（载运工具运用工程专业论文）天然气发动机进排气系统及配气相位优化研究.pdf

i i t ir ri iii lll l f ir i tiii 19 0 2 1 5 2 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：潘芏参兰 日期：2 。1 1 年牛月iz 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：洼芏撞 日期：山1 1 年十月1 2 日 指导教师签名：後吟 日期：汐。，年y 月f 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。 学位论文作者签名：潘芏栏 日期：z o ff 年千月f 厂日 指导教师签名：研岛岭 日期：lf 年￥月l ，日 摘要 摘要 随着汽车工业的飞速发展，石油资源短缺和环境污染加剧的问题日益凸显， 对车用发动机的传统石油燃料及其燃烧方式提出了严峻挑战，迫使人们加快了车 用发动机代用燃料的研发和应用进程。天然气由于具有排放污染低、资源丰富、 价格低廉等优点，因此成为一种极具发展潜力的代用燃料。但天然气发动机存在 其动力性与汽油机相比明显下降、燃气经济性变差等问题急需研究解决，而目前 国内外专家、学者对天然气发动机的研究大多是在发动机满负荷状态下进行的， 对天然气发动机在中、低负荷工况下的性能研究较少。 天然气发动机换气过程进行的好坏，对发动机性能有着直接影响，而发动机 进气系统和配气相位是影响发动机换气过程质量的主要因素，对充气效率有着决 定性的影响。改变目前传统天然气发动机进气歧管单一固定式结构以及发动机配 气相位固定不变的状态，采用可变进气歧管及可变配气相位技术可以较好的改善 天然气发动机换气质量，提高发动机充气效率，进而在一定程度上改善天然气发 动机动力性下降的不足。 论文利用g t p o w e r 仿真软件建立了一个燃用压缩天然气燃料的汽油发动机 仿真模型。根据压缩天然气的理化特性，改进了原汽油发动机的燃料供给和喷射 系统模型，在软件燃料库中新增了天然气组分乙烷和丁烷燃料库，建立了燃用压 缩天然气的发动机仿真分析系统。利用该系统较为全面的分析了不同负荷下进排 气系统及配气相位对发动机动力性和经济性的影响，并提出了相应的改进方案。 通过对发动机进、排气系统结构参数及配气相位等参数的优化，该天然气发 动机在不同负荷状态下的动力性、经济性都得到了不同程度的改善。其中，在 2 5 负荷时，优化后的天然气发动机最大扭矩和最大功率与优化前相比分别提高 了8 2 、1 1 2 ，燃气消耗率下降了3 1 ；在5 0 负荷时，优化后的天然气 发动机最大扭矩和最大功率与优化前相比分别提高了1 5 1 、1 4 2 ，燃气消耗 率下降了6 4 ；在1 0 0 负荷时，优化后的天然气发动机最大扭矩和最大功率 与优化前相比分别提高了9 1 、1 1 9 ，燃气消耗率下降了5 1 。 论文研究结果对进一步深入展开对天然气发动机进排气系统结构以及配气 相位参数对发动机性能影响的研究奠定了一定的基础，为天然气发动机的模拟仿 真开发提供一些参考，同时也对其它代用燃料发动机工作过程数值仿真研究具有 一定的参考价值。 关键词：天然气发动机性能；模拟仿真；进排气系统；可变配气相位； a b s t i 矾c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , o i l 他s o u “x 爆s h o r t a g ea n d e n v i r o n m e n t a lp o h 砸o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t , w h i c hh a sp o s e da s e v e r ec h a l l e n g et oc o n v e n t i o n a lo i lf u e l sa n dc o m b u s t i o nm o d eo ft h ee n g i n eo f v e h i c l e ，f o r c i n gp e o p l e t o s p e e du pt h ea l t e r n a t i v e f u e lo fv e h i c l e e n g i n e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o c e s s b e c a u s eo f l o wp o l l u t i o ne m i s s i o n s 、a b u n d a n t r e s o u r e 懿、l o wp r i c eo f n a t u