（动力工程及工程热物理专业论文）低热值气体发动机整机性能研究.pdf

国内图书分类号： tk4 学校代码： 10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 低热值气体发动机整机性能研究 硕士研究生 ： 李 宁 导 师 ： 杨建国 教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 动力工程及工程热物理 所 在 单 位 ： 汽车工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授 予 学 位 单 位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: tk4 u.d.c: 621 dissertation for the degree of master in engineering research on performance of low calorific value gas engine candidate： li ning supervisor： prof.yang jianguo academic degree applied for： master of engineering specialty： power engineering and thermal physics affiliation： school of automobile engineering date of defence： july, 2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -i - 摘 要 能源是社会各个行业发展的基础，交通和电力行业更是与人们的日常生活息 息相关，世界性的能源危机和环境问题的出现，使得推进能源行业改革的呼声越 来越大。传统不可再生的化石能源如石油、煤炭等的储量日渐减少，因此可再生 的生物质能源受到各国政府和学者们的广泛关注，其中将可控热解获得的生物质 气化气作为传统内燃机燃料的研究成为热点。 本文用 gt-power 模拟的方法， 对以木屑可控热解条件下生成的气化气为燃料 的内燃机整机性能进行研究。以 eqd210n-20 天然气发动机为基础，用 gt-power 软件建立模型，根据发动机的缸内压力分布和外特性对模型进行验证；通过发动 机模型燃用木屑气化气燃料，对其动力性、经济性、排放性和尾气特性进行模拟 计算，并优化参数设置；将燃用生物质气化气的发动机性能和天然气发动机性能 对比，得到二者规律性的差距，向气化气燃料中掺加天然气以改善发动机性能； 将低热值发动机应用于冷热电联产系统，通过发动机调节实现系统工况调节。 研究表明：点火提前角、燃烧当量比、节气门开度和燃料的组成是影响低热 值发动机整机性能的重要因素。对于低热值发动机，缸内最大爆发压力随点火提 前角的减小而减小，随空燃比的增加出现先增加后减小的趋势，在空燃比为 2.5 附 近存在最佳值；平均有效压力、转矩、功率等动力性参数存在最佳的点火提前角 和空燃比，分别为使 50%燃烧相位角为 10ca 和空燃比为 2.5 附近；燃气消耗率 受点火提前角的影响不大，在使 50%燃烧相位角在 10ca 的点火提前角和空燃比 为 3 附近存在最低值； nox生成量随点火提前角的减小而减小， 在空燃比为 2.53.5 之间时生成量较多；尾气温度随着点火提前角的减小而升高，随空燃比的增大出 现先升高后降低的趋势，在空燃比为 2.5 附近存在最大值，质量流量几乎不受点火 提前角的影响，随空燃比的增大而增加；向生物质气化气燃料中掺加天然气能较 显著的改善发动机的性能。冷热电联产系统的不同需求可以通过对发动机进行调 节来实现，通过改变节气门开度、点火提前角和空燃比能够有效的对电能、热能 和冷能的供应进行调节。 关键词：低热值气体发动机；整机性能；gt-power；冷热电联产系统；木屑气化 气 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -ii - abstract energy is the development foundation of all social industry, and transportation and electric power industry are closely related to the peoples daily life. the world energy crisis and environment problem have been calling the reform of the energy industry more and more. traditional non-renewable fossil energy such as oil, coal and other reserves are reducing day by day, so the governments and extensive scholars attention are attracted by the renewable biological energy sources. among them, the research of biomass gasification gases that