a np r e d i c tm o r ea c c u r a t e l ye n g i n ep e r f o r m a n c e ，a n du s i n g t h em e t h o do f s o l v i n gm o d e lo fo p e r a t i n gp a r a m e t e ro p t j m i z a t i o n ，a b e t t e r r e s u l tc a nb e a c q u i r e d b a s e do n t u r b o c h a r g e d n ge n g i n e t h e r m o d y n a m i c sm o d e l ，t h i sp a p e r s t u d i e dt h em a i nr e a s o n st h a ti n f l u e n c et u r b o c h a r g e dn g e n g i n ep e r f o r m a n c e t h i sr e s e a r c hg i v e sb a s i sf o r i m p r o v i n ge n g i n ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：t u r b o c h a r g e d n g e l l 【g i n e ，t h e r m o d y n a m i c sp r o c e s s ，s i m u l a t i o n s t u d y , o p e r a t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1选题背景 第一章绪论 能源问题和大气环境改善是世界范围内关注的焦点，是汽车工业持续 发展面临的主要课题。 迄今为止，石油仍是汽车发动机燃料的主要来源。根据美国油气杂 志的评估，截至2 0 0 4 年1 月1 日，全球石油估算探明储量约为1 7 3 4 亿 吨，大约可继续开采4 1 年。中国的石油估算探明储量约为2 5 亿吨，人均 可采储量为1 0t 从，是世界平均水平的1 5 。随着国民经济的发展，自1 9 9 3 年中国成为石油进口国以来，石油进口量逐年增加，石油进口不仅耗费了 大量外汇，而且还会危机到我国的能源安全。近年来，国际原油价格高屠 不下，国内成品油价格不断上涨，燃油汽车的运用成本增加，将会使更多 人的目光转移到使用低成本的代用燃料汽车上，特别是对城市公交大型车 队和厂矿车队而言，代用燃料汽车具有更大的吸引力。 中国的空气质量处在较严重的污染水平，而汽车尾气排放是空气环境 污染的主要来源之一。环境检测数据表明，北京市机动车尾气排放对大气 污染物中c o 、h c 、n o 。的分担率分别为6 3 4 、7 3 5 和4 6 ，非采暖期 分担率更高，分别为8 0 3 、7 9 1 和5 4 8 ：上海市中心地区机动车排放 对大气污染物中c o 、h c 、n 0 。的分担率分别为8 6 、9 6 和5 6 ；广州、 天津、重庆等许多大中型城市也具有类似的情况冈。为了控制汽车尾气排 放对大气环境造成的日益严重的污染，同时也为使我国的民族汽车工业能 够参与国际竞争，国家相关部门参照欧洲机动车污染控制体系( 表1 1 列 出欧洲重型汽车捧放限值) ，制定了我国汽车捧气污染控制标准，并于2 0 0 0 年起开始实施。随着更严格的捧放限值的执行，促使我国燃油发动机技术 不断取得进步，但随之所付出的代价也将会越来越高。由于天然气、液化 石油气等汽车代用燃料具有良好的物理化学特性，能够有效地降低汽车尾 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 气中的有害成分而受到业内人士更多的关注，现在我国开展的“清洁汽车 行动”也正在促进对代用燃料汽车的研究和推广。 