r a lg a s ，t h e r e f o r eb ea p o t e n t i a ld e v e l o p m e n to f a l t e r n a t i v e f u e l s h o w e v e r , t h e r ea r es o m ep r o b l e m st h a t t h ep o w e ra n de c o n o m yo fc n ge n g i n e g e tw o r s ec o m p a r e dt og a s o l i n ee n g i n en e e dt ob es o l v e d a tp r e s e n t , r e s e a r c ho n c n ge n g i n e so fe x p e r t sa n ds c h o l a r si nd o m e s t i ca n df o r e i g nu n d e rf u l ll o a d c o n d i t i o nm o s t l y , a n dr a r e l yr e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo fc n ge n g i n e si nt h e m e d i u ma n dl o wl o a dc o n d i t i o n s t h eg a se x c h a n g ep r o c e s sd i r e c t l yi n f l u e n c e so nt h ep o w e r , f u e le c o n o m ya n d e m i s s i o n so fc n ge n g i n e s t h ei n t a k es y s t e ma n dt h ev a l v et i m i n gs y s t e mh a v e d i r e c t l ye f f e c to nt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h ec n ge n g i n e ，w h i c hi so n eo ft h e f a c t o r si nt h ea i rf l o wi nl o o ps c a v e n g e dp r o c e s s t h es i n g l ef i x e ds t r u c t u r eo fi n t a k e m a n i f o l da n df i x e dv a l v et i m i n gs t a t eo ft h ec u r r e n tc o n v e n t i o n a lc n ge n g i n ea r e c h a n g e d , i tc a nb eb e t t e rv e n t i l a t i o nt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fg a se x c h a n g eo fc n g e n g i n e ，a n di m p r o v i n gt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c y , w h e nt h et e c h n o l o g yo fv a r i a b l e i n t a k em a n i f o l da n dv a r i a b l ev a l v et i m i n gt e c h n o l o g yi su t i l i z e d , t h u si m p r o v i n gt h e p o w e ro fc n ge n g i n et os o m ee x t e n t i nt h i sp a p e r , ag a s o l i n ee n g i n es i m u l a t i o nm o d e li sc r e a t e db a s e do ng t - p o w e r s o f t t h ef u e ls u p p l ya n dm j e c t i o ns y s t e mo ft h eo r i g i n a lg a s o l i n ee n g i n ei si m p r o v e d , a c c o r d i n gt o t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc n g t h en e w f u e ld e p o to f e t h a n ea n db u t a n ei nt h es o f t w a r ei sc r e a t e d , as i m u l a t i o ns y s t e mo fc n ge n g i n ei s e s t a b l i s h e d t h ea f f e c to fi n t a k ea n de x h a u s ts y s t e ma n dv a l v et i m i n go np o w e ra n d e c o n o m yo fc n ge n g i n ea td i f f e r e n tl o a di sa n a l y e db a s e do ns i m u l a t i o ns y s t e m ，a n d p r o p o s eac o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tp r o g r a m a f t e ro p t i m i z a t i o no nt h ei n t a k ea n de x h a u s ts y s t e ma n dv a l v et i m i n go fc n g e n g i n e ，t h ep e r f o r m a n c eo fc n ge n g i n eu n d e rd i f f e r e n tl o a d si si m p r o v e da tv a r y i n g d e g r e e s a f t e ro p t i m i z a t i o nt h el n a x i i n u l nt o r q u ea n dm a x i m u mp o w e ro fo p t i m i z e d c n ge n g i n ea r ei n c r e a s e db y8 2 ，11 2 c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rr e s p e c t i v e l y , a b s t r c t a n dt h eg a se c o n o m yf e l lb y3 1 a t2 5 l o a d ；t h em a x i i n u n lt o r q u ea n dm a x i n u l n p o w e ro fo p t r m i z e dc n ge n g i n ea r ci n c r e a s e db y1 5 1 ，1 4 2 c o m p a r e dw i t ht h e f o r m e rr e s p e c t i v e l y , a n dt h eg a se c o n o m yf e nb y6 4 a t5 0 l o a d ；t h em a x i m u m t o r q u ea n dm a x i m u mp o w e ro fo p t i m i z e dc n ge n g i n ea r ei n c r e a s e db y9 1 ，11 9 c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rr e s p e c t i v e l y , a n dt h eg a se c o n o m y 伽b y5 1 a t10 0 l o a d 1 1 1 er e s u l t so ft h i sa r t i c l ef i l ls o m eg a p so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw o r k i n g p r o c e s so fc n ga n do p t i m i z a t i o no ft h ei n t a k ea n de x h a u s ts y s t e ms m m u m l p a r a m e t e r sa n dv a l v et i m i n g i n t h ed o m e s t i c , a n dp r o v i d i n gar e f e r e n c ef o ra s i m u l a t i o no fn a t u r eg a se n g i n e i ta l s oh a ss o m er e f e r e n c i