obtained through controlled pyrolysis and as fuel of the traditional internal combustion engine has been becoming a focus. based on gt-power simulation, the comprehensive performance of the engine, which fueled with the gasification gas obtained through controlled pyrolysis from wood flour, was predicted. a model was built based on gt-power software to anatural gas engine of eqd210n-20. the model was validated by the cylinder pressure distribution and the full load speed characteristics of the engine， and used to predict the performance of power, economy, emission and exhaust of the engine fueled with the wood flour gasificationgas, and optimize the engines parameters. the performance of biomass gasification engine was compared to a natural gas engine to get laws of the gap. in order to improve the engine performance, adding natural gas to the wood flour gasification gas was simulated. making use of the gasification gas engine in the system of combined cooling heating and power, some adjustments under different conditions were studied. it is shown that ignition advance angle, burning equivalent ratio, the throttle valve and the composition of the fuel are the important factors which affect the biomass gasification gas engine. for the biomass gasification gas engine, the maximum cylinder pressure decreases with the decrease of the ignition advance angle. it increases firstly and then decreases with the increase of air-fuel ratio. its best value is near 2.5. there are the best ignition advance angle and air-fuel ratio for effective brake pressure, torque, power and other dynamic parameters, they are about 10 ca of the anchor angle（50% fuel were burned）and near 2.5 respectively. the ignition advance angle has little effect on brake specific fuel consumption, the minimum of brake specific fuel consumption is at the ignition advance angle correspond to the anchor angle （50% fuel were burned） of about 10 ca and at the air-fuel ratio of 3.the generation amount of nox decreases with the decrease of the ignition advance angle, and larger amount of nox generated when the air-fuel ratio is among 2.5 to 3.5. exhaust gas temperature increases with the decrease of ignition advance angle, it increases firstly and then decreases with the increase of the air-fuel ratio, its maximum value is