（载运工具运用工程专业论文）天然气发动机空燃比和点火提前角模拟优化研究.pdf

摘篮 摘要 随着汽车保有量的激增，由此造成的石油资源短缺和严重的环境污染越来越 成为威胁人类生存的严峻问题。为了使人类社会和谐发展，为传统的燃油汽车寻 找一种能取代石油的低污染的“清洁能源”，成为人类的迫切任务。而天然气由 于作为汽车发动机燃料具有经济性好、低排放的优点，成为理想的代用燃料。 天然气作为发动机的燃料，虽然具有良好的经济性和排放性，但也具有严重 的缺点，即动力性降低严重。目前，提高天然气发动机动力性的主要方法是采用 电喷技术和电控点火系统柬精确控制空燃比和点火时刻。但对不同的发动机工 况，电控系统应控制多大的空燃比和点火提前角呢? 本论文的研究目的就是解决 空燃比和点火提前角的仿真分析与优化方法问题。 本文在分析天然气发动机结构和工作原理特点的基础上，采用发动机仿真分 析软件，以q f 4 7 4 天然气发动机为研究对象，对其进行了模拟分析计算。分析 巾通过测绘及台架试验获取了发动机总成及相关零部件的结构参数和技术参数， 并基于准维燃烧模型和管内一维流动假设，建立了计算模型。模拟分析取代了以 往只靠台架试验的方法，节省了试验经费，缩短了研发时间。 为了确定发动机有效扭矩与空燃比、点火提前角以及耗油率与空燃比、点火 提前角的相关关系，本文通过统计分析，建立了有效扭矩与空燃比、点火提前角 以及耗油率与空燃比、点火提前角的线性回归方程，并进行了空燃比、点火提前 角对发动机有效扭矩和耗油率的显著性检验。分析发现两个因素均对有效扭矩和 耗油率有显著影响，相比空燃比影响更为显著。 研究采用线性加权和法，以发动机输出的有效扭矩和耗油率为优化目标，对 发动机一定工况范围内的某些工况点迸行了空燃比和点火提前角的优化，得出了 对应的最优空燃比和最优点火提前角。将其输入到外特性计算模型后得到的发动 秽i 最大扭矩点与现天然气发动机最大扭矩点基本一致。晚明本文优化方法是可靠 的。同时，证实了现天然气发动机空燃比和点火提前角的选择是正确的。 最后，本文还给出了一定工况范围内的最优空燃比与转速以及最优点火提前 角与转速的拟合曲线。该关系曲线可以作为电控燃料管理系统和电控点火系统的 数据来源，从而解决了电控系统的关键问题。 关键词：大然气发动机，空燃比，点火提前角，计算机模拟，优化 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h es h a r pi n c r e a s eo fa u t o m o b i l en u m b e r , t h ea u s t e r ep r o b l e m so fb e i n gs h o r to f o i la n ds e r i o u se n v i r o n m e n t p o l l u t i o nt h r e a t e nh u m a n s u r v i v a lm o r ea n dm o r e f o rt h es a k e o fh a r m o n i o u sd e v e l o p m e n to fh u m a nc o m m u n i t y , i tb e c o m e st h eu r g e n tt a s k ，w h i c h s e a r c hf o rak i n do f l o w l yc o n t a m i n a t e d “s a n i t a r ye n e r g y ”t or e p l a c eo i l ，f o rt r a d i t i o n a lf u e l a u t o m o b i l e b e c a u s en a t u r a lg a s ，a sak i n do ff u e lf o ra u t o m o b i l ee n g i n e ，h a st h em e r i t sa s f o l l o w s ：g o o de c o n o m y 、l o wb l o w d o w na n d s oo n ，s oi t w i l lt u r ni n t oa ni d e a l s u b s t i t u t i o n a lf u e l a sak i n do ff u e lf o ra u t o m o b i l ee n g i n e ，n a t u r a lg a sp o s s e s s e sg o o de c o n o m ya n d b l o w d o w n ，b u th a ss e r i o u sd e f e c tl i k e w i s e ，n a m e l yd y n a m i cb e h a v i o rd e c l i n eb a d l y p r e s e n t l y ，t h ep r i m a r ym e a s u r e s t oi m p r o v ed y n a m i cb e h a v i o ro fn a t u r a