天然气发动机点火提前角优化研究

天然气发动机点火提前角优化研究

能源是现代经济和社会发展的基础和重要制约因素。根据国际能源机构（iea）的统计数据，世界上57%的石油资源消费集中在公共交通领域。预计到2020年，交通油耗将占世界石油总消耗的62%以上。它是一种重要的节能减排发展方向。天然气是缓解能源消耗的主要手段之一。天然气作为一种代替石油的绿色燃料，具有丰富的资源、完整的燃烧、良好的抗爆性、良好的排放和良好的低温性能。天然气发动机采用废气涡轮增压技术,结合稀薄燃烧控制技术,是提高天然气发动机动力性和经济性、降低排放的重要措施.但是,天然气发动机应用稀薄燃烧技术仍存在一些问题,主要体现在以下2个方面:1)天然气的层流燃烧速度较汽油低,燃烧缓慢,因此天然气发动机燃烧持续期较汽油机长,燃烧的定容度较低,造成气缸内的燃烧压力峰值和燃烧温度峰值出现的位置偏离上止点,动力性和经济性下降;2)天然气发动机采用稀薄燃烧技术时容易产生失火现象,燃烧不充分,HC排放升高,稳定性下降.为了解决以上问题,除了提高点火能量,保证点火的可靠性外,优化点火提前角,保证最佳点火提前角的匹配是改善燃烧过程,增大平均指示压力(IMEP),提高天然气发动机的动力性、经济性及降低排放的有效途径.合理的点火提前角应该使最高燃烧压力出现在上止点后12°~15°,缸内的燃烧压力升高率为170~240kPa/(°).本文利用GT-Power软件分析了点火提前角对天然气发动机性能的影响,并应用DOE(designofexperiments)模块对增压天然气发动机的点火提前角进行了优化计算.1气发动机三维仿真模型本文的研究对象为一台1.0L排量天然气发动机,天然气在节气门体后的进气总管内单点喷射.该发动机由JL465Q5车用汽油机改装而成,原机为四冲程、直列四缸、水冷、顶置凸轮轴、闭环多点燃油喷射发动机,主要参数如表1所示.利用GT-Power软件建立仿真模型,包括:1)进排气系统模型;2)系统边界条件(温度、压力等)的设置;3)进排气管、进排气道、进排气门和气缸参数的设置;4)传热模型;5)燃料喷射阀模型;6)曲轴驱动模块.本文搭建的天然气发动机一维仿真模型拓扑图如图1所示.为了保证天然气发动机仿真模型能真实反映发动机的实际工作情况并可有效预测发动机的性能.利用天然气发动机台架的试验结果对多个工况的仿真结果进行了验证.图2为在发动机转速n为2000r/min,节气门开度为40%,点火提前角为39°上止点前(BTDC),理论空燃比的条件下,仿真计算与试验得到的缸内燃烧压力对比.从图中可以看出,仿真结果与试验结果具有相同的变化趋势并且基本吻合.试验得到的缸内燃烧压力峰值及其对应的曲轴转角分别为5.66MPa和4.6°上止点后(ATDC),仿真得到的缸内燃烧压力峰值及其对应的曲轴转角分别为5.48MPa和3.2°ATDC.针对缸内燃烧压力峰值,试验值与仿真值的偏差约为3.2%.图3为外特性下天然气发动机输出功率的仿真值与试验值的对比.从图中可以看出,仿真结果与试验结果具有相同的变化趋势并且基本吻合,当发动机转速n为3500r/min,输出功率的仿真值与试验值的差异最大,二者分别为20.86kW和19.57kW,偏差约为6.6%.在理论空燃比条件下,当发动机转速n为2000r/min,节气门开度在20%~100%时,天然气发动机输出转矩的仿真值与试验值对比如图4所示.从图中可以看出,当节气门开度为30%时,转矩的仿真值与试验值的差值最大,二者分别为50.8N·m和53.1N·m,其偏差为4.3%.以上分析证明该GT-Power仿真模型与原机具有较好的符合度,偏差均在合理的范围之内,因此,该仿真模型可用来进行天然气发动机性能的预测分析.2点火提前角对天然气发动机燃烧特性的影响本文以最大转矩工况(3500r/min)为例,保持发动机的其他参数不变,以点火提前角为变量,分析了点火提前角对天然气发动机缸内燃烧压力和燃烧温度、压力升高率、燃烧放热率、功率、转矩及燃气消耗率等参数的影响.2.1点火提前角对节流式医疗压力理论的影响图5、图6分别为不同点火提前角时缸内燃烧压力及压力升高率.不同点火提前角时的缸内燃烧压力参数如表2所示.由图5可知,随着点火提前角的增大,缸内燃烧压力峰值增大,而且压力峰值出现的时刻提前.当点火提前角为40°BTDC时,缸内燃烧压力峰值仅为4.935MPa,其出现的时刻为上止点后21.93°;当点火提前角增大到70°BTDC时,燃烧压力峰值增大到7.23MPa,其出现的时刻为上止点后10.71°.图6表明,随着点火提前角的增大,缸内燃烧压力升高率峰值亦增大;压力升高率呈现2个尖峰结构,第1个尖峰位于压缩行程,而第2个尖峰位于膨胀行程.随着点火的提前,第1个尖峰的效果逐渐减弱,当点火提前角为70°BTDC时,第1个尖峰基本消失,呈现上止点之后的单峰结构.