near the air-fuel of 2.5.the mass flow rate of exhaust gas is almost not affected by the ignition advance angle, which increases with the increase of the air-fuel ratio. adding natural gas to biomass 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iii - gasification gas fuel can improve the engine power, economy and exhaust conditions effectively. different demands of the cchp system can be realized by adjusting the gas engine. different supplies of electricity and heat and cold energy of the cchp system for the user can be achieved by changing the throttle, the ignition advance angle and the air-fuel ratio. keywords: low calorific value gas engine, engine performance, gt-power, cchp system, wood flour gasification gas 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 低热值气体燃料和发动机研究背景 . 2 1.2.1 低热值生物质气化气研究现状 . 2 1.2.2 低热值发动机研究 . 3 1.3 分布式能源系统 . 4 1.4 本文的主要研究内容 . 5 第 2 章 发动机模型的建立和验证 . 7 2.1 eqd210n-20 原型机 . 7 2.2 仿真计算工具 . 7 2.3 天然气发动机模型的建立 . 8 2.3.1 进排气管模块的建立 . 8 2.3.2 缸内燃烧模型的建立 . 11 2.3.3 气缸模型的建立 . 14 2.3.4 点火提前角的间接模拟 . 16 2.3.5 喷嘴模型 . 17 2.3.6 节气门模型 . 18 2.4 发动机模型的验证 . 19 2.4.1 缸内压力分布的验证 . 19 2.4.2 发动机模型外特性性能的验证 . 20 2.5 本章小结 . 21 第 3 章 低热值气体发动机整机性能预测 . 22 3.1 低热值气体燃料 . 22 3.1.1 低热值燃料的制取 . 22 3.1.2 低热值气体燃料成分分析 . 23 3.1.3 气化气燃料理论空燃比的计算 . 24 3.1.4 缸内混合气热值计算 . 25 3.2 低热值发动机性能预测 . 26 3.2.1 发动机动力性能预测 . 26 3.2.2 发动机经济性能和 nox排放预测 . 30 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -v - 3.2.3 发动机尾气温度和流量规律 . 32 3.3 本章小结 . 33 第 4 章 低热值发动机性能优化 . 34 4.1 低热值发动机性能和天然气发动机性能比较 . 34 4.1.1 动力性比较 . 34 4.1.2 经济性和排放性比较 . 35 4.1.3 尾气温度和流量比较 . 36 4.2 生物质气化气燃料中掺天然气发动机性能 . 37 4.2.1 掺天然气后混合气体特性分析 . 37 4.2.2 掺加天然气对动力性影响 . 40 4.2.3 掺加天然气对经济性和 nox排放性影响 . 41 4.2.4 掺加天然气对尾气温度和质量流量影响 . 42 4.3 本章小结 . 42 第 5 章 低热值发动机应用于分布式能源系统分析 . 44 5.1 冷热电联产系统的负荷调节 . 44 5.2 冷热电联产系统的空燃比调节 . 46 5.3 冷热电联产系统的点火提前角调节 . 48 5.4 本章小结 . 50 结 论 . 51 参考文献 . 52 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 56 致 谢 . 57 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 本文的研究得到了国家 863 项目“内燃机分布式冷热电联供技术及工程示范” 的支持。 能源是社会发展的动力和基础，化石资源的大量开采带来了世界范围的能源 危机和日益恶化的环境问题，寻找新型替代燃料是解决能源危机和环境问题的主 要途径之一。交通和电力行业在社会生活中发挥着极其重要的作用，与人们的日 常生活息息相关，在消耗巨量资源的同时制造了大量污染尾气和噪声，给人们的 生活带来极大的危害。2008 年，国际能源机构1（iea）预测在没有替代燃料重大 技术突破的情况下， 2030 年世界交通所消耗的能源和产生的温室气体将比 2006 年 增加 9.44 亿吨石油和 24 亿吨二氧化碳， 分别占世界同期能源消费总量增量的 18% 和温室气体排量的 19%，届时交通部门所消耗的石油量将占世界石油消耗增量的 62%。