lg a se n g i n ei st h a t a d o p te f ia n de c fs y s t e mt oa c c u r a t e l yc o n t r o la i r - f u e lr a t i oa n ds p a r kt i m i n g b u tf o r d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，e cs y s t e ms h o u l dc o n t r o lw h i c hv a l u eo fa i r - f u e lr a t i oa n d s p a r ka d v a n c ea n g e l t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st o r e s o l v et h ep r o b l e mo fs i m u l a t i o n a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f a i r - f u e lr a t i oa n ds p a r ka d v a n c ea n g e l b a s e du p o na n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo fn a t u r a l g a se n g i n e ，t h i s p a p e ra d o p t s s i m u l a t i o n a n a l y s i s s o f t w a r ea b o u t e n g i n e t o c a r r yt h r o u g h s i m u l a t i o n a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o rq f 4 7 4n a t u r a lg a se n g i n e b ym e a s u r i n ga n dr i gt e s t ，w ec a r l o b t a i nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dt e c h n i q u ep a r a m e t e r so fe n g i n ea s s e m b l ya n dr e l a t e d p a r t s ，a n dc r e a t ec a l c u l a t i o nm o d e l ，b a s e du p o nt h es u p p o s eo fq u a s i - d i m e n s i o nb u r n i n g m o d e la n d1df l o wi np i p e s i m u l a t i o na n a l y s i sh a sr e p l a c e dt h ef o r m e rm e t h o dw i t hr i g t e s t ，w h i c hh a ss a v e d t h ee x a m i n a t i o n o u t l a ya n ds h o r t e n e d r e s e a r c hp e r i o d i no r d e rt oc o n f i r mt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ee f f e c t i v et o r q u ea n dt h ea i r - f u e lr a t i o ，t h e s p a r ka d v a n c ea n g l e ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o na n dt h e a i r - f u e lr a t i o ，t h es p a r ka d v a n c ea n g l e ，t h i sp a p e rb u i l d su pt h el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o n s o ft h er e l a t i o n sa n dc a r r i e so u ts i g n i f i c a n c et e s tf o rt h e m b ya n a l y z i n gt h et w o p a r a m e t e r s ， w ec a nf i n dt h a tt h e yb o t hi n f l u e n c et h ee f f e c t i v et o r q u ea n dt h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ， e s p e c i a l