我国天然气资源储量丰富，这为发展天然气汽车提供了有利的客观条 表1 1 欧洲重型汽车排放限值 h cc 0 n o x p m 标准 ( g k w h )( g k w h )( g k w h )( y j k w h ) e u r oi 1 14 58 00 6 1 e u r ol i1 14 o7 00 1 5 e u r o1 1 1o 72 55 00 1 2 e u r oi v0 51 o3 o0 1 0 件。根据国内外对天然气汽车的研究与使用过程中总结的经验，使用天然 气作为汽车发动机燃料具有如下主要优点1 6 l u l l l 3 | 2 6 1 4 0 4 1 1 1 4 2 1 1 4 3 4 9 5 5 ： ( 1 ) 可以促进改变汽车发动机燃料的利用结构，减少汽车对汽油、柴油 等液体燃料的依赖，有助于在一定程度上缓解石油资源紧缺的状况； ( 2 ) 相对于其他代用燃料，如醇类燃料( 如乙醇及甲醇) 、醛类燃料( 首 推二甲醚) 、植物油以及氢燃料等，天然气的输送及加气设施的相对 比较完善，有利于天然气汽车的推广应用； ( 3 ) 天然气辛烷值较高，爆震倾向小，可以采用高的压缩比，发动机的 经济性和热效率都可以得到提高： ( 4 ) 天然气发动机能够减少有害气体排放。发动机基本上不向大气排放 高分子量的碳氢化舍物、硫化物、苯、烯类废气和醛类废气，且颗 粒物排放特别少。若采用的方法适当，发动机尾气中c o 、h c 和 n o i 的排放能够显著下降； ( 5 ) 天然气与空气容易混合，燃烧完全，c o z 的比捧放量明显减少； ( 6 )发动机燃烧室壁不易形成积碳现象： ( 7 ) 使用天然气可以减少燃料和润滑油的消耗由于燃料不会玷污机油， 更换机油的周期可以增加一倍，同时发动机的使用寿命得以延长； ( 8 ) 发动机起动性能好，起动磨损小，火花点燃式天然气发动机噪声比 柴油机要低。 2 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 由于使用天然气燃料具有上述优点，很多国家都根据本国的具体实际 情况制定了鼓励天然气汽车研究开发和使用的优惠政策和措施，促使汽车 生产商开发出各种用途的天然气汽车，其中日本公交车和轻型卡车已经大 规模地应用了天然气车辆。根据美国天然气汽车联合会和其他一些机构的 研究和评估，2 0 0 4 年全世界至少有2 0 0 万辆天然气汽车在使用，预计到2 0 1 0 年，全世界天然气汽车的数量将超过2 2 0 0 万辆。 近些年来，我国制定的产业政策和科技政策皆鼓励对天然气的开发和 利用，鼓励对低污染的天然气汽车及发动机的研制及应用，促使了我国天 然气汽车总量的迅速增加，使用区域也在不断扩大。随着各种国产天然气 汽车陆续推向市场，国产车辆的市场占有量也有所扩大，但性能与国外汽 车相比，仍存在较大差距，因此，提高国内产品的市场竞争力，缩短与国 外产品的技术差距，积极开展天然气汽车技术及天然气发动机技术的研究 就已经显得更加迫切。 1 2 天然气发动机的发展研究概况 气体燃料是内燃机诞生时的首选燃料之一，只是随着石油的开发才逐 渐被放弃了。进入二十世纪八十年代，由于汽车面临石油资源紧缺和排气 污染两个严重问题，使气体燃料的应用研究又一次被推向了前沿。其中天 然气由于储量丰富，天然气发动机排放污染低等特点而备受人们青睐。 现阶段与天然气发动机相关的技术已逐渐发展起来，这些相关技术涵 盖了各个方面，它涉及到燃料供给系统中包括的各种储气装置、安全保障 系统、各种形式的调压器与混合器及喷射器等关键部件；涉及到发动机燃 烧室、点火系统、进气系统、以及燃用天然气时发动机的耐久性和可靠性； 涉及到天然气的成分、质量以及其加工和制备的工艺；涉及到加气机、压 缩机、站用储气装置等相关基础设施；并且已经形成了比较完备的标准法 规体系，同时天然气发动机的电子控制技术和排放控制技术的研究和应用 皆已经达到与燃油发动机同步发展的水平。 从燃料供给控制技术的发展来看，天然气发动机技术的发展大致分为 第一代技术、第二代技术和第三代技术三个阶段i 嗣： 3 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一代技术对应于发动机化油器技术，它在不改变发动机原有燃烧系 统的前提下，加装一套天然气燃料供给系统，采用文丘里管或比例调节式 机械控制混合器，利用发动机进气真空的变化调节天然气的供给量，以适 应发动机不同工况对供气量的要求，保证发动机的正常燃烧。