全球电力行业正处于改革中，各国政府对发展新能源方面都有极大的兴趣， 2011 年，英国政府走上了电力改革之路，决心在 2050 年前实现发电无碳化，澳大 利亚通过了能源行业白皮书和碳税法，很多发展中国家在电力行业改革方面很艰 难，但是也发出了发展多元化能源和改革的强大呼声。 内燃机自诞生以来，以其良好的动力性、经济性及耐久性在很多领域都得到 了应用，世界能源危机加重和环境要求越来越严格，这使内燃机的发展受到越来 越大的局限。能源动力的变革是经济转型和技术革命的核心，因此开发新的内燃 机替代燃料引起各国和各大研究机构的重视。 内燃机在交通、动力机械和电力等行业应用广泛，其中我国汽车工业高速发 展，2009 年成为当年世界最大汽车市场，2010 年全国生产汽车 1826.47 万辆，销 售 1806.19 万辆，产销量刷新世界纪录2，这对内燃机的需求量越来越大，同时意 味着大量的石油资源将被消耗，更多的尾气将要排向大气。尾气中的一氧化碳、 碳氢化合物、二氧化碳、氮氧化合物和微粒等会对我们的健康和环境产生极大的 危害。并且全球性的缺电已经使得各大能源公司积极在各国寻求商机，大规模的 对新兴类能源类发电技术进行投资，关于能源电力方面的改革正在影响人们的思 维和生活，节约能源、减少排放和寻求新型的能源已经慢慢成为广大能源行业工 作者的一种思想共识。 面对全球石油资源的危机， 为了更好地发挥内燃机的优势， 人们的目光逐渐转向可再生的生物质能源的开发。生物质能源主要是液态的生物 柴油和经气化后的低热值类气化气，来源丰富，可再生性强、污染小，是 21 世纪 替代能源发展的重要方向。生物柴油主要是以油料作物、油料林木果实、水生植 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2 - 物、动物油脂及废餐饮油为原料制成，是未来石油柴油的良好替代品，近年来在 欧盟和美国等国家发展迅速。生物质气化气是将农林废弃物进行可控制热解而产 生的生物质气，主要成分为氮气、二氧化碳、一氧化碳、氢气、甲烷和少量的烃 类及氧气，气体中混有一定量的焦油，可燃成分只占到 1/3 左右，热值低，约在 45005500kj/m3，在生物质气化技术不断发展的前提下，生物制气可以很广泛的用 作内燃机的燃料。但是生物质气化气能量密度小，可燃成分不稳定，杂质含量多， 存储运输困难，改进后的低热值发动机面临空燃比难以控制、燃烧性能不稳定、 动力性差等问题3，根据目前技术，不适合应用于移动式动力机械，但作为发电内 燃机的燃料时效率高、机组容量范围大、燃气热值应用范围广，将其应用于分布 式供能系统更是研究的一大热点。 1.2 低热值气体燃料和发动机研究背景 生物质气化气燃料因其来源丰富、低污染以及可再生性，获得世界各国的广 泛关注和极大的研究热情。从气化技术到低热值发动机汽车的研究，国内外众多 研究机构都进行了大量的研究工业。 1.2.1 低热值生物质气化气研究现状 一种很好的生物质能利用的途径是将生物质进行热化学转化，近年来热解作 为一种独立的热化学处理方法得到了很快的发展。快速热解法制取生物质气化气 是一种高效的制气方法，国内外很多研究机构对此都进行了研究。 在氮气和水蒸汽流化条件下，清华大学的王智微等研究人员对流化床内生物 质热解气化低热值和生成纯煤气率随反应温度的变化情况进行研究4， 反应温度分 别为 650、700、750和 800，根据实验数据对生物质在流化床内热解气化 生成气化气体产物的反应动力学模型进行研究，得到反应热值和纯煤气产率的计 算公式。 瑞典皇家工学院的 rolando zanzi 等人通过自由下落反应器研究热解温度、停 留时间、加热速率和颗粒大小对农林废弃物快速热解反应的影响5，认为生物质的 热解分为最初的快速热解和焦炭化学重组慢速热解阶段。得出的研究结论为：较 小的颗粒和较高的温度对碳氢化合物的裂解和焦炭率的减少有利；含木质素多的 生物质热解的焦炭含量多6； 农林废弃物中的灰分含量高有利于提高焦炭反应活性。 中科院过程研究所的杨昌炎等人用流化床快速热解装置研究热解温度对麦秆 热解固、液、气产品的热解气成分和产率的影响7，并对热解液成分进行了分析。 大连理工的徐绍平等人研究了水蒸汽对生物质快速热解过程的影响8。 法国原子能委员会的dupont等人在8001000的条件下利用携带流反应器对 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3 - 生物质的热解特性进行了研究，研究表明颗粒的大小是影响生物质热解的重要参 数。0.4mm的颗粒完全热解所需时间小于0.5s，1.1mm颗粒完全热解所需时间大于 0.5s，约40%的碳以co的形式存在，co2形式存在的小于5%，氢主要以h2o、h2 和低碳氢化合物形式存在9。 中国农业大学的修双宁和山东理工的易伟明等人设计等离子加热高温层流炉， 作为实验设备使用，控制热解实验温度为800k、850k、900k和950k，对玉米秸秆 粉末闪速加热条件下的热解挥发特性进行研究，得到不同加热温度和停留时间对 玉米秸秆粉末热解影响的实验数据；根据实验数据和arrhenius反应动力学模型方 程，计算得到相关化学动力学参数10。 1.2.2 低热值发动机研究 近几十年来，国内外研究人员对燃用低热值燃料的发动机进行了大量的研究 工作。