燃气发动机动力缸压力计算方法与测试分析*

2014-06-07 05:59田家林朱永豪庞小林

西南石油大学学报(自然科学版) 2014年4期

关键词：计算方法活塞燃气

田家林，朱永豪，杨琳，庞小林，李友

1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500 2.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031

燃气发动机动力缸压力计算方法与测试分析*

田家林1，2，朱永豪1，杨琳1，庞小林1，李友1

1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500 2.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031

燃气发动机工作过程动力缸的压力计算，是保证发动机安全运行、进行机组关键部件力学性能计算与安全评价的基础。根据燃气发动机工作原理与热力学过程，完成气体状态方程与燃烧过程分析，根据质量方程、动量方程与能量守恒方程，建立燃烧过程压力计算方法；利用双区模型条件与现场测试结果，确定燃烧率计算公式；对于多变指数，根据建立的数据库，利用软件计算模块确定数值，保证计算精度，避免了人为因素对计算结果的影响。最后通过算例分析与现场测试结果的分析，验证了计算方法的可靠性。利用建立的压力计算方法，可进行燃气发动机工作过程点火提前角、空燃比、转速、温度等关键参数对压力影响的定量分析；同时，利用压力计算结果进行发动机效率分析，可为机组经济运行提供计算基础；利用压力计算结果进行发动机关键件力学分析，可为机组安全评价提供理论支撑。

天然气；发动机；动力缸；热力学；压力；计算方法

田家林，朱永豪，杨琳，等．燃气发动机动力缸压力计算方法与测试分析[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（4）：169–174．

Tian Jialin,Zhu Yonghao,Yang Lin,et al．Pressure Calculation and Test Analysis of Natural Gas Engine Power Cylinder[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（4）：169–174．

作为一种清洁能源，天然气使用范围越来越广[1-2]，在天然气增压站，燃气发动机作为动力系统，燃烧天然气作能量转换，实现机械能输出，其能量转换的效率，可作为燃气发动机经济运行的评价指标[3]，同时，燃烧过程动力缸内的压力变化，是进行机组关键部件包括活塞杆、连杆、曲轴受力分析以及安全生产评价的基础。根据燃气发动机工作过程，建立缸内压力理论计算方法，对评价发动机经济运行，以及保证安全生产具有重要意义。

现有分析方法采用测试仪器，根据得到的示功图作为测试结果，用于后期分析评价，或者利用数值模拟分析压力变化[4-5]。现场测试结果是多因素的综合结果，如果想得到压力输出的某一影响因素以及其权重，则需要进行正交测试。由于燃气发动机燃烧过程影响因素众多，除了与天然气气质参数相关，还与点火提前角、空燃比、动力缸结构（包括余隙）等有关[6-8]。在现场生产条件下，一个参数变化会引起其他参数变化[9-11]，利用现场测试得到某一具体参数对输出的影响量化评价，不具备现场操作性[12]。

基于以上情况，本文根据燃气发动机工作原理与热力学过程[13]，建立分析模型，得到燃气发动机工作过程动力缸的压力计算方法，并与现场测试结果进行对比分析，验证计算结果的准确性。根据建立的计算方法可得到具体参数变化对压力输出影响的量化计算，结果可为机组经济运行与节能措施制定，以及关键部件计算与安全生产评价提供理论支撑。

1 计算方法建立

燃气发动机工作过程循环周期为二冲程，包括作功冲程与吸气压缩冲程。作功冲程包括：在动力活塞接近上止点的过程中，在点火提前角θ位置，火花塞点燃天然气与空气的混合气体，到达上止点后，燃烧的混合气体膨胀作功，推动活塞向曲轴端移动。在排气口位置β处，排气口开始排放烟气，然后扫气口打开，活塞后腔的空气进入燃烧腔，吹扫动力缸内残留废气，直至到达下止点。

吸气与压缩冲程包括：动力活塞由下止点向缸头运动，此时活塞后腔仍然与燃烧腔连通。活塞继续运动，先关闭扫气口，当活塞运动到−β处，排气口关闭，随后压缩密封腔内的空气，行至15°～50°时喷入燃气。同时，活塞后部形成瞬时负压，利用压差打开进气口吸入新空气。当活塞压缩混合气体到点火提前角θ位置时，火花塞点燃混合气体，完成一个工作周期。

如图1所示的示功图中a点表示排气口关闭，ac为压缩过程。曲线段czb为作功过程。b点排气口开启，bf为预先排气阶段。f点扫气口开启，fdh段为扫气过程。在h点扫气口关闭，曲线段ha为继续排气段。曲线段bda表示燃气发动机排气口从打开到关闭的换气过程。