它无电控系 统和排气后处理装置，这种技术成本较低，对发动机或整车排放的改善效 果有限。与燃油时相比，匹配较好的天然气供给系统，车辆燃用压缩天然 气( c n g ) 时，其c o 、h c 捧放量均有所降低，而n o ：下降较少或不下降， 与柴油机相比，其可见污染物排放的改善十分明显。统计结果表明，装用 这一简单系统的汽车，其排放水平难以达到e u r oi 排放标准的要求。 第二代技术是在第一阶段的基础上，采用闭环电控技术，根据安装在 排气管上三元催化器前的氧 传感器的信号，以及其他传 感器( 包括发动机转速、节 气门位置、水温等) 信号， 通过电控单元控制供给发动 机的燃气量，使发动机空燃 比保持在在理论空燃比附 近，以充分发挥三元催化器 的效率。图1 - 1 是采用第二代 技术的控制系统示意图，在 该系统中，储存于气瓶中的 图1 - 1 采用电磁阀和比例调节式混合器的控制 系统原理图( 成都优力特会司贲料) c n g 经过减压器减压后转变为具有一定压力的气体燃料，氧传感器、发动 机转速传感器和压力传感器将发动机运行中的氧气浓度、进气压力、发动 机转速等参数输送绘e c u 进行处理，电磁阀按照e c l l 的指令控制进入混合 器的燃料量。采用这种技术方案可以使汽车排放水平达到欧洲1 号乃至欧洲 i l 号法规的要求。目前第二代技术在国外仍大量使用。国内在这方面也做 了大量的研究工作，其中在主要轿车车型如夏利、捷达、富康等进行的c n g 第二代技术的研究开发工作，已经取得了良好的效果。 上述两代技术皆采用了两套燃料供给系统，其主要适用于在燃油发动 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 机上进行的天然气发动机改装。改装后的发动机分为既可以使用天然气也 可以使用汽油作为燃料的两用燃料发动机和同时使用液体燃料和天然气的 双燃料发动机。两用燃料的发动机一般采用电火花点火的方式，当其装车 运用时，驾驶员可以通过转换装置选择天然气或汽油进行驱动。而双燃料 发动机一般采用压燃方式点火，该点火方式是在接近压缩上止点时，通过 喷入气缸内的少量柴油高温自燃，来引燃在进气门关闭前已经吸入气缸内 的天然气与空气的混合气。与两用燃料发动机相比，双燃料发动机可以采 用更高的压缩比，能在高效率下燃烧比较稀的混合气，并且具有与原柴油 机相当的动力性和热效率。 第三代技术的主要特征是采用闭环电控喷射和使用天然气燃料专用的 催化转换器。这一技术主要针对的是燃烧单一燃料的天然气发动机。天然 气燃料喷射可采用单点电控喷射和多点电控喷射、进气道喷射和缸内直接 喷射、气态喷射和液态喷射等多种方式，同时设计应用与天然气燃料特性 相适应的发动机燃烧系统、进排气系统等系统，发动机动力性和经济性进 一步改善，排放则可达至l j e u r 0 1 i 乃至更高的排放法规限值。 目前国外第三代技术已经发展成熟，福特汽车公司开发的电控喷射单 一燃料c n g 轿车( f o r d l 9 9 6c r o w nv i c t o r i a ) 、以及单燃料c n g 卡车( f - 2 5 0 型；f f l f - 2 5 3 5 0 型) 1 4 5 j ，捧放指标可以达到美国加州u l e v 和s u l e v 排放法规 的要求。日本本田公司在原车汽油机的基础上研制开发的c i v i cg x 轿车专 用压缩天然气( c n g ) 发动机嘲，采用了电控多点进气口顺序喷射系统； 为提高充气系数，改进了发动机进气歧管和排气系统，并采用可变气门定 时和升程的电子控制配气机构；优化了点火正时；开发了专用的6 0 0 孔穴基 体三元催化转化器，同时，压缩比由9 4 提高到1 2 5 ，此外，还改进了缸盖 垫片、活塞、活塞销、连杆和气门等零部件。该发动机低速时功率与原汽 油机相当，最大功率则超过原汽油机，而其排放性能达到了美国加州超低 排放汽车( s u l e v ) 排放标准限值，并且对温室效应有影响的c 0 2 气体的 排放量比汽油机减少2 3 左右。我国现阶段正在组织力量进行第三代技术 的研究工作，并且制定了产业化的发展目标。 