n gv a l u ef o rt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fo t h e ra l t e r n a t i v ef u e le n g i n e s k e yw o r d s ：p e r f o r m a n c eo fc n ge n g i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i n t a k ea n d e x h a u s ts y s t e m ；v a r i a b l ev a l v et i m i n g 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第一章绪论。1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义。s 1 3 天然气作为汽车替代能源的优势及问题s 1 4 发动机工作过程数值模拟技术的发展与应用7 1 4 1 数值模拟技术发展的背景7 1 4 2 发动机工作过程数值模拟国内外研究现状7 1 4 3 数值模拟在天然气发动机上的应用9 1 5 论文主要研究内容9 第二章天然气发动机进捧气系统及配气正时研究现状一1 1 2 1 进、排气系统国内外研究现状1 1 2 2 可变配气相位技术的国内外发展现状1 5 2 3 影响天然气发动机燃烧过程的关键因素2 2 2 4 本章小结2 4 第三章天然气发动机仿真系统建立一2 s 3 1 汽油机仿真模型建立2 s 3 2 汽油机仿真模型验证 3 3 乙烷燃料库的建立2 9 3 3 1 焓拟合曲线系数的确定2 9 3 3 2 导热系数的确定2 9 3 3 3 黏度的确定3 0 3 4 丁烷燃料库的建立3 1 3 4 1 焓拟合曲线系数的确定3 1 3 4 2 导热系数的确定3 2 3 4 3 黏度的确定3 2 3 5 发动机燃用汽油和天然气对比3 3 3 6 本章小结3 5 第四章进、捧气系统优化3 6 目录 4 1 进气管中波动效应及能量损失分析3 6 4 1 1 进气管内压力波的形成、反射与合成3 6 4 1 2 进气管长度对充量系数的影响3 8 4 1 3 进气管沿程能量损失3 8 4 1 4 进气管局部能量损失3 9 4 2 进排气系统结构参数优化方案3 9 4 3 进气系统结构参数优化4 0 4 3 1 进气总管长度优化分析 4 0 4 3 2 进气歧管长度优化分析4 2 4 3 3 进气歧管直径优化分析4 4 4 4 排气系统结构参数优化4 6 4 4 1 排气歧管长度优化分析4 7 4 4 2 排气歧管直径优化分析4 8 4 4 3 排气总管长度优化分析s o 4 4 4 排气总管直径优化分析s 2 4 5 进排气系统优化前后性能对比分析s 4 4 6 本章小结s 5 第五章配气相位优化5 7 5 1 可变配气相位理论5 7 5 2 可变配气相位方案选择s 8 5 3 可变配气相位优化计算分析s 8 5 3 1 进气开启角进气关闭角( i v o i v c ) 优化计算s 9 5 3 2 排气开启角排气关闭角( e v o e v c ) 优化计算6 2 5 3 3 进、排气配气相位优化组合6 s 5 4 配气相位优化前后性能对比分析6 9 5 5 本章小结7 1 第六章结论与展望7 2 6 1 结论7 2 6 2 展望7 3 致 就7 4 参考文献7 5 在学期间发表的论著及取得的科研成果7 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 内燃机和汽车的发明给世界带来了现代化的物质文明，汽车工业的飞速发展 使得汽车的保有量迅速增加，在给人们的生产和生活带来极大方便的同时，也带 来了严重的石油短缺和环境污染等问题。因此，能源缺乏和环境污染问题已经成 为2 l 世纪的两大发展主题【。 能源是人类生存、经济社会发展的基本条件和物质基础。自1 8 世纪发生第 一次工业革命以来，短短2 0 0 多年间，人类已经消耗了绝大部分化石能源。目前， 世界煤炭、石油、天然气已经探明的可采储量分别为1 0 0 0 0 亿吨、1 5 6 7 亿吨、 1 7 5 8 万亿m 3 ，分别可供开采约2 0 0 年、5 0 年、7 0 年【2 1 。美国是世界上第一大 能源消耗大国，2 0 0 8 年能源消耗总量占世界能源消耗量的2 0 以上。中国自改 革开放以来，经济高速发展，能源消耗量也急剧攀升，是继美国之后的第二大能 源消耗大国，2 0 0 8 年能源消耗总量占世界能源消耗量的1 7 以上。2 0 0 8 年前5 名能源消耗国家见表1 1 。 化石能源是不可再生的资源，面对传统资源日益枯竭的危机，世界各国都积 极致力于可再生能源的开发。