l yt h ea i r - f u e lr a t i o t h i ss t u d yo p t i m i z e st h ea i r - f u e lr a t i oa n dt h es p a r ka d v a n c ea n g l eo f q f 4 7 4e n g i n e i ns o m er a n g eo ft h ew o r k i n gc o n d i t i o nb yu s i n gt h el i n e a rw e i g h t i n gm e t h o da n do b t a i n s t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m i z e dr e s u l t s ，i n p u t t i n gt h er e s u l t si n t ot h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f t h e 垒壁! ! 坠篁! 幽 f u l ll o a dc h a r a c t e r i s t i co ft h ee n g i n ea n dc o m p a r i n gt h er e s u l t so f t h ec a l c u l a t i o nm o d e l w i t ht h eo r i g i n a lg a se n g i n e s ，w ec a l lf i n dt h a tt h ep o i n to f m a x i m a lt o r q u ea c c o r d sw i t h t h en a t t h a lg a se n g i n e s i no t h e rw o r d s ，t h et w op a r a m e t e r so f t h en a t u r a lg a se n g i n ea r e p r o p e r a t1 a s t ，t h i sp a p e rp r o v i d e st h ef i tc u l w eo ft h eo p t i m i z e da i r - f u e lr a t i o e n g i n es p e e d a n dt h eo p t i m i z e ds p a r ka d v a n c ea n g l e e n g i n es p e e d t h ef i tc l l r v ec a nb em a d eu s ea s d a t af o re c f sa n de c f m sa n da sr e s u l t sc a l lr e s o l v et h ek e yp r o b l e mo f e l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m k e yw o r d s ：n a t u r a lg a se n g i n e ，a i r - f u e lr a t i o ，s p a r ka d v a n c ea n g l e ，s i m u l a t i o n ， o p t i m i z a t i o n 重庆交通学院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4 i 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 确方式标日爿。本人完全意识到本声明的法律结果出本人承担。 学位论文作者签名：爿弋戤 r 期：2 以眸牛月i m 日 绪论 绪论 1 研究的目的、意义 近年来，我国汽车工业得到了快速发展，2 0 0 3 年我国汽车年产量达到4 4 0 多 万勒，已成为世界第四大汽车生产围。2 0 0 3 年我国机动车保有量已达到2 4 2 l 万辆， 比2 0 0 2 年增长了1 3 ；摩托车为5 9 2 9 万辆，比2 0 0 2 年增长了1 7 7 。其中我国 私人汽车保有量已达1 2 4 2 万辆，同比增长2 4 8 。低速载重汽车及三轮汽车保有 量也已达到2 7 0 0 万辆。据有关预测，到2 0 2 0 年我国汽车总需求量将接近2 0 0 0 万 辆，总保有量有可能突破1 5 亿辆。 随着机动车保有量的激增，我国机动车尾气污染问题更显严熏，国家环保中 心预测，到2 0 1 0 年我国机动车尾气排放污染将可能占空气总污染的6 4 。 汽车保有量的增长同时带来了燃油消耗总量的快速增加。2 0 0 3 年我国原油生 产为1 6 9 亿t ，石油进口1 1 9 亿t ，其中原油进口超过9 0 0 0 万t ，原油进口量与 2 0 0 2 年比增长近3 0 。我国已经成为继美国之后的世界上第二大能源消费国。2 0 0 2 年不包括进口成品油的消耗，我国汽油产量为4 1 5 4 7 万t ，其中8 7 9 用于机动 车：柴油产量为7 7 3 5 9 万t ，用于机动车的为1 7 1 0 万t ，占国内柴油产量的2 2 1 。 