5 北京交通大学碗士学位论文第一章绪论 1 3内燃杌热力循环模拟的研究与发展概况 自2 0 世纪7 0 年代以来，由于快速、大容量电子计算机和数据处理系 统在内燃机研究中的应用，以及试验技术、测试仪器与装备的改进，促使 内燃机试验和理论研究有了较大发展，内燃机热力循环模拟研究成为可能。 内燃机热力循环模拟涉及到内燃机的缸内燃烧过程、缸内工质的流动 及传热过程、进排气系统中热力学和气体动力学过程以及与涡轮增压器的 匹配等各种物理的、化学的变化过程，对经历这些过程的系统进行恰当的 简化和抽象，建立起相应的数学模型并用数学的方法进行求解，是内燃机 热力循环模拟研究所要解决的主要任务，是模拟研究发展一直要面对的主 要课题，对这些过程的研究及其所取得的进展也反映了内燃机模拟研究进 一步发展的动向。 ( 1 ) 燃烧模型1 2 h 3 1 i g h l o l 内燃机缸内燃烧过程的研究是数值模拟的关键，燃烧过程数值模拟的 研究已经历了单纯的放热规律计算、零维燃烧模型、准维燃烧模型和多维 燃烧模型4 个阶段。燃烧模型的不同主要表现在对燃烧室内温度场、压力 场、组分浓度场和流场的不同处理方法上。零维燃烧模型假设燃烧室内压 力、温度、组分浓度瞬对均匀，并且认为系统边界所有各点参量为完全相 同，以时间作为唯一的自变量。它是从畿量的角度研究燃烧现象，求解以 热力学第一定律为中心建立起来的一组封闭系统的能量守恒方程。对质量 燃烧率的处理采用半经验的方法，即给定质量燃烧率的函数关系，经过匹 配大量的试验数据，确定相关的经验常数，用于计算工作过程中温度、压 力等值，典型的质量燃烧率函数有余弦函数和韦伯函数。零维模型计算简 单、求解容易，能预测一些参数的变化对内燃机性能的影响，但是，零维 模型对实验的依赖性较大，在给出燃烧过程经验公式的范围内，可以较准 确的预测内燃机燃烧过程的主要性能参数。准维燃烧模型是在零维模型的 基础上发展而成的，它通过对空间进行分区处理，并假定在各自分区内为 均匀场，各区之间参数互不相同。该模型不需要预先给定燃烧放热率，而 是从更加基本的物理量( 如火焰传播速度等) 出发，导出质量燃烧率，问 6 北京交通大学硬士学位论文 第一章绪论 接反映结构参数、运转参数以及紊流对燃烧的影响，而对于其他过程，仍 按零维处理。准维燃烧模型能提供有关燃烧过程的细节信息，如若火延迟 期、燃烧持续期和废气再循环等的预测，由于进行了分区处理，还能在一 定程度上预测排放，虽然是近似的，但计算比较容易，在预测内燃机设计 和运转参数的变化对燃烧过程的影响时，准维模型能够得到较零维模型更 深入的结果。多维燃烧模型是对描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学 组分等各控制性偏微分方程与描述湍流过程、化学过程、边界层过程等相 应的子模型一起，针对适当的边界条件用数值方法求解，它不仅能够反映 燃烧过程随时间的变化，而且能提供气流速度、湍流特性、温度和组分浓 度在燃烧室空间分布的详细信息。多维燃烧模型较零维和准维模型复杂得 多。由于对湍流和燃烧化学等许多现象的尚不清楚，再加上对计算机容量 和计算成本的限制，使多维模型的应用还存在很大局限性。但随着人们对 湍流混合、化学动力学、火焰形成和传播机理、传热及边界条件等方面的 研究加以突破和计算技术的进步，多维模型将得到迅速发展并趋于完善。 ( 2 ) 进排气管系的数值模拟1 3 1 1 3 7 】i 删1 5 l l 描述迸摔气管系气体流动特性的数学模型有零维模型、一维模型和多 维模型。零维模型也即容积法，其基本设想是：气体在管系内的流动过程 被认为是准稳态的，管系被视为一个容器，在所研究的容器容积内，忽略 压力波传递所需要的时间，各状态参数只是时间的函数，与空间位置无关。 该模型可用于流程很短、波动传递时间可以忽略的管道计算，特点是计算 速度快，但对于长的管系或多缸高速发动机由于顺序发火而引起的压力波 动就不太适用。一维模型考虑了沿管长方向上压力波传递的时间影响，认 为管内压力波的传递不但随时间变化，而且在同一时亥0 ，沿管长方向不同 位置处压力波动也是不同的。该模型能反映管路轴内尺寸变化的影响，可 以比较不同管系对发动机性能变化的影响。