目前虽然取得了一些进展，然而距离可再生能源产 业化还需要很长一段时间。因此，节约能源，延缓化石能源枯竭，为新能源的开 发利用留有充足的时间已成为了世界各国的共识。 表1 12 0 0 8 年前5 名能源消耗国家 t a b l e1 1t o p5c o u n t r i e so f t h et o t a lp r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n 序号 国家能源消耗总量( 千万亿b t u )占世界能源消耗量的比例 1 美国 9 9 4 0 3 3 62 0 2 l 2 中国内地 8 5 0 5 9 7 4 1 7 2 9 3俄罗斯3 0 4 2 5 9 36 1 9 4 日本 2 1 8 6 6 5 84 4 5 5 印度 19 9 5 4 2 34 0 6 注：数据来源于美国能源信息管理局( b ! 塑! z ! 鳃! q ：金i 垒：曼q ! ：g q ! ) 美国能源部能源信息管理局发布的国际能源展望2 0 0 9 2 报告显示，在法 律和政策保持不变的情况下，非经济合作与发展组织( o e c d ) 国家占世界一次 2第一章绪论 能源需求增加9 3 ，其中的需求量增长来自于中国和印度；而经济合作与发展组 织( o e c d ) 国家增加2 4 【2 1 。2 0 0 7 年到2 0 3 0 年世界一次能源需要的增长中， 化石燃料占7 7 ，其中，石油需求从2 0 0 8 年的8 5 0 0 万桶天增长到2 0 1 5 年的 8 8 0 0 万桶天，2 0 3 0 年增长到1 0 5 亿桶天。图1 1 为1 9 8 0 2 0 3 0 年全球各国对一 次能源的需求图。 图1 119 8 0 - 2 0 3 0 年全球各国对一次能源的需求图 f i g1 1p r i m a r ye n e r g yd e m a n do fc o u n t r i e sf r o m19 8 0t o2 0 3 0 注：数据来源于美国能源信息管理局( b ! ! 吐么z ! 鲤! q ：皇i 垒：堕鲤：g q ! ) 改革开放以来，中国经济的快速发展，对石油的需求迅速增加，1 9 6 3 年中 国还在大量出口石油，而到了1 9 9 3 年，仅过了3 0 年的时间的中国就从石油净出 口国变为石油的净进口国，以后每年石油进口量都保持较高的增长速度，2 0 0 4 年我国石油进口约1 0 亿吨，加上成品油进口约为1 2 亿吨，比上一年增长了7 0 ，石油对外依存度从1 9 9 5 年的7 6 增加到3 5 以上，即使在石油进口如此激 增的情况下，2 0 0 5 年在广东和上海等地还出现“油荒”，目前中国已经成为仅次 于美国的第二大的石油消费国。预计到2 0 1 0 年石油需求将达3 5 亿吨，石油进 口将达1 7 亿吨，接近总需求的5 0 ；到2 0 2 0 年，中国石油消耗量预计达到4 5 亿吨左右，那时我国石油对外依存度将达到6 0 【l 】。 因此，在经济高速发展的情况下，石油短缺不仅成为制约中国未来发展和崛 起的严重瓶颈，并给国家安全带来严重威胁。在世界石油资源消耗中，汽车是主 要的消耗者之一，据统计，全世界石油产量约4 6 是由汽车消耗的【3 】。而在我国 石油消耗中机动车耗油所占比重最大，汽车保有量的增加进一步加剧了我国石油 短缺问题，2 0 0 5 年中国汽车保有量达到3 3 5 6 万辆，机动车耗油已占我国耗油量 的4 0 以上。到2 0 1 0 年年末汽车保有量已达到9 0 0 0 万辆，机动车消耗的石油将 占全国石油消耗量的4 3 ；到2 0 2 0 年机动车保有量将高达1 5 亿辆，我国汽车 第一章绪论3 对石油的消耗将达到全国油耗的5 7 【1 捌，那时我国的能源形势会变得更加严峻， 中国石油消耗量和机动车耗油情况如表1 2 所示。 表1 2 中国石油消耗量和机动车耗油情况1 t a b l 2o i lc o n s u m p t i o na n dv e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o ni nc h i n a 1 9 9 5 年2 0 0 0 年2 0 0 5 年2 0 1 0 年2 0 2 0 年 石油需求量( 亿吨)1 1 22 2 63 173 54 5 石油进口量( 亿吨) 0 0 8 50 7 91 3 61 72 7 对外依存度( )7 63 14 2 94 8 66 0 汽车保有量( 万辆) 1 0 4 01 6 0 93 3 5 69 0 0 01 5 0 0 0 机动车耗油( )3 3 84 04 35 7 随着经济的快速增长，中国已由一个原油输出国变为一个石油进口大国。