据有关人士预计，到2 0 2 0 年我国石油需求量将超过4 亿t ，对外依存度将有可能 达到6 0 。另外，我国原油进口渠道相对集中，据2 0 0 2 年的统计数据，我国进口 原油量近5 0 来自中东。中东地区是一个地缘政治相当复杂的地区，加之中东到我 国漫长的海上运输航线，一旦出现地区局势的动荡，将给我国的能源安全造成极 大的隐患。 综上所述，随着我国汽车工业快速发展，环境污染与能源紧缺这两个重要的 问题将愈显严峻，必将对汽车传统的石油燃料发起挑战。合理的利用资源及开发 “清洁燃料”将是人类面临的首要问题之一。随着全球汽车保有量持续增加，如 果仅以石油作为车用燃料的唯一来源，石油资源将会很快枯竭，人类重要的交通 工具一一汽车，将会停止运转。因此，为汽车寻找代用燃料，促进多元化的汽车 能源结构的形成，已成为世界各国努力的方向。 采用电能、太阳能以及氢能等新能源作为汽车燃料将会成为可能。但是在现 在较长一段时间内，汽车发动机燃用气体燃料( 如天然气、液化石油气) 将是最 为现实和技术上比较成熟的石油代用能源。气体燃料主要是天然气( 包括液化石 油气) ，是世界上继煤和石油之后的第三大能源。天然气的主要成分是甲烷，具有 较高的辛烷值和热值，其性质稳定、燃烧比较完全。天然气发动机的排放能够满 足越来越严格的排放标准要求。天然气能源的探日月增长很快，据预测将在1 0 2 0 绪论 2 年内超过石油”1 。天然气将成为2 1 世纪的主导能源，在满足世界能源需求方面将 发挥越来越重要的作用，天然气资源的拥有量和占有量己成为衡量综合国力的重 要指标之一。凶此，汽车燃用大然气和液化石油气已 _ 益受到世界各幽重视。摄 欧荚一些号家预测，天然气是最具发展潜力的替代燃料。 我国是天然4 i 资源比较丰富的围家，据统计，我国天然气总资源为3 8 万亿立 方米，已探明储量是1 5 2 万亿立方米，探明程度仅为4 0 2 ”1 。预计2 0 1 0 年天然 气年产量可达1 0 0 0 亿立方米。目前世界大多数发达国家天然气的消耗占一次能源 的2 0 - - 3 0 ，而我国仅占2 左右。我国西气东输工程计划到2 0 0 5 年覆盖1 2 0 个 城市，2 叭o 年覆盖2 6 0 个城市。因此，我国天然气产储量均有很大潜力，将为 我国推广使用天然气汽车提供良好的资源条件。北京、上海都已确定将达到欧2 级、3 级排放标准的天然气汽车作为今后公交车的主要车型，估计还有一些有资源 条件的城市也会陆续做这样的考虑。完全有理由说，天然气汽车在中国有着巨大 的发展空间，应该引起汽车工业界的高度重视。因此，鉴于我国的能源国情，我 们国家更有研究、丌发天然气发动机的必要性。 天然气作为石油的代用能源，除了具有资源优势外，另一个重要原因是它是 一种“清洁燃料”。天然气汽车的c 0 、n o ，、h c 排放量均比燃油汽车的相应排放量 低很多。目前，随着世界范围内汽车保有量的不断增加，汽车排放已成为当今城 市大气的主要污染源。由于天然气和液化石油气低排放的环保功效，近年来备受 世界各国青睐。发展清洁气体燃料汽车将给汽车工业带来一次新的挑战和机遇。 因此，改变汽车燃料结构，充分利用中国丰富天然气资源，开发适合中国道 路和交通环境的清洁燃料汽车是一项十分紧迫而有意义的课题。 2 国内外研究现状及发展动态 2 。1 国内研究现状 在国内，1 9 8 8 年四川石油管理局从新西兰引进了充气装置和天然气汽车的改 装件，并在南充建立了c n g 加气站成为全国使用c n 6 汽车的第一家“1 。此后，四川 石油管理局系统在吸收、改造和国产化上做了很多工作。 继“九五”国家清洁汽车行动计划取得初步成果之后，“十五”国家科技攻关 计划清洁汽车关键技术研究开发及示范应用项目于2 0 0 3 年开始实施。其总体 日标包括：研究丌发一批达到相当于欧i i i 排放标准的燃油汽车和燃气汽车，并形 成批量牛产能力：建立一批清洁汽车示范工程，包括单燃料c n 6 公交车、单一 燃料l 。p g 出租车、液化天然气公交车、甲醇汽车和电动汽车的示范运用；通过确 定1 6 个清洁汽车重点推广应用城市或地区，继续重点推广燃气汽车应用，较大程 度地提高燃。e 汽车存公交车与出租车上的比例，鼓励使用原厂，l 产的产品，提高 竺鲨 立 ，一 运用水平；继续丌展有关标准、政策、法规的研究；鼓励创新和自丰丌发，提高 我国清洁汽车的整体技术水平。 近期我国燃油价格持续上升，促使我国燃气汽车进入较快发展的时划a 目前 登陆我国新产品公告的燃气汽车车型已增加到6 9 种( 其中l p g v 2 9 种，c n g v 4 0 种) 。 尤其在西部天然气资源丰富、价格便宜的地方，燃气汽车增长很快。四川省天然 气汽车己发展到1 7 个市、县，天然气汽车总量达4 8 8 万辆，已建成加气站1 8 0 座，先行开始了区域化的进程。 近年来，国家和地方政府为鼓励天然气汽车的发展，出台了相关的优惠政策。 这样，使得天然气汽车在国内迅速发展。目前天然气汽车( n o v ) 以北京、上海、 重庆、成都、深圳等大城市为主，改装的车辆以汽油车居多。