上世纪90年代，奥地利jenbacher werke a.g 公司就开发出了可燃用沼气， 额定转速1500r/min、额定功率达134kw的低热值燃料发动机11。日本的niigata公 司开发了使用少量汽油在缸内引燃低热值混合气，实现缸内混合气稳定燃烧的双 燃料低热值发动机12。低热值气体燃料发动机在澳大利亚、波兰、英国、俄罗斯 等国家也得到大量开发利用。从20世纪80年代起，国内企业以柴油机和天然气发 动机为基础，开发了以焦炉煤气、煤层气、沼气、生物质气、高炉煤气、垃圾填 埋气为燃料的低热值发动机。 胜利油田动力机械有限公司的王磊、刘庆海等人13将12v190柴油机改造成燃 用高炉煤气的g12v190zldx发动机，进气系统采用闭环控制对空燃比进行调节且 装有防爆门。现今该发动机主要用来发电，在山西翼城鑫泽钢铁有限公司和云南 宜良越兴钢铁有限公司使用，运行状况良好。 胜利油田动力机械有限公司的孔庆阳团队开发的沼气内燃机已形成105、190、 240、280四大系列10多种机型14，功率覆盖范围广，已在北京、山东潍坊、江苏 等多家单位使用，取得显著效益。 淄博柴油机厂的戴磊、李宗立等人在8300柴油机基础上进行改造，进气管采 用双层结构， 将活塞压缩比由12降低到9， 通过文德利混合气器将燃气和空气混合， 改造成燃用生物质气的8300dm生物质气体发动机15， 燃用锯末气化气， 运行可靠、 功率大、耗气少、排温低、除焦油方便。 山东省科学院、山东大学和山东省生物质气化技术重点实验室的的闫桂焕、 孙奉仲和孙荣峰等人16对一新型无焦油生物质基燃气生产技术和低热值发动机开 发的关键技术进行了阐述，对生物质燃气发动机用来发电的项目产业化及前景进 行归纳。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4 - 中科院广州能源研究所的孟凡生、阴秀丽等人以燃用生物质气的8300燃气内 燃机实验得到，生物质气化气的成分对发动机最大爆发压力、排气温度、有效热 效率及排放特性影响很大17。生物质气化气燃烧速度慢、热值低是发动机爆发压 力低、排气温度过高和能耗偏高的主要影响因素；完全燃烧能使co、hc和碳烟的 排放降低，燃烧温度降低，nox的生成量降低。 福建农业大学的黄敬党和伦敦大学的r.j.crookes等人18用天然气和二氧化碳 模拟生物质气， 在一台单缸可变压缩比的火花点燃发动机上进行实验， 得到功率、 废气温度、热效率和尾气中co、nox及hc的排放规律。实验表明：co2的存在使 nox的排放量升高， 缸内压力、 功率、 热效率降低， 未燃的hc增加； 在co2存在时， 提高压缩比能显著的提高发动机的性能，但会使nox和hc的排放升高。 山东大学的张强以生物质气化气作为火花点火内燃机的燃料，通过采集怠速 运转时的示功图和怠速排放指标对内燃机怠速运转的特性进行了研究19。实验得 出：缸内充量的波动和火焰发展的差异是不完全燃烧和燃烧参数变化的主要原因； 怠速失火及不完全燃烧使发动机怠速co体积排放量为4.07%4.32%，hc体积排放 为3.510-44.0 10-4， 碳烟排放为0.20.4bsu； 使缸内充量波动性减小可以有效改 善非正常燃烧并降低怠速排放水平。 国内外对于低热值气体发动机进行了大量的研究，研究表明低热值气体是内 燃机未来良好替代燃料，针对燃料特性对发动机进行合理的改造开发后，能具有 较好的动力性、经济性和排放特性。 1.3 分布式能源系统 分布式能源系统是一种将能源进行梯级利用的系统，自 1978 年开始在美国正 式推广，之后其他发达国家开始大力发展，技术较为成熟，其中最主要的应用形 式为冷热电联产系统，也可称作 cchp（combined cooling heating and power） ，即 将发电、 制冷和制热集于一体的系统， 目的是对能源进行梯级利用达到节约资源， 同时降低污染物排放20。现今的三联供系统根据采用的原动机的不同可分为以下 几种型式：蒸汽轮机+溴化锂制冷机式，内燃发电机+余热利用型，燃料电池+余热 利用型，燃气轮机前置循环+溴化锂制冷机式，燃气-蒸汽轮机联合循环+吸收式制 冷机组式以及微型燃气轮发电机+余热利用型等21。 内燃机拥有百年的历史，应用范围广泛、技术成熟、价格低、维护方便以及 部分负荷特性好等特点，将其作为冷热电联产系统的原动机拥有很大的发展前景。 同时，木屑生物质气化气来源广泛，成本低廉，在面对高油价以及煤炭资源日益 减少的现状时，是一种很好的替代性能源。将燃用木屑气化气的内燃机作为冷热 电联产系统的原动机，是对传统以内燃机为原动机的冷热电联产系统的一种创新， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5 - 也是生物质能源合理利用的一种有效形式，且低热值发动机的烟气量大，这对于 冷热电联产系统中的制冷和制热环节提供了很好的保障22，以内燃机为原动机的 冷热电联产系统的基本工作原理见图 1-1； 图 1-1 内燃机为原动机的冷热电联产系统图 基于能量品质，内燃机产生的机械能为高品质的能量，用来产生电能；其高 温烟气和缸套以及润滑油冷却水中的热量为低品质的能量，可用来分别产生低品 质的热量产品，如高温烟气的温度大约为 500700，直接将其排入余热锅炉来产 生蒸汽，产生的蒸汽可以用于热产品的制取同样也可用于溴化锂制冷系统来制冷， 缸套冷却水的温度大约为 8595，用来产生热水或除湿23。 1.4 本文的主要研究内容 通过对空燃比、点火提前角和燃料燃烧期及燃烧相位角的修改，用天然气发 动机燃烧生物质气化气燃料。