从 总体上讲，目前我国能源消费总量约为美国的1 3 ，占世界能源消费总量的1 1 0 ， 居世界第二位。近年来，我国石油的对外依存度逐年提高，2 0 0 9 年石油进口依 存度已达5 2 。中国2 0 0 9 年发布的能源蓝皮书预测，十年后中国的原油对 外依存度将达到6 4 5 。专家警告称，中国石油对外依存度将超过美国，甚至达 到7 0 都有可能【4 】。1 9 9 4 2 0 0 9 年中国石油对外依存度变化趋势如图1 2 所示。 能源供给和能源安全问题已经显现，日益严峻的石油能源形势要求我们高度重视 节能降耗，以保障国家安全。图1 3 和图1 4 分别为1 9 7 8 2 0 0 9 年中国能源消费 总量和2 0 0 0 2 0 2 0 年中国石油消费变化趋势图。 图1 2 中国石油对外依存度 f i g1 2c h i n ap e t r o l e u me x t e r n a ld e p e n d e n c e 注：数据来源于中国石油杂志( h t t p ：1 w w w h i p e t r o c o m ) 在目前的车用代用燃料中，天然气以其丰富的资源、排气污染小、价格低廉 4 第一章绪论 等优势，近年来日益受到社会广泛关注与重视。天然气是一种复杂的h c 混合物， 其主要成分是甲烷，所占体积分数在8 5 - 9 7 之间，并含有少量乙烷c 2 h 6 、丙 图1 31 9 7 8 2 0 0 9 年中国能源消费总量单位：亿吨标准煤 f i g1 3t o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni nc h i n af r o m19 7 8t o2 0 0 9 注：数据来源于中国统计年鉴 图1 4 中国石油消费变化趋势图 f i g1 4o i lc o n s u m p t i o nn e n di nc h i n a 注：数据来源于中国统计年鉴 表1 32 0 0 2 - - 2 0 0 8 年中国主要城市c n g 汽车保有量 t a bi 3t h ec n gv e h i c l eq u a n t i t i e so fm a j o rc i t i e si nc h i n af r o m2 0 0 2t o2 0 0 8 年份 2 0 0 2 年 2 0 0 3 年 2 0 0 4 年 2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年2 0 0 8 年 北京 2 8 0 02 6 1 82 2 8 92 7 0 3 3 4 2 43 7 0 55 0 0 0 上海n a4 3 81 4 02 0 02 8 02 8 03 2 0 重庆 5 0 1 01 1 0 0 01 8 9 8 52 4 3 7 i4 0 8 4 04 9 2 6 86 0 4 5 3 两安n a 9 2 6 41 0 4 9 71 2 2 3 81 2 3 8 01 3 9 0 01 5 1 0 0 四川 3 2 5 7 04 7 1 0 05 2 4 6 15 7 9 6 08 5 8 6 21 2 9 8 0 01 5 0 6 0 0 鸟鲁木齐 2 4 8 03 4 8 85 3 9 87 2 6 61 1 0 9 41 5 3 7 01 9 4 1 3 第一章绪论 5 注：数据来源：节能与新能源汽车网& 赛迪顾问2 0 1 0 。0 2 烷c 3 h 8 、丁烷c , h l o ，以及少量的c 0 2 、n 2 、0 2 、h 2 s 等。天然气主要分为气田 气和油田伴生气，随着产地的不同，天然气的成分有所差异。天然气是继煤炭和 石油之后的第三大能源，全球天然气可采储量与石油储量基本相当，而天然气储 采比高( 7 0 ：1 ) ，可开采6 3 4 年n 1 ，具有广阔的开发应用前景。从目前发展状况来 看，天然气汽车的主要应用领域是城市公交车和出租车。表1 3 为2 0 0 2 - - - 2 0 0 8 年中国主要城市c n g 汽车保有量。 1 1 2 研究意义 近年来，随着我国经济的高速发展，城市机动车保有量越来越高，交通状况 也越来越复杂，使得发动机越来越多的工作在偏离指定转速的中、低转速范围内， 从而使得传统的进、排气管及配气机构与发动机的实际工况互不协调，导致发动 机的性能指标降低，甚至导致在某些工况下急速恶化；另一方面，随着人民生活 水平的不断提高和新技术的不断发展，人们对汽车的动力性、舒适性的要求也越 来越高，进而要求在满足各项法律、法规要求的前提下，以较低的使用成本获得 快捷的交通便利，从而享受到驾驶的乐趣。这些因素都迫使各发动机生产厂商必 须对发动机的相关结构等参数进行优化改进，改善发动机的性能，以满足市场需 求。