富氢HCNG发动机一维数值模拟研究

安 娜,何义团,乔海江,苏志凯，邵毅明，谢 飞

(1.重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；2.中国汽车工程研究院有限公司，重庆 400039)

天然气掺氢后可以提高燃烧速度，拓宽稀燃极限，容易实现稀薄燃烧[1-2]，降低温室气体排放[3-4]。因此，HCNG发动机由于其燃烧清洁的显著特性而受到国内外研究者的日益重视[5]。

焦炉气经过“净化”处理后得到由H2(体积比55%)和CH4(体积比45%)组成的混合气，称为“富氢混合气”。 压缩比和配气相位对发动机的动力性、经济性有较大影响。为了解决高压缩比高负荷条件下HCNG发动机的回火问题，需要寻找合适的配气相位。笔者主要针对由焦炉气处理得到的富氢混合气体，利用AVL BOOST[6]软件建立富氢HCNG发动机模型，模拟富氢HCNG发动机在不同压缩比和配气相位时的性能，为HCNG发动机的开发提供一定的理论优化依据。

1 HCNG发动机模型建立及验证

1.1 HCNG模型的建立

模型所用发动机为一台单点电控喷射天然气发动机，主要技术参数见表1。此发动机为增压发动机，由于台架上管路连接复杂，且没有增压器的涡轮特性图，如果将这些因素全部纳入到模型中，造成模型的验证有较大误差[7]。因此，笔者采用“截断法”建立发动机的简化模型(图1)，不考虑增压器、中冷器和空气滤清器的变化因素，将进气管前测量进气压力点出作为模型的边界条件。

表1发动机主要技术参数

Table1Maintechnicalparametersofengine

名称性能参数型式立式、直列、水冷、四冲程点火顺序1-5-3-6-2-4压缩比10∶1

图1 HCNG发动机模型Fig.1 HCNG engine model

采用G.Woschni根据管中紊流传热相似理论提出的放热系数计算公式[8]：

式中：C为计算系数；n为发动机转速；D为汽缸直径；φ为曲轴转角；S为活塞行程；Tw1为缸盖内表面平均温度；Tw2为活塞顶面平均温度；Tw3为缸套内壁平均温度。

燃烧放热规律为：

式中：Hu为燃料低热值；B为循环供油量；φ0为燃烧开始角；φz为燃烧持续角；m为燃烧品质指数。

笔者所研究的发动机为HCNG火花点火发动机，选择与试验数据进行拟合的Vibe函数作为放热率模型，同时考虑到已燃区和未燃区工质参数的不同以及预测NOx排放的需要，选择Vibe 2 Zone模型。

建立的发动机模型的主要参数包括发动机及其附属部件的结构参数，边界条件。试验用天然气摩尔分子质量为15.911 g/mol，接近于纯甲烷分子质量16 g/mol，误差为0.556%；试验用天然气低热值35.63 MJ/ Nm3，与纯甲烷低热值(35.88 MJ/Nm3)大致相同，误差为0.696%，因此，在模拟计算时，假设天然气成分为100%甲烷。模型中发动机摩擦损失、气道流动损失等由实验得到。在Vibe 2 zone模型中，燃烧起始角为实际工况的点火提前角，燃烧持续期和形状参数m根据缸压曲线计算出来的放热率进行设置。

1.2 模型验证

为了验证所建发动机模型的准确性，选择3种典型工况，工况点具体数据见表2。3种工况点的计算值与测量值误差见表3。

表2 工况点数据

表3工况点A～工况点C计算值与测量值的比较

Table3Comparisonbetweencalculatedvalueandactualtestones

图2为工况点A示功图。由表3可以看出，3种工况的计算值与测量值的误差小于5%，说明该模型对于原发动机的工作状况能够做出较为真实的模拟，具有较高的计算精度，可以用该模型进行发动机性能的分析预测。

图2 工况点A示功Fig.2 Cylinder pressure in condition A

2 55%HCNG发动机变参数模拟计算

2.1 压缩比对55%HCNG发动机外特性的影响

为在模拟验证中避免由于回火现象的出现而影响计算结果的准确性，笔者在研究压缩比对发动机性能的影响时气门重叠角固定为0 ℃A证工况为在节气门全开(WOT)时，转速n=1 200 r/min，过量空气系数Φa=1.3,掺氢体积比为55%，进气压力为130 kPa。