截止2 0 0 4 年6 月底， 全国1 6 个重点推广应用城市( 地区) 共发展燃气汽车1 9 6 4 万辆( 其中c n g v 8 6 7 万辆，l p g v l 0 9 7 万辆) ，较2 0 0 2 年“九五”末期增加了4 3 万辆；共建成加气站 6 2 9 座( 其中c n g 加气站3 2 1 座，l p g 加气站3 0 8 座) ，较2 0 0 2 年“九五”末期增 加了1 4 3 座。可以预测，在今后5 1 0 年内，天然气汽车的比例将会明显增长， 成为我国汽车的主要品种之一。出下表统计数据也同时可以看出c n g 汽车的比例 也在逐年增加“1 。 表0 1我国燃气汽车历年数据统计 l 1 9 9 9 芷2 0 0 0 芷2 0 0 1 年 2 0 0 2 芷2 0 0 3 正2 0 0 4 年6 月 i p c , v 万辆 3 96 18 5 9 61 1 41 1 o c n g v 万辆 0 41 52 5 5 77 98 7 ic vj l 】燃气汽车总量的 f 9 31 9 7 2 2 ，7 3 7 34 0 94 4 ，2 比例 袭0 2 我国燃气加气站历年数据统计 1 9 9 9 芷2 0 0 0 盆2 0 0 1 年2 0 0 2 缸2 0 0 3 证2 0 0 4 年6 月 l p g 站座 8 51 4 02 0 62 5 32 9 93 0 8 c n g 站座 4 58 51 2 02 3 32 9 53 2l c 站，1 i 燃气站总带的 3 4 63 7 83 6 84 7 94 9 75 1 0 比例 绪论 目前，幽内应用的天然气汽车发动机大多是在原汽油机基础卜- 经简单改装而 成的。而改装的天然气汽车发动机人多采用已定型的汽油机，保留原机供油系统， 经改装增加一套压缩天然的供给装置。采用任何一种燃料无论是c n g 还是汽油， 发动机都能f 常工作。如c a 6 1 0 2 0 型汽油机改装为天然气汽油发动机，燃用 天然气时，最大功率及最大扭矩分别达到使用汽油时的8 0 和8 6 ，怠速排放显著 降低。“。为兼顾使用汽油时的性能，对发动机的燃烧室、压缩比、进排气道等均未 改变，所以使用天然气时，发动机的工作过程并非最佳。吉林工业大学在1 7 5 f 汽 油机基础上进行了电控天然气喷射技术的研究工作。通过提高压缩比及采用缸内 喷射技术可部分地恢复天然气发动机的功率。“。另外，在通过改进原发动机结构来 改善天然气发动机性能方面，国内也有了一定进展，如c a 6 1 0 2 n 一1 型天然气 汽油发动机，改进了进气道结构，压缩比从原来的6 7 5 提高到7 6 ，燃用天然气 时，最大功率及最大扭矩分别达到原汽油机的9 2 和9 0 。1 。c a 6 1 0 2 n 一2 型天然气 发动机改进了进气道结构，压缩比从6 7 5 提高到8 8 ，最大功率及最大扭矩分别 达到原汽油机的9 5 和9 4 “1 。在国家自然科学基金资助下，吉林工业大学在电控 缸内喷气技术和天津大学天然气稀燃技术方面均做了大量研究工作，处于国内领 先水平。在天然气一柴油双燃料发动机汽车及其电控技术等方面，石油勘测研究 院和吉林工业大学进行合作，也取得了新的进展。但国内天然气汽车的整体发展 水平与国外先进水平还有一定差距5 1 。 2 2 国外研究现状 由于天然气在世界的储量相当丰富，因此天然气汽车的发展很快。2 0 世纪3 0 年代初，自意大利最早开发了天然气汽车并较大规模应用以来，天然气汽车在全 球得到了较快发展”1 。从1 9 8 8 年起在澳大利亚悉尼召开第一届天然气车辆应用新 进展学术会议及展览( 两年一次) 以来，不少国家在发展天然气等气体燃料车辆 方面投入了巨大的精力，进行了大量的开发工作，并已具备了较为成熟的技术， 使天然气汽车发展迅速。据某些资料介绍，全球天然气汽车保有量约11 0 万辆， 加气站约4 0 0 0 座。世界c n o 汽车保有量居前列的国家有：阿根廷、巴西、巴基 斯坦、意犬利、印度、美国、中国等。 目前，国外多是针对天然气燃料性质丽进行改进设计的天然气发动机。国外 许多公司均开发了天然气汽车改装系统，如美国s t e w a r t s t e v e n s o n 公司、i m p c o t e c h n o l o g i e si n c 、h a t c h k i r k i n c 、e d o 、a n g i 公司等”。这些公司将微处 理机用于转换系统，使全系统达到天然气与空气最佳混合，提高了天然气发动机 的性能a f f 本本 = 开公司1 9 9 2 年研制的天然气汽车发动机采用电控多点气体喷射系 统( p ( n - - 6 i ) 。喷射压力控制在1 2 7 k p a ，其最大功率及最大扭矩与原汽油机相比， 分别降低了1 2 和1 3 ，排放明显改善，在转速为2 0 0 0 r m i n 曰节气门全丌的条件 绪论 下，c 0 和h c 比燃用汽油时分别卜i 降7 8 和8 0 。”。 罔外，在柴油机基础上改装的火花塞点火式天然。i 发动机已很成功，并已投 放市场。如依维柯8 2 2 0 及8 4 6 0 t c 型、康明斯1 3 5 91 9 5 6 型、同本的4 b e l 型、e 特彼勒3 3 0 6 型及福特3 8 0 型等，其中许多涡轮增压机型的改造也很成功。