影响发动机性能的因素是多方面的、复杂的，无论对压燃式还是点燃式，二 冲程还是四冲程来说，进、排气系统结构参数及配气正时无疑是众多影响因素中 十分重要的两个因素哺1 。 发动机进、排气系统的结构和流动性能的优劣将直接影响发动机的动力性、 经济性及排放性。而且，发动机所能发出的最大功率，归根结底是受到吸入的空 气量，空气和燃料的混合比例的影响，持续保持输出高额功率的关键因素之一是 在换气过程中提高发动机充量系数并降低进气系统的流动阻力。设计和匹配最佳 的发动机进气系统，就可以在一定的转速范围内增加充气量、提高功率、改善转 矩特性、降低油耗率和有害物排放晦1 。 此外，发动机的进、排气配气正时，也在很大程度上影响发动机部分转速下 的性能，传统的配气机构只能提供单一的配气正时，而发动机各转速下的最佳配 气正时是随发动机转速、负荷变化而有所不同的，单一的配气正时必然会牺牲发 动机某些转速时的性能。而采用可变配气正时技术，可以在很大程度上弥补传统 配气正时机构的不足，为发动机各个工况点提供最佳的配气正时，进而改善发动 机的性能。因此，研究分析进、排气系统结构参数及配气正时对发动机性能的影 响，不论是在理论上还是在实践中都很有必要h 8 1 。 1 - 3 天然气作为汽车替代能源的优势及问题 天然气是继石油和煤炭之后的第三大能源，全球天然气的可采储量与石油储 6第一章绪论 量基本持平，具有广阔的开发前景。天然气( n g ) 作为最理想的汽车代用燃料除 了能源丰富的优势之外，也是由其本身的理化特性所决定的。 较高的热效率：天然气的主要成份是甲烷，一般为8 5 9 9 ，此外还含 有少量其它烃类和n ：、h s ：、c 0 2 等，相对汽柴油有较高的辛烷值( 研究法辛烷值 为11 0 - 1 3 0 之间) ，抗爆震性能较好，所以可以适当提高发动机的压缩比，燃用 天然气的专用发动机的合理压缩比范围为1 0 5 1 2 ，最高压缩比可达1 5 ，因此 天然气发动机具有较高的热效率n 1 1 ；天然气和空气的混合气具有较宽的着火界 限，其过量空气系数的变化幅度范围为0 6 - 1 8 ，可以在大范围内改变混合气的 混合比提供不同成份的混合气，当发动机采用缸内直喷或稀薄燃烧技术时可以进 一步提高天然气发动机的效率n 1 副。 燃烧清洁。天然气是一种“清洁的燃料，由于天然气燃烧时温度低，从 而燃烧产生的n o , 排放较少，且天然气和空气同为气相，混合更为均匀，燃烧较 完全，美国e p a 报告指出：天然气汽车可以降低4 0 的h c 排放，5 0 的c 0 排放， 无碳烟( p m ) 排放，即使发动机工作在柴油天然气双燃料条件下，碳烟排放也 很低，大约是纯柴油的1 l o 左右，几乎呈无烟状态运行，并且天然气中不含苯、 硫、烯烃等成份，排气中多环芳烃( p a h ) 、醛和卜3 丁二烯等有害物排放也很少。 c 如排放低。因为在所有碳氢燃料中天然气的h c 最高，释放出单位能量 所产生的c o ：的排放比汽油低2 0 - 3 0 n j 习，因此大力发展天然气汽车是缓解c o 排放所引起的全球气候变暖问题的一个重要举措。 拥有较高的经济效益。在产生相同的当量热值时，世界各国一般将l m 3 天 然气的价格控制为1 l 汽、柴油的一半。假设各类发动机的热效率比较接近，则 天然气汽车的燃料费用大约只是汽油车或者柴油车的一半。 使用安全可靠。天然气的自燃温度高达6 5 0 - 6 8 0 ，远远高于汽油的 2 2 8 - - - 4 7 1 、柴油的2 0 0 - 3 0 0 ，达到自燃点起火的可能性要比汽、柴油小得 多，并且天然气的着火界限范围为5 1 5 ，而汽油为1 3 7 6 。天然气密度 比空气轻，即使稍有泄漏，也很快就会扩散到大气中，要达到天然气的点燃浓度 比汽油困难得多，因此，天然气作为汽车燃料安全性可以得到保证n 们。 但是，目前天然气作为汽车燃料时还存在一些问题需要解决，例如加气站技 术及相关设备等基础设施还不够完善；天然气的储存能量密度相对较低，限制了 天然气汽车的续驶里程；天然气作为气态燃料，在缸外形成混合气时会使发动机 的容积效率降低1 0 左右n 射，从而导致天然气发动机的动力性相比同排量的汽油 机要低；天然气的组份因产地不同会有所差异，进而影响燃料的空燃比和辛烷值 等一些参数，影响发动机的动力性、经济性和排放性。因此，还需在天然气发动 机功率恢复、减少气门及气门座的磨损、电控技术、稀燃技术、燃烧特性、排放 第一章绪论 7 特性以及实用化的三元催化还原剂等方面进行深入研究。 1 4 发动机工作过程数值模拟技术的发展与应用 1 4 1 数值模拟技术发展的背景 为了节约能源，克服石油危机，提高内燃机经济性能和新燃料的应用研究日 益受到重视，为了保护环境，降低大气污染，对内燃机有害排放指标和噪声的限 制也越来越高，这些都对内燃机的工作过程提出了更加严格的要求。