一维模型研究的关键是对其一 阶拟线性偏微分控制方程的数值求解问题，现已发展应用的主要数值计算 方法主要有：特征线法、有限差分法和有限体积法。特征线法对压力波的 模拟较准确，但流量误差较大。有限差分法在计算的稳定性和计算精度之 间存在矛盾，但计算速度和计算精度优于特征线法。有限容积法是近来内 7 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 燃机进排气管系非定常流动数值计算研究中广泛应用的方法，其基本思路 是将计算区域划分为有限个容积，在每个控制容积上逐一积分导出偏微分 控制方程的守恒型离散方程。该方法计算速度快，物理意义明确，理论上 可以避免流量计算的误差。目前很多大型商业软件( 如p h o n i e x 、f l u e n t 等) 热流体流动计算程序均采用此方法。多维模型在进排气管系的模拟计 算中已经被尝试，国内外研究人员在此方面作了大量的研究工作，相比较 而言，国外的研究工作更深入，实用性更强，并且已经开发出了应用广泛 的以多维流动数值模拟模块为技术核心的商业软件，如美国l o sa l m o s 国家实验室采用a l e 法开发的k 1 v a ，这些软件可以对二维或三维对流扩 散粘性可压缩热流体流动问题进行数值求解。国内对多维流动研究基本上 处于理论研究阶段，周建华对三通接头进行了三维定常计算和二维可压缩 有限元模拟，朱义伦对扩压管进行了二维定常和非定常流数值模拟和实验 研究，刘伯棠等应用贴体网格和有限体积法，对m p c 涡轮增压系统进行 了二维与三维非定常粘性可压缩流动计算，这些研究成果有助于了解管系 内多维非定常流动，但由于对这些部位流动机理的认识仍有局限性，而且 较难提供准确的边界条件，因此模拟精度也不尽人意，加上编程复杂，计 算工作量大，使进排气管系多维模型在内燃机循环模拟研究中较少应用。 目前，内燃机进摊气管系数值模拟的实用模型仍是一维非定常流计算模型。 内燃机热力循环模拟仍在不断发展和完善之中，各种模型的计算精确 性有赖于边界条件的恰当取定，而这些边晃条件许多是通过试验获得的， 同样，模拟计算的最终结果也需要试验的验证，因此，内燃机热力循环模 拟研究的发展与试验研究是紧密联系的。 1 4 优化技术在内燃机中的应用 在实际工程中进行各项工作时，总是希望所采取的措施是一切可行方 案中最优的方案，这就是最优化问题。在生产、研究领域普遍存在最优化 问题。最优化技术主要是研究在一定条件限制下选取某种方法以获得最优 方案的- - f - j 科学，搜索最优方案的方法称为最优化方法，最优化问题也称 为数学规划问题。 8 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 最优化技术在工程设计中的普遍应用是从2 0 世纪7 0 年代开始的。在 内燃机研究中，优化技术大多数应用于对某个系统或某个零部件的优化， 如气缸直径和活塞行程优化、连杆结构优化、配气机构优化和控制系统参 数优化等，而对于内燃机整机性能优化，由于内燃机工作过程的复杂性， 涉及的可变因素又很多，因而对其进行的研究还为数不多。1 9 7 4 年 h d s h r o f f 与d h o d g e t t s l 3 1 首先尝试应用最优化方法解决涡轮增压柴油机 性能优化的问题，采用了线性规划的序列逼近法对所建立的单目标非线性 规划模型进行求解，寻求使柴油机工作过程最优的参数值。由于只是对单 目标、单变量的优化，没有反映多目标寻优变量的交互作用，因而只局限 于理论分析。前苏联学者在应用运筹学方法解决柴油机性能优化方面，做 了一些工作，从系统工程的观点研究了柴油机性能优化的原理与准则，研 究了各种求解柴油机性能优化的方法。1 9 8 2 年日本的广安博之【3 】探索应用 了准维燃烧模型进行柴油机燃烧系统的优化设计，其采用系统辩识方法将 优化问题转化为离散系统的线性控制问题进行了数值求解。奥地利的学者 在内燃机性能优化时，将选定的几个设计参数按一定的间距变化，分别进 行热力循环模拟计算，然后将计算结果作出曲线，从图上找出符合要求的 最优方案。缺点是计算工作量大，精度低，对于多于4 个以上变量的寻优 比较困难，但比较直观。