产生上述现象的原因为:随着点火时刻的提前,在上止点之前参与燃烧的燃料比例增加,燃烧室内气体压力增加迅速,导致燃烧压力峰值增大,其出现的时刻也相应提前,压力升高率峰值也增大.压力升高率曲线之所以在较小的点火提前角时有明显的2个尖峰结构,而在较大的点火提前角时第1个尖峰几乎消失,主要是因为天然气稀燃时的燃烧速度较慢,滞燃期长.当点火提前角较小时,缸内燃料燃烧缓慢,后燃严重;虽然缸内燃烧压力不断增大,但是增加的速度较慢,压力升高率反而下降,因此在压缩行程出现了峰值;随着点火提前角的增大,压缩行程燃料燃烧的比例增大,缸内燃烧压力迅速增加,压力升高率也迅速增大.根据发动机的强化程度要求,缸内燃烧压力峰值应不超过7.2MPa,缸内燃烧压力峰值出现的最佳位置为上止点之后的12°~15°以及缸内的燃烧压力升高率为170~240kPa/(°),因此,基于结构强度考虑,该工况下的最佳点火提前角为60°BTDC.2.2点火提前角影响图7、图8分别为采用不同点火提前角时缸内燃烧温度和瞬时放热率.从图中可以看出,随着点火时刻的提前,缸内最高燃烧温度升高,其出现的时刻向上止点方向移动;瞬时放热率随点火提前角的变化规律与缸内燃烧温度相似,随着点火提前角的增大,放热率曲线向上止点方向移动,而且其峰值增大.产生上述现象主要原因为:点火时发动机处于压缩行程,活塞仍继续向上止点方向移动,气缸容积不断减小,随着点火时刻的提前,燃料燃烧放热的始点提前,燃烧的定容度增大,由此导致火焰传播速度提高,燃烧速度加快,燃料的放热率峰值越来越靠近上止点.此外,随着点火时刻提前,传热损失减小,因此缸内燃烧温度峰值呈增加的趋势.2.3点火提前角的影响图9展示了点火提前角对天然气发动机转矩Ttq及燃气消耗率(BSFC)的影响.从图中可以看出,随着点火提前角的增大,天然气发动机的转矩先增大后减小,当点火提前角为65°BTDC时,发动机的转矩出现最大值,因此,基于动力性(最大转矩)的考虑,该工况下的最佳点火提前角为65°BTDC.燃气消耗率随着点火提前角的增大而减小,变化幅度趋缓.产生上述现象的主要原因为:天然气燃烧速度较慢,特别是在稀燃情况下,天然气发动机的滞燃期较长,在较小的点火提前角下,燃烧过程延迟,缸内燃烧压力峰值远离上止点,做功能力下降,同时,由于燃烧过程的延迟导致部分燃料不完全燃烧甚至未燃,废气带走的能量增加,因此,发动机的输出转矩降低,而且BSFC也较高;当点火提前角过大时,发动机的压缩负功增加,也造成了转矩下降.由此可见,在某一工况下,为了保证发动机的动力性能(最大转矩)及经济性能(最低燃气消耗率),存在一个最佳的点火提前角.3点火提前角优化通过上述分析可知,在某一工况下,存在一个最佳的点火提前角,从而使发动机的性能最佳.点火提前角对发动机的性能有较大影响,据统计,对于一台汽油机来说,如果点火提前角偏离最佳值5°,热效率降低1%;偏离10°,热效率下降5%;偏离20°,热效率下降16%.影响最佳点火提前角的因素主要有发动机的转速、负荷、燃料辛烷值、混合气浓度等.因此,当工况变化时,特别是在发动机转速及空燃比变化时,最佳点火提前角应做相应调整.本文利用GT-Power软件的DOE模块,对增压天然气发动机的点火提前角进行了优化计算.DOE的含义为试验设计,主要目的是为了找出独立变量和相关变量的关系.本文针对增压天然气发动机节气门全开、空燃比为22~25的工况,以转速和点火提前角为独立变量,以输出转矩为相关变量,以缸内燃烧压力峰值出现的位置及压力升高率限值为约束条件,进行了系列的优化计算.图10为发动机转速n为2000r/min时,最佳点火提前角(最大转矩时的点火提前角)随空燃比的变化关系.从图中可以看出,对于某一特定的发动机转速,最佳点火提前角随着空燃比增大而增大.当空燃比为24时,不同转速下的天然气发动机输出转矩随点火提前角的变化关系如图11所示.从图11中可以看出,对于一个特定的发动机转速,存在一个最佳的点火提前角使发动机的输出转矩最大;随着转速的升高,最佳点火提前角增大.转速是影响点火提前角的主要因素之一,转速升高,燃烧持续期变长.在稀燃条件下,天然气具有更低的层流火焰速度,因此,为保证正常的火焰传播以及合理的缸内燃烧压力峰值位置,从而提高天然气发动机的输出转矩,当转速升高时,点火提前角须适当增大.在节气门全开、空燃比为22~25时,以转速和点火提前角为独立变量、以输出转矩为相关变量,利用DOE计算所得结果如图12所示.从图12中可以看出,随着空燃比的增加,图中红色区域向左上方移动,即各工况对应的最佳点火提前角提前(最大转矩时的点火提前角).利用DOE的计算结果,综合考虑各工况下的燃烧压力峰值及压力升高率限制,得出了节气门全开下的最佳点火提前角的三维MAP图,如图13所示.4点火提前角优化1)随着点火提前角增大,天然气发动机缸内燃烧过程提前,缸内燃烧压力峰值和压力升高率、缸内最高燃烧温度及放热率都随之增大.而且燃烧压力峰值、最高燃烧温度和放热率峰值出现的时刻也相应提前.2)