几十年来， 科研工作者已尝试了采用多种技术来达到这一目的，取得了很多成果，但同时也 付出了很大的代价，因为传统的内燃机设计是以生产试验为基础的，这是一个 昂贵而漫长的过程，而影响内燃机工作性能的因素又很多，完全依靠试验来研究 它们的影响所付出的代价太大。上世纪6 0 年代以来，随着电子计算机的问世和 计算机软件、硬件技术的快速发展为计算机模拟研究提供了强有力的技术支撑， 相关基础理论( 包括计算流体力学、计算传热学、化学动力学等) 研究不断地深 入，使计算机数值模拟在内燃机的设计研究过程中扮演着越来越重要的角色。利 用较为完善的数学模型，可以分析缸内燃烧的发生、发展情况，有助于分析理解 燃烧的机理，通过研究各种结构参数、运行参数对发动机性能的影响可以指导选 型设计，优化内燃机整机系统，预测参数变化后内燃机性能的变化规律，从而简 化实验工作，缩短研发周期，加速内燃机研究工作的展开。 1 4 2 发动机工作过程数值模拟国内外研究现状 内燃机热力循环模拟是一个复杂的系统过程，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、化学的变化过程，另外，发动机是一个复杂的几 何体，故难以完全确定各点的不稳定边界条件。这就需要建立各种各样的物理化 学模型使方程简化。一般来说，发动机工作过程数值模拟技术包括物理化学模型 的建立和选择、计算区域离散、控制方程离散和代数方程求解等几个方面。 内燃机工作过程的模拟可以追溯到1 9 世纪末叶即内燃机诞生的初期，英国 人d c l e r k 是内燃机工作过程模拟研究的首创者。他于1 8 8 2 年用气体标准循环 分析方法比较了各种内燃机的热效率。稍后，德国人r d i e s e l 提出了一系列具有 不同燃烧方式( 等压燃烧、等温燃烧) 的内燃机循环模型。但在此后的8 0 年间， 这方面并没有取得重大的突破。在2 0 世纪6 0 年代出现了基于电子计算机的内燃 机循环模拟，此后，内燃机工作过程数学模型的研究出现了突飞猛进地发展。 2 0 世纪8 0 年代，世界各大高校相继自主开发了一系列的内燃机数值模拟软 件，如英国曼切斯特理工大学的m k - 1 4 ( 原代码) 。2 0 世纪9 0 年代初，一批商用 内燃机数值模拟软件相继问世，如奥地利a v l 公司的b o o s t 、美国g a m m a 公 司的g t - p o w e r 、美国西南研究院v i p r e 等，标志着内燃机数值模拟技术已达到 8 第一章绪论 实用化的程度1 1 6 1 。 内燃机数值模拟的应用领域相当广泛：应用热力测量和计算进行内燃机工 作循环分析，包括燃烧放热分析、摩擦损失分析、气体交换分析( 充气效率、空 气分配、泵气损失等) ；通过一维气体动力学计算进行进排气系统以及气门正 时的优化：增压系统的匹配；新发动机运行特性的预测；采用三维模拟对 部件进行优化；发动机与整车模拟相结合。 我国从2 0 世纪8 0 年代初起，即紧跟国际潮流展开了这一领域的研发工作。 1 9 8 5 年，清华大学内燃机教研室引进了英国u m i s t 的m k - 1 4 程序，并使之简 化用于小型计算机上，以适应当时的国情。在2 0 世纪8 0 9 0 年代，这些程序陆 续在当时的第一汽车制造厂、第二汽车制造厂、北京内燃机厂等大型企业中应用。 二汽6 1 0 0 q 和北京内燃机研究所4 9 2 q 汽油机利用此程序改进后的进、排气系统， 使整机的充气效率得到了明显提高。于此同时，国内一些企业也进行了相关研究， 并取得了一定的成果：如北京理工大学开发的三维内燃机工作过程通用程序 r e s 3 c i i ：中国科学技术大学火灾科学院重点实验室开发的计算直喷式柴油机螺 旋进气道与缸内空气的大型微机化程序i p i c c f d ：同济大学、江苏理工大学开 发的涡流式柴油机工作过程的三维模拟程序e n g i n e i i ：吉林工业大学开发的微机 版内燃机缸内多维气流运动模拟程序s u n 1 等【l7 1 。 目前，国内外常用的内燃机工作过程分析数值模拟工具有：s c r y u ，p o w e r f l o w ，s t a r c d ，f i r e ，b o o s t ，g t - p o w e r ，k i v a ，c f x - 5 ，f l u e n t ，f i d a p ， p h o e n i c s 等。不同的软件在不同的应用领域有各自的优势，作为美国g a m m a t e c h n o l o g i e s 公司开发的一维模拟软件g t - p o w e r 依靠其强大的试验能力的支持， 近年来发展相当快。在国内，东风汽车公司就应用g t - p o w e r 对东风e q 4 9 1 化