图3为在最佳点火提前角(MBT)时空气流量随压缩比的变化曲线。由图3可以看出，随压缩比的提高，空气流量有所下降。这是因为压缩比增大，气缸内压力增大，在吸气冲程开始前气缸内的真空度降低，造成进入气缸内的空气流量减少。

图3 不同压缩比时空气流量的变化曲线Fig.3 Curve of air flow variation at different compression ratios

图4为在不同压缩比的条件下功率随着点火提前角的变化曲线。由图4可以看出，随着压缩比的增大发动机的动力性明显增强，这是因为压缩比增大，热效率提高，在燃料量不变的条件下，热效率提高是有利于功率增加的。

图4 不同压缩比时功率随点火提前角的变化曲线Fig.4 Curve of power changing with the ignition advance angle at different compression ratios

图5为在各压缩比的MBT点功率的变化情况。图5表明随压缩比增大，动力性上升幅度减小，说明压缩比对动力性的提高是有一定限制的，这是因为随着压缩比的提高，发动机的机械损失功越多，导致输出的有用功减少。因此在压缩比提高后应将点火提前角适当减小。

图5 不同压缩比时MBT点的功率变化曲线Fig.5 Curve of e power variation of MBT versus different compression ratios

图6为不同压缩比下有效燃油消耗率BSFC的变化曲线。由图6可以看出，压缩比提高，发动机的有效燃油消耗率降低，这是因为压缩比提高，缸内燃烧温度增加，混合气蒸发更快，可燃混合气的利用效率提高。

图6 不同压缩比时BSFC的变化曲线Fig.6 Curve of BSFC variation at different compression ratios

2.2 配气相位对55%HCNG发动机外特性的影响

在前期的试验中可以发现，在原机气门重叠角30°，压缩比为11 ∶ 1，燃料为纯天然气，在1 200 r/min转速下的低负荷(进气压力为90 kPa)的条件下，发动机发生回火现象，将压缩比提高到12∶1，则在进气压力为70 kPa条件下便发生回火现象；当燃料为HCNG时，则在更低的负荷条件下发生回火[7]。模拟工况点参数见表4。

表4 模拟工况点的实测参数

从2.1节的模拟结果可以得出，为了提高发动机功率，应尽可能提高压缩比。但压缩比提高使得HCNG发动机在低负荷条件下便发生回火，因此应该尽可能减小气门重叠角。笔者在原机气门重叠角是30°CA基础上重新设计了4种配气相位(表5)，研究配气相位对55%HCNG的发动机性能的影响。

表5不同配气相位的气门开闭角

Table5Valveopenandcloseanglesindifferentvalvetiming

图7为不同气门重叠角下的充气效率的变化曲线，可以看出，随着气门重叠角减小，充气效率大致呈下降趋势。这是因为气门重叠角减小，排气阻力加大，残余废气系数上升，使得充气效率下降。

图7 充气效率随气门重叠角的变化曲线Fig.7 Curve of charging efficiency changing with valve overlap

图8为发动机功率随着气门重叠角的变化曲线，可以看出功率变化曲线与进气流量曲线变化趋势是一致的，大致呈下降趋势。

图8 发动机功率随着气门重叠角的变化曲线Fig.8 Curve of engine power changing with the valve overlap

图9是BSFC随着气门重叠角的变化曲线。可以看出有效燃油消耗率是呈下降趋势的，这说明随着气门重叠角的减小，发动机的经济性增强。

图9 有效燃油消耗率随着气门重叠角的变化曲线Fig.9 Curve of BSFC changing with the valve overlap

由以上结果可以看出，在模拟工况下，在压缩比为12 ∶ 1、气门重叠角为0℃A时，发动机的功率由原机65.3 kW降低到63.3 kW，下降了3.06%，BSFC由原机167.9 g/(kW·h)降低到164.4 g/(kW·h)，下降了2.08%，基本可以维持原机动力水平，但是气门重叠角为0℃A可以有效防止回火现象的发生。

3 结 论

1)利用AVL BOOST软件建立富氢HCNG发动机仿真模型。通过与试验数据的对比，说明该模型具有较高的计算精度。

2)模拟计算表明提高压缩比可以在一定的范围内提高发动机的动力性和经济性。同时会略微降低空气流量。

3)随着气门重叠角的减小，发动机的充气效率、动力性及经济性都有所降低。

4)相对于原机而言，压缩比等于12 ∶ 1、气门重叠角等于0 ℃A，发动机的功率和有效燃油消耗率略有下降，但下降幅度不大，可以在保证发动机动力性的前提下有效防止回火。

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