1 。 柴油引燃方式天然气发动机( 双燃料发动机) 的研究开发在国外也有一定进 展，乌克兰科学院天然气研究所和基辅汽车公路研究所研制的双燃料汽车采用由 柴油机改装为双燃料( 柴油一天然气) 发动机，天然气与柴油采用联动控制机构。 发动机采用纯柴油运行时，柴油耗量为1 6 8 7 l l o o k m ，以天然气柴油双燃料运行 时，柴油耗量为9 2 8 l l o o k m ，天然气耗量1 5 7 6 m 3 1 0 0 k m ，用天然气替代了4 5 的柴油”3 。美国b k m 公司研制了具有先进水平的“微引燃”双燃料系统，用接近 1 的引燃柴油为天然气发动机提供所需的点火能量。这一系统为降低小负荷时的 未燃碳氢排放及提高天然气替代柴油的百分率，采用了断缸、增压空气旁路、废 气再循环及优化引燃油的喷射正时等措施，从而在所有工况范围内，使天然气在 所消耗的燃料总量中超过了9 5 ，废气排放质量达到了1 9 9 4 年d nt i 、i 排放标准。 除此之外，许多汽车生产商已开发并生产了专用型单燃料天然气发动机。如 沃尔沃t h g l 0 3 低排放c n 6 稀燃发动机，排量为9 1 6 l ，采用开式燃烧室。采用稀 燃方案以降低热负荷及爆燃倾向。该机热效率达到了3 8 ，较低的汽缸峰值压力及 较低的火焰传播速率使该机的噪声与柴油机相比显著降低。该机排放标准达到了 欧i i 标准。 天然气汽车在国内外发展较快，改装技术目趋成熟。天然气汽车的应用范围 越来越广，并已带来明显的经济效益和社会效益。 2 3 发展动态 目前，天然气汽车的研究动态主要集中在以下方面”3 ： 加气站技术及设备。发展小型化、高效率的加气设备，并降低其成本。 天然气贮存技术。开展轻质的c n g 气瓶，包括铝合余和复合材料气瓶，降 低其成本：开发天然气吸附技术及混合燃料贮存技术，提高气瓶贮气能力；提高 液化天然气瓶耐热保温技术水平，降低其成本，提高其实用性。 天然气发动机基础性研究。包括天然气发动机功率恢复、稀燃技术、燃烧 特性、排放特性及实用的三元催化剂研究等。 由于用汽油机和柴油机改装的天然气发动机与原机相比，动力性有所下降， 因此，提高天然气发动机的动力性是研究的重点。目前，汽油机改装的天然气发 动机的功率恢复主要是通过电子控制燃料供给系统、电控点火系统及采用增压技 术，提高改装后发动机的效率及动力性= 9 1 。而由柴油机改装的火花塞点燃式天然 气发动机的功率恢复主要是通过合理选择压缩比，优化燃烧室结构，优化控制天 绪论 然气与空气的混合及燃烧过程，优化点火控制并提高点火能量及采用增压技术等 措施来实现。 3 研究的主要内容 由汽油机改装的两用燃料发动机，为兼顾使t f j 汽油时的性能，对发动机的燃 烧室、压缩比、进排气道等均未改变，所以使用天然气时，发动机的工作过程并 非最佳。由此造成了天然气发动机的严蕈缺点是动力不足。因此，恢复天然气发 动机的动力是科研人员的研究重点。由于空燃比和点火提前角是影响天然气发动 机性能的莺要调整参数，空燃比和点火提前角大小是否合适直接决定了发动机动 力性、经济性以及排放性能的好坏。因此，目前为恢复天然气发动机的动力，采 取的主要措施是采用电控喷气技术和电控点火系统来精确控制空燃比和点火提前 角。但对不同的发动机工况，电控系统应控制多大的空燃比和点火提前角呢? 本 沦文就解决了这个问题，主要研究内容如下： 采用目前一流的发动机仿真分析软件a v l b o o s t ，以q f 4 7 4 天然气发动机 为研究对象，对其全负荷时，2 0 0 0 r m i n 、2 5 0 0 r m i n 、3 0 0 0 r r a i n 、3 5 0 0 r m i n 、4 0 0 0 f f m i n 、 4 5 0 0 r m i n 对应的六个工况点进行模拟计算。找出空燃比和点火提前角对发动机性 能的影响规律，由此确定出空燃比和点火提前角的优化范围。并在确定出的空燃 比和点火提前角的优化范围内，对以上六个工况点进行模拟计算。 利用以上计算结果，对发动机有效扭矩、耗油率与空燃比和点火提| j i 角之 间的关系进行回归分析。分析空燃比和点火提前角这两个因素是否对发动机有效 扭矩和耗油率有显著影响，如果有影响，哪个因素的影响更显著些。 采用线性加权和法，以发动机输出的有效扭矩和耗油率为优化目标，对以 上计算结果进行空燃比和点火提前角的优化。得出六个工况点分别对应的最优空 燃比和最优点火提前角。 对以上优化的空燃比和点火提前角，采用多项式曲线拟合的方法，进行曲 线拟合。得出全负荷时，2 0 0 0 r m i n 4 5 0 0 r m i n 转速范围内，最优空燃比与转速以 及晟优点火提前角与转速的拟合曲线。 将步骤确定的最优空燃比和最优点火提前角分别输入到b o o s t 模型中对 应的各j ：况点，并进行模拟计算。将计算的天然气发动机的性能指标值与台架试 验结果进行对比，验证模拟计算的可靠性。 以上确定的拟合曲线，在一定工况范围内，为不同的发动机工况确定了最 优的空燃比和点火提前角。为电控系统提供了数据来源，解决电控系统的关键问 题。 4 。