模拟计算低热值发动机动力性、经济性、排放性、 尾气温度和尾气质量流量随节气门开度、空燃比及点火提前角的变化规律，得到 发动机最佳整机性能的参数组合，与天然气发动机整机性能做对比，研究气化气 燃料中掺天然气对发动机性能的影响。将低热值发动机应用于冷热电联产系统中， 分析发动机参数对系统工况调节的影响规律。 （1）根据 eqd210n-20 天然气发动机的结构和数据参数，用 gt-power 软件 选用合理的燃烧模型、喷嘴喷气模型、传热模型，建立发动机模型。根据发动机 缸内压力分布曲线和外特性数据结果对模型进行验证。 （2） 对原天然气发动机进行改进， 燃用木屑气化气燃料， 研究喷嘴喷气速率、 节气门开度、空燃比、点火提前角等对发动机性能的影响，优化特定工况下发动 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6 - 机的参数组合。 （3）将低热值发动机整机性能和天然气发动机做对比，气化气燃料中掺天然 气对发动机性能的影响。 （4）将低热值内燃机应用于冷热电联产系统，通过模拟得到负荷、空燃比和 点火提前角对内燃机整机性能的影响规律，为系统的工况调节提供理论依据。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7 - 第 2 章 发动机模型的建立和验证 选用东风汽车公司商用车发动机厂生产的 eqd210n-20 天然气发动机，用 gt-power 建立其模型。将模拟计算的发动机性能数据与实验数据进行对比，以确 定建立模型的准确性。 2.1 eqd210n-20 原型机 d 系列 cng 发动机是东风公司自主研发的发动机，采用稀燃及增压中冷等技 术；电控系统为 deliph 公司的 itms-6f 电控单元，电控分组高能点火、单点喷 射，进气方式为水冷涡轮增压，能实现在线的空燃比及点火提前角控制24，发动 机基本机构和性能参数如表 2-1。 表 2-1 发动机基本结构和性能参数 名称 性能参数 型号 eqd210n-20 型式 直列六缸、单点电控喷射、四冲程、水冷、 顶置气门、点燃式 cng 发动机 气缸数缸径（mm）行程（mm） 6105120 总排量 6.234l 压缩比 10.5:1 最大转矩/转速 6200 nm/14001600r/min 额定功率/转速 154kw/2800r/min 全负荷最低燃气消耗率 198g/ kwh 怠速 80050r/min 排放 满足 gb14762.2002（欧） 发动机允许倾角 5 2.2 仿真计算工具 近年来计算机模拟软件在发动机开发中所起的作用越来越大，不仅能明显的 缩减开发周期，还能很大程度的减少开发成本，其中 gt-power 是一款典型的发动 机性能预测软件。gt-power 是工业标准化的发动机性能模拟工具，几乎所有领先 的发动机和汽车的生产厂商以及他们的供应商都在应用25，也可用于船舶和发电 厂发动机、小型二冲程、四冲程发动机以及赛车（如 f1、nascar、irl 等）发 动机。 可以为用户提供很多模块来模拟很多先进的理念。 gt-suite 软件的前处理和 后处理过程，设计以及优化，神经网络和控制模型为 gt-power 的高效运行提供了 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8 - 保证。通过和 star-cd、fluent、simulink 以及 ms/excel 等软件耦合使用，其 功能可得到进一步提高。 gt-power 的计算模型由方形框图表示的元件模块组成，各模块通过连接件连 接，在元件模块和连接件模块中定义参数。 2.3 天然气发动机模型的建立 在 eqd210n-20 发动机原机的结构基础上，用 gt-power 软件建立其模型，主 要包括进排气系统模块、气缸及燃烧模块、喷嘴模块和节气门模块。 2.3.1 进排气管模块的建立 进排气管对于发动机气缸的充气效率有重要的影响，在很大程度上决定发动 机的性能 26。发动机进排气管内的气体流动是典型的非定常流动，在进行数值模 拟时，模拟计算时通常简化为一维流动，在考虑管内流体的可压缩性、传热、熵 变、摩擦以及流道截面沿轴向的变化等27因素，用相应管截面的平均值代替每一 流体参量。 gt-power 采用有限容积法进行一维的 n-s 方程的求解， 标量在网格中心计算， 矢量在网格交界面计算，采用离散法进行计算。离散化越精细计算精度越高，但 需要的处理时间越长，离散长度和时间步长的合理关系28如式（2-1） ： ()0.8 t cm x + (2-1) 式中 x最小离散长度（m） ； t时间步长（s） ； m时间步长校正系数（1） ； c声速（m/s） ； 流速（m/s）。 天然气发动机原机的进排气管和气缸缸盖的三维图如图 2-1，图 2-2，图 2-3 所示； 离散化尽量使网格的粗细趋于均匀，一般规律为：进行内燃机性能计算时， 进气系统的离散长度约为 0.4 倍的气缸直径，排气系统的离散长度约为 0.55 倍的 气缸直径。本文主要是对发动机性能的研究，根据规律和原型机的结构参数，取 进排气系统的离散化长度分别为 42mm 和 57.5mm，其模型示意图分别为图 2-4 和 图 2-5。采用将长进气管离散化为短进气管的方法，根据原机基本结构，建立的进 排气管 gt-power 模型如图 2