在国内，王智慧1 4 】应用交互式可行方向法( i f d m ) 对6 1 6 0 柴油机工作过程参数进行了多目标优化计算。金昶明1 1 9 1 研究建立了 正交模糊神经网络方法对柴油机进行了多目标优化，利用正交优化所具有 的正交性、代表性和综合可比性，通过正交表的有限次计算和模糊神经网 络的学习诊断功能寻找出多目标最优解。 上述研究工作虽然取得了一定的成效，但就内燃机优化研究总体而言， 内燃机整机性能优化还有许多课题噬需解决。随着高速、大容量计算机的 开发和应用，以及新的优化理论和方法的在性能优化上的实践，内燃机整 机性能优化的内容必将会不断得到补充和丰富。 1 5 本文主要研究内容和意义 从目前国内外的研究状况来看，天然气发动机的开发研制都是在原有 9 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 发动机产品上进行的，与燃油发动机相比，天然气发动机可以实现更加清 洁的排放，然而由于天然气是气体燃料，发动机的容积效率较低，致使输 出功率较原基础机型要低，其次由于燃烧压缩天然气后，缺少蒸发潜热， 而使缸内缺少了燃料的冷却作用，因此在发动机运行过程中活塞、气缸壁、 气1 1 5 1 气门座等处的温度会升高，发动机耐久性能受到威胁。提高发动机 的动力性和保证发动机的耐久可靠往往是相互矛盾，为同时满足这两方面 的要求，需要发动机设计时除了在材料上进行改进外，还希望能够对发动 机的结构参数、运行参数等进行优化组合，以充分发挥天然气燃料特性 提高天然气发动机的性能。这也就是本文研究的目的和意义。 本文的研究工作是依托国家“十五”科技攻关项目“电控喷射单燃料 c n g 公交车研究开发”项目开展的。本文的研究内容主要包括： 在分析天然气发动机整体结构的基础上，根据热力学第一定律建立缸 内热力循环数学模型，模型分缸内燃烧和充量更换两个阶段进行了数学描 述，并考虑换热因素对性能的影响；建立进排气管系一维非定常流动数学 模型以及增压器和中冷器等物理子系统的数学模型：由质量与能量在各物 理子系统的传递规律，建立完整的天然气发动机整机热力循环数学模型。 进行天然气发动机热力循环模拟优化研究，由分析优化数学模型的构 成着手，在以排温为约束的条件下，建立以动力性和经济性为优化目标的 增压天然气发动机运行参数优化数学模型。编制优化算法程序，并与发动 机循环模拟计算程序进行结合，进行运行参数的寻优计算。 进行增压天然气发动机台架试验系统的建设，通过试验验证增压天然 气发动机热力过程模拟数学模型，并对运行参数的优化结果进行试验对比 分析，来验证本文研究的优化理论对增压天然气发动机性能优化的可行性。 利用增压天然气发动机热力过程模拟数学模型计算分析影响天然气发 动机性能的主要因素，以便于指导试验工作。 1 0 北京交通大学硕士学位论文 第二章增压天然气发动机热力过程的数学模拟 第二章增压天然气发动机热力过程的数学模拟 完全以压缩天然气为燃料的发动机，其燃料供给系统、进排气系统 和燃烧系统都要做相应的变动和改进，此外，还需对发动机点火系统、 控制系统等进行重新设计，因此，天然气发动机的整体结构与基准型柴 油机楣比，就有了很大的不同。本章在介绍和分析增压天然气发动机整 体结构的基础上，建立了增压天然气发动机热力循环模拟数学模型，该 数学模型是后续章节运行参数优化的基础。 2 1 增压天然气发动机的整体结构 本文研究的增压天然气发动机是以w d 6 1 5 柴油机为基准机型进行 改进设计的。考虑到与原基准机型产品零部件的通用性和天然气燃料的 特性，对天然气燃料供给系统、进排气系统和燃烧系统等进行如下所述 的设计改进。 1 燃料供给系统 天然气供给系统主要是由高压气瓶、充气阊、切断电磁阀、过滤器 和减压器等组成，图2 - 1 为其系统示意图。 图2 - 1c n g 发动机燃料供给系统结构示意图 北京交j 蘸大学硕士学位论文第二章增压天然气发动机热力过程的数学模拟 发动机运行时，从气瓶流出的高压天然气，经过过滤、减压后，将 压力降至阀前允许的喷射压力，喷射阀根据e c u 发出控制指令，定时 定量地将天然气喷入发动机进气歧管，天然气在歧管内与空气初步混合 后进入气缸，并在压缩过程中进一步形成均匀混合气。 