研究采用的技术方案和技术路线 一 绪论 7 本论文针对天然气发动机动力性不足这缺点，以提高发动机的输出扭矩为 优化目标，兼顾发动机的经济性，采用线性加权和的优化方法，运用发动机仿真 分析软件州lb o o s t ，对天然气汽车爬坡所可能崩的工况( 全负荷、中间转速范围) 进彳空燃比和点火提前角的优化。采用的技术方案为： 根据天然气发动机样机结构在发动机软件a v l b o o s t 中建立发动机模型； 对发动机模型的结构参数进行初始化； 确定天然气汽车爬坡时发动机所处的工况范围，并对各工况输入相应参数 值进行运算分析； 对以上确定的发动机各工况进行模拟计算，找出空燃比和点火提前角对发 动机性能的影响规律，由此确定出空燃比和点火提前角的优化范围； 在以上确定的空燃比和点火提前角的优化范围内，对各工况点进行多次空 燃比和点火提前角的模拟计算。 利用以上计算结果，对发动机有效扭矩、耗油率与空燃比和点火提前角之 间的关系进行回归分析。分析空燃比和点火提前角这两个因素是否对发动机有效 扭矩和耗油率有显著影响，如果有影响，哪个因素的影响更显著些。 采用线性加权和法，以发动机输出的有效扭矩和耗油率为优化目标，对以 上计算结果进行空燃比和点火提前角的优化。得出各工况点分别对应的最优空燃 比和最优点火提前角。 对以上优化的空燃比和点火提前角，采用多项式曲线拟合的方法，进行曲 线拟台。得出以上工况范围内，最优空燃比与转速以及最优点火提前角与转速的 拟合曲线。 将步骤确定的最优空燃比和最优点火提前角分别输入到b o o s t 模型中对 应的各工况点，并进行模拟计算。将计算的天然气发动机的性能指标值与台架试 验结果进行对比，验证模拟计算的可靠性。 以上确定的拟合曲线，在一定工况范围内，为不同的发动机工况确定了最 优的空燃比和点火提前角。由此为电控系统提供了数据来源，解决了电控系统的 关键问题。 本论文的技术路线为： 建立发动机模型对模型进行初始化卜确定天然气汽车爬坡时发动 机所处的_ 况范罔，并对各工况输入相应参数值。运算分析叶确定出空 燃比和点火提前角的优化范围对各工况点进行多次空燃比和点火提前角的 优化汁算进行回归分析采用线性加权和法对以l 计算结果进行空燃 比和点火提前角的优化卜得m 各工况点分别对应的最优窄燃比和最优点火提 绪论 前角斗对优化的空燃l p , n 点火提前角，采用多项式曲线拟合的方法，进行曲 线拟合。得出以上工况范围内，最优空燃比与转速以及最优点火提前角与转速的 拟合曲线将以上确定的最优空燃比和最优点火提前角分别输入到b o o s t 模 型中对应的各工况点，并进行模拟计算将计算的天然气发动机的性能指标 值与台架试验结果进行对比，验证模拟计算的可靠性。 5 研究的预期目标 通过优化天然气发动机的空燃比和点火提前角，为电控燃料管理系统和电 控点火系统提供可靠的数据来源，解决电控系统的关键问题。提高天然气发动机 的性能。 采用发动机仿真分析软件a v lb o o s t 进行参数优化，取代以往只靠台架试 验进行优化的方法，节省实验经费，缩短研发时间，降低产品成本。 提高我国天然气汽车技术水平，节约能源，降低环境污染。 第一章大然气汽车发动机特点概述 第一章天然气汽车发动机特点概述 大然气汽车发动机根据燃料的使用方法不同，可分为以下三类： l 、单燃料天然气发动机仅使用天然气作为发动机的燃料，不再使用其 他燃油或代用燃料的发动机。此类发动机在燃料供应系统、工作循环参数、配2 i 机构参数等方面一般都针对天然气的物化特性进行了专门设计，因此燃烧热效率 较高、经济性好。 2 、两用燃料发动机一般是指具有两套燃料供应系统，一套供给天然气， 另一套供给天然气之外的燃料，两套燃料供应系统可分别但不可共同向气缸供给 燃料的发动机。使用中可以在两种燃料之间进行灵活切换。此类发动机在燃用汽 油时，不能同时使用天然气作为发动机的燃料；反之，燃用天然气时，也不能混 烧汽油。此类发动机与单一燃料发动机相比，由于要兼顾两种燃料的物化特性， 发动机结构参数几乎不做改造，因此燃烧热效率不高、经济性较差。 3 、双燃料发动机一般是指具有两套燃料供应系统，系统一套供给天然 气，另一套供给天然气之外的燃料，两套燃料供应系统按预定的配比向气缸供给 燃料，在缸内混合燃烧的发动机，如c n g 一柴油双燃料发动机。此类发动机燃用c n ( ； 为主燃料，柴油起引燃作用。此类发动机结构参数也几乎不作改动，可以在单纯 燃烧柴油和c n g 与柴油同时混烧两种工况灵活切换。 1 1 预混合点燃式压缩天然气和汽油两用燃料发动机汽车的总体 布置与结构特点雎1 目前c n g 汽车大多数是通过采用定型汽油车改装，在保留原车供油系统的情 况下，增加一套“c n g 型车用压缩天然气装置”的两用燃料汽车。图卜1 是国产天 然气一汽油两用燃料汽车改装系统示意图。改装部分由以下三个系统组成。 ( 1 ) 天然气储气系统主要由充气阀、高压截止阀、天然气气瓶、高压管线、 高压接头、压力表、压力传感器及气量显示器组成。 ( 2 ) 天然气供给系统主要由天然气高压电磁阀、三级组合式减压阀、动力 调节阀、混合器等组成。 ( 3 ) 油气燃料转换系统主要由三位油气转换丌关、点火时侧转换器、汽油 电磁阀等组成。 充气阀实际上是一个单向截止阀，它可与天然气压缩气站售气机充气枪对接 为c n g 气瓶充气。高压天然气气瓶和汽油箱一样是车载天然气的存储装置，根掘 车型和气瓶容量的人小，汽车上可携带个或多个气瓶，气瓶之 u 串联在一起。 第一章大然气汽车发动机特点概述 o 天然气气瓶的瓶口处安装有易熔寨和爆破片两种保安装背，当气瓶温度超过1 0 0 。 c 或压力超过2 6 m p a 时，保安装置会自动破裂卸压。每个气瓶都有阀1 7 町分别关闭， 总出口还设有一个高压截i 阀。 图1 1c n g 一汽油两用燃料汽车改装系统示意图 卜高压气瓶：2 一截止阀( 高压) ：3 一压力表( 高压) ：4 一电磁阀：5 一减压 阔( 总成) ：6 一显示灯：7 一混合器：8 一空滤器：9 一压力传感器：1 0 一化油 器：1 1 一汽汕电磁阀；1 2 一汽油泵：1 3 一断电器：1 4 一点火线圈：1 5 一点火时 间转换器：1 6 一油气转换开关：1 7 一充气阀 油气转换开关和天然气高压电磁阀、汽油电磁阀共同构成了燃料转换的控制， 由油气转换开关决定两个电磁阀的通断，决定发动机以汽油还是天然气为燃料运 行；压力表、压力传感器和气量显示器起压力显示作用；c n g 汽车以天然气作燃料 时，天然气经三级减压后，通过混合器与空气混合进入气缸。压缩天然气由额定 进气压力2 0 m p a 减为负压，其真空度为4 9 6 9 k p a 。减压阀与混合器配合可满足发 动机不同工况下混合气的浓度要求。 减压阀总成设有怠速电磁阀，供发动机怠速用气。减压过程中要膨胀做功对 外吸热，因此在减压阀上还设有利用发动机循环水的加温装置。点火时间转换器 由电路系统自动转换两种燃料时不同的点火提前角。燃料转换丌关上还设有供发 动机起动的供气按钮。 1 1 1 车用压缩天然气系统在整车上的布置要求 天然气气瓶 气瓶应安装在汽车的安全部位，不得影响汽车行驶性能。气瓶与同定卡子问 应挚胶挚，安装必须牢固。气瓶固紧后，沿汽车纵向施加8 倍于气瓶质量的力， 不得发生位移或松动。根据各车型具体情况，例如卡车，气瓶可安装在汽车车架 旁车梁下、副梁上或驾驶室与车厢之问：小轿车一般放置在行李厢中；火客车可 第一章天然气汽中发动机特点概述 安装在车顶或车的地板下方。 高压管线 高i i 管线用卡套式高压接头与气瓶连接，气瓶问及靠近减压阀处管线应有抗 震弯曲，管线固定卡子削距不得大于6 0 0 r a m ，卡子及穿越孔板处应安装橡胶挚。安 装在驾驶室、载人车厢或行李厢的气瓶或管线接头，必须设置能将泄漏气体排出 驾驶室或车厢外的通风口等装置。 减压阀 减压阀安装在振动较小的驾驶室前挡板或发动机的其他地方，减压阀膜片应 平行于地面，远离排气管和其它热源，尽可能与化油器靠近。减压阀装好后，将 发动机循环水接到减压阀水道上。 其它附件 1 ) 安装高压截止阀、压力表、连接高压管线； 2 ) 安装混合器与低压管线，连接减压阀及混合器； 3 ) 在化油器和输油泵之间安装汽油电磁阀； 4 ) 在适当位置安装充气阀。 安装电器部件 根据选用电器部件的多少，按接线图进行接线和安装。 1 ) 在驾驶室内便于操作和观察的位置，安装燃料转换开关及气量显示器， 在适当的位置安装点火时间转换器。 2 ) 按电路图连接所有电器线路，注意电器部件良好搭铁。 1 1 2 天然气供气系统组成与功用 天然气供气系统的性能、同发动机优化匹配情况，对天然气发动机性能有至 关重要的影响。天然气供气系统主要由天然气高压电磁阀、三级组合式减压阀、 动力调节阀、混合器等组成，其中最关键组件是减压阀、动力调节阀和混合器。 减压阀 减压阀是天然气汽车的关键部件，它将气瓶中的2 0 m p a 的高压天然气降至常 压进入混合器与空气混合，一般要经过三级减压。减压阀按三级减压室的组成方 式可分为分体式和组合式，按控制方式可分机电开环控制和机电闭环控制；按输 出到化油器的进气方式可分为正压进气和负压进气”3 。 除电控喷射天然气发动机外，一般发动机燃用天然气时的天然气与空气混合 与燃用汽油时一样，都是采用缸外预混合方式，天然气与空气的混合由专用混合 器完成，其混合比浓度由减压阀、混合器的合理匹配加以控制，混合气进气量则 随进气管的真空度变化控制。出于高压气瓶中的c n 6 气体压力随着燃料的使用不 断变化，要保持较稳定的混合比控制，通常的做法是在储气瓶与发动机之间安装 第一章人然气汽车发动机特点概述 一个减压阀，无论瓶内压力如何变化，减压阀可以保证进入混合器的燃料压力基 本恒定，p a c k 实现比较稳定的天然6 与空气混台比控制。 动力阀 动力阀又称动力调节阀，安装在减压阀与混合器之间的低压管路上。调节调 整螺钉的深浅可调节通气道的横截面积。由于空气通道的截面积不变，改变天然 气通道截面积，则可调节混合器中燃气与空气的比例，简称空燃比。 混合器 混合器的作用是将空气和天然气按一定比例混合，形成一定浓度的可燃混合 气，并能根据发动机转速和负荷的变化，增减混合气的供应量，以适应发动机在 起动、怠速、加速等不同运行工况下正常运行的需要。 目前在c n g 汽车燃料供给系中有两种原理的混合器，一种是文丘里式，另一 种是比例式”1 。 1 ) 文丘罩式混合器 所谓文丘里式混合器就是利用流体力学中著名的“流体( 气体或液体) 在管 道中流动时，截面积越小之处，其流速越大，而