2 进排气系统 进排气系统示意图如图2 2 所示，该系统是由包括空气滤清器、废 气涡轮增压器、中间冷却器、节气门、进气稳压箱、催化转换器和消音 器，以及进、排气管等组件组成。 空气的增压冷却有助于提高天然气发动机的充气效率，改善发动机 的动力性能，降低缸内燃烧温度，利于减少n o x 排放量，因此，在系 统中设置了废气涡轮增压器和增压空气中间冷却器。 由于发动机采用预混合方式形成燃料混合气，为了控制进入气缸内 的空气量，便于调节发动机负荷，在中冷器和进气稳压箱之间安装了进 气节流装置( 节气门) 。该装置通过步进电机驱动，可以根据要求调节 其开度，从而改变节气门喉口的流通截面，达到调节空气流量的目的。 在节气门体上还设置有怠速旁通阀，用于调节和控制怠速工况下进 图2 2 进排气系统示意图 1 一压气机；2 一空气滤清器；3 一中间冷却器；4 一节气门；5 一进气管； 6 一迸气稳压箱：卜捧气管 8 一消音器：9 一催化转换器 1 0 一涡轮： a 一进气口；b 一排气口 北京交通大学硕士学位论文第二章增压天然气发动机热力过程的数学模拟 入气缸内的空气量，从而使发动机怠速转速能够在负载变化的情况下保 持稳定。 3 燃烧系统 燃烧稀薄混合气的天然气发动机，燃 烧室形状应有助于提高火焰的传播速度 和缩短燃烧持续时间。国内外天然气发动 机研制过程中，盆型燃烧室的研究和使用 已被广泛考虑。w d 6 15 电控增压天然气 图2 3 燃烧室活塞顶形状 发动机在开发期间，先后采用几种型式的燃烧室进行了试验，最终确定 了如图2 - 3 所示的燃烧室活塞顶形状。计算研究表明，该形式的燃烧室 在压缩冲程终点时由于挤流作用使紊流强度增加，这对于减少燃烧循环 变动有利。同时，由于在火花塞处紊流强度累积值增加，火焰核心的形 成则需要更多的点火放电能量，致使燃烧过程初燃期时间变长，而主燃 期缩短，这样即使点火定时进一步提前也不会产生爆震，进而可以使排 气温度降低。 图2 - 4 说明了压缩比、过量空气系数及中冷后的进气温度对气体燃 l j 囊l 五 氧1 ： 嘉撕鲰神匍 增压中冷后的进气温度o c 图2 - 4 气体燃料发动机运行工况限制曲线 北京交通大学硕士学位论文 第二章增压天然气发动机热力过程的数学模拟 料发动机爆燃的影响。从图中可以知道，气体燃料发动机由于受到爆震 的限制，为保证运行工况的稳定，其压缩比也要进行变动。与基础柴油 机相比，天然气发动机的压缩比则需要降低，根据分析及计算，确定将 发动机的压缩比从1 6 0 降低到1 0 5 。 4 点火系统 由于天然气在常压下的着火温度比柴油和汽油都要高，为5 3 7 ， 所以单燃料天然气发动机适宜采用电火花点火的方式，因而发动机须增 加点火系统。由于增压天然气发动机采用稀薄混合气燃烧方式，要求点 火系统能够产生足以击穿火花塞间隙的电压和提供高的点火能量。 设计的高能电控直接点火系统主要由电控单元、点火驱动放大电 路、点火线圈、高压线和火花塞等组成，系统原理框图如图2 5 所示。 该点火系统取消了传统点火系统中常用的断电器触点和分电器，每个火 花塞需由一个独立的点火线圈供电。由于没有断电器触点，可以提高初 级电流的断开值，减少点火线圈低压绕组的匝数和低压电路电阻，从而 可以提高点火电压；取消分电器后，降低了电磁能量消耗，使电磁能量 得到充分的利用，而且基于微控制器控制的点火系统在发动机任何工况 下均可以提供最佳的点火时刻。 图2 - 5 高能直接点火系统原理框图 2 2 增压天然气发动机缸内热力过程的数学模拟 增压天然气发动机是极其复杂的热力装置，对其热力过程的数学模 拟分析，是在热力学、气体动力学和内燃机的基本原理的基础上，对整 个发动机的各物理子系统及其之间的关系进行数学描述，并通过数值求 解，定量地分析参数变化对发动机性能和可靠性的影响，从而为设计和 1 4 北京交通大学硕士学位论文 第二章增压天熟气发动机热力过程的数学模拟 性能分析提供依据。 根据前述增压天然气发动机的整体结构，将发动机分为如下几个热 力滋子系统：气缸、进气管、排气管、增压器、节气门、中间冷却器、 空气滤清器、催化转换器和消声器等，图2 6 示出了增压天然气发动机 系统组成图，相临的各子系统之间通过管口或孔口联系起来，进行着能 量和质量的交换。 i 气缸i i 进气管 i x 排气管v 增压器 节气门w 中问冷却器 空气滤清器 1 瓜催化转换器 v 皿消声器 图2 - 6 增压天然气发动机系统组成图 2 2 1 缸内热力过程基本方程【1 】【2 】【3 1 【5 1 0 】【2 1 】【2 4 】【2 5 】【3 7 】 如图2 - 6 所示，由气缸项蕊、气缸套周壁和缸盖底面围成的气缸容 积被看成热力过程的气缸内子系统。根据能量与质量的守恒规律和气体 状态方程列出求解工质状态的基本方程，即为： 能量方程 质量方程 d ud e d 口d 口 d m 拥。 d 口d 口 状态方程t 7 1 , = 小r r ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) a 表示曲轴转角；珊g 为越过系统边界的质量总量；m 为系统内工 北京交通大学硕士学位论文 第二章增压天然气发动机热力过程的数学模拟 质质量。式( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 表明，系统内工质热力学能u 或者质量, r l l 的变化d u 或d m ，应恒等于整个系统内能量e 或者质量m 。与外界交换 所引起的变化d e 或d m 。 气缸内工质热力学能随曲轴转角的变化率为 d u a ( m u ) “一d m + m 坐 ( 2 4 ) d ad ad ad a 而比热力学能是温度和工质成分的函数，其变化率为 堕。旦盟+ 旦堕( 2 - 5 ) d 口 a ld o ta 九d a 其中：瓦表示气缸内温度； 。表示瞬时过量空气系数。 2 2 2 缸内燃烧过程的数学描述 在发动机进、排气阀同时关闭，并忽略气缸内的泄露损失时，气缸 内形成一个闭口系统。根据热力学第一定律，气缸内工质热力学能的变 化为 d _ q _ o 。一p ，坐+ 监一y 盟d e 一 ( 2 - 6 ) d a1 d ac l a厶d ad a 式中：一p 譬为缸内工质对外所做的机械功；譬为燃料燃烧输入的 能量；一x 监为壁面热传递损失的能量。 o d o t 假定：燃烧起始时气缸内工质是均匀的；燃烧期间缸内空燃比 恒定；已燃混合气和未燃混合气具有相同的压力和温度。则式( 2 - 6 ) 经整理得缸内工质温度的变化率为 盟。 妇( m 。薏+ 等警) 等 ，+ 毒卜+ 也一q + 心卜+ n 鲁) 】 一 1 6 北京交通大学硕士学位论文 第二章增压天然气发动机热力过程的数学模拟 丝- p c 坐( 1 - m k nc 晚u n d c t d a ) 1 7 ) 一 ik 晚川 式中：l 缸内温度；m 。、m 口缸内工质质量和已燃物质量；u 。、“孙“卜 u a i r 缸内工质、已燃物、燃料和空气的比热力学能；l r 化学当量空燃 比；p c - 气缸内压力：风燃料低热值；a 过量空气系数；k 一气缸容积。 2 2 2 1 燃烧规律 内燃机燃烧过程的放热规律，在很大程度上决定了对缸内工质的加 热规律，进而影响内燃机做攻能力、经济性能和使用寿命。燃烧过程中 燃料燃烧的瞬时放热量m 可以表达为 绯= t n ，。h 。x ( 2 - 8 ) 对上式求导得燃烧放热规律 孥咀睾 ( 2 - 9 ) 上式中：m 。为进入气缸内燃料量：x 为燃烧过程中已燃烧的燃料量占 进入气缸的燃料量的百分比。 由于内燃机燃烧过程的物理化学过程极其复杂，因而燃烧放热规律 也不容易求得，一般求燃烧放热率的有下列几种方法： 1 )从内燃机实测的高压相位图求得燃烧规律； 2 )通过化学反应动力学的燃烧机理出发建立半理论半经验的燃烧 方程，以此方程代替真实的燃烧规律。该形式的燃烧规律也称为零维燃 烧模型或经验燃烧模型，迄今仍使用的代用燃烧规律有三角形代用放热 规律、韦伯代用燃烧规律等； 3 )从实际燃烧阶段的物理化学过程出发，建立复杂的燃烧过程数 学模型，模型考虑燃烧过程的各种中间细节，如火焰的形成、气体的湍 流运动、气缸内温度分布等，利用大型三维热流体计算软件进行大量的 数值计算求得。 增压天然气发动机采用预混合燃料混合气火花点火的燃烧模式，其 1 7 北京交通大学硕士学位论文 第二