图1 燃气发动机工作示功图Fig.1 Gas engine dynamometer card

根据以上分析的燃气发动机工作原理与热力学过程，建立动力缸内压力计算方法。动力活塞由位置点1至点2的气体状态方程为

式中：p—气体绝对压力，MPa；

n—多变指数，无因次；

v—气体比体积，m3/kg，

m—气体质量，kg；

V—瞬时工作容积，m3；

下标：1，2—位置点1，位置点2。

根据燃气发动机动力活塞的连杆机构运动学关系式，设上止点为曲轴转角起点，得到气体比体积v的计算公式为

式中：D—气缸直径，m；

φ—曲轴转角，（°）；

S—活塞行程，m；

ε—压缩比，无因次；

λ—连杆曲柄比，无因次。

根据燃气发动机工作过程质量变化，得到动力缸的质量守恒方程[14]

式中：

mi，mo—流入与流出动力缸的介质质量，kg；

me—喷入动力缸的瞬时天然气质量，kg。

动力缸内的天然气与空气混合气体，被压缩到点火提前角θ位置，点火爆炸燃烧。考虑现场测试的空燃比关系，确定为充分燃烧。建立燃烧过程缸内能量守恒方程为[15]

式中：U—动力缸内能，kJ；

Qb—天然气燃烧放出的热量，kJ；

Qw—动力缸传导热量，kJ；

hs，he—进气口与排气口处的介质比焓，kJ/kg。

根据式（3）与式（4），设定动力缸燃烧模型为双区模型[16]，即已燃区与未燃区压力相等，但温度不同，建立燃烧过程压力计算公式

式中：

T—温度，K；

cV—定容比热，kJ/（kg·K）；

cp—定压比热，kJ/（kg·K）；

R—气体常数，kJ/（kg·K）；

Q—天然气基低热值，kJ/m3；

h—介质比焓，kJ/kg；

下标：b—已燃气；u—未燃气。

为分析燃烧过程的体积，以燃料气中烷烃为例，分析其燃烧方程式

式中：CxHy—燃料气折算的烷烃当量分子式。根据式（1），燃烧后气体摩尔数增加比例

利用式（6）的分析方法，进行各组分的燃烧分析，对于燃烧后的基体积其计算公式为

式中：ds—每立方米干燃气所带的水量，g/m3； αb—过量空气系数，计算公式为

式中：φb(CO2)—燃烧后二氧化碳体积分数，%；

φb(O2)—燃烧后氧气体积分数，%；

φb(CO)—燃烧后一氧化碳体积分数，%；

φb(H2)—燃烧后氢气体积分数，%；

φb(CxHy)—燃烧后烷烃体积分数，%；

φb(RO2)—燃烧后二氧化物体积分数，%；

VO2—每立方米干燃气燃烧理论空气量，m3/m3，其计算公式为

式中：φ(CO)—燃料气中基一氧化碳体积分数，%；

φ(H2)—燃料气中基氢气体积分数，%；

φ(H2S)—燃料气中基硫化氢体积分数，%；

φ(CH4)—燃料气中基甲烷体积分数，%；

φ(O2)—燃料气中基氧气体积分数，%；

式中：uT—湍流火焰速度，m/s；

uL—层流火焰速度，m/s；

ρu—未燃区的气体密度，kg/m3；

ρb—已燃区的气体密度，kg/m3；

u′—湍流强度，m/s；

rf—火焰当量半径，m；

rc—特征尺度，m，表征湍流开始影响燃烧速度的火焰尺寸范围；

c—系数，并且rc与c由工况点的试验数据确定。

对于计算过程中作为输入值的多变指数n，需要读表进行确定。燃烧前的分析需要读取空气与天然气的多变指数，然后按权重进行计算；燃烧中与燃烧后的分析需要读取空气、天然气与烟气的多变指数，然后按权重进行计算。如果直接读表确定多变指数n，由于人为因素会对结果产生较大偏差，为避免这种情况，本文采用软件编程对多变指数进行处理[18]。首先对过程参数图表取点，建立对应的数据库，然后利用最小二乘法对相邻点进行数据拟合。其实现方法如图2所示，软件模块在燃气发动机效率分析中的应用如图3所示。多次现场使用的结果表明：此软件模块可以保证计算精度，满足计算要求。

图2 多变指数软件软件编程实现原理Fig.2 Polytropic index software programming principles

图3 多变指数软件模块在燃气发动机效率计算中的应用Fig.3 Polytropic index software modules used in the calculation of the efficiency of the gas engine

2 算例与现场测试结果

算例参数包括：（1）发动机结构参数：机组型号ZTY265MH6X6–1#；进气压力pin=0.18 MPa；转速ω=354 r/min；动力缸直径d=381 mm；动力活塞行程为406.4 mm；动力连杆长为863.6 mm；点火提前角θ=351°；排气口角度β=112°；扫气口角度δ=116°；进气口角度ϕ=320°。

（2）燃料气气质参数：甲烷CH4（摩尔分数，后同）=86.010%；乙烷 C2H6=2.550%；丙烷 C3H8=0.510%；异丁烷 iC4=0.067%；正丁烷 C4=0.076%；异戊烷 iC5=0.026%；正戊烷 nC5=0.021%；已烷以上二氧化碳CO2=0.720%；氧+氩（O2+Ar）=0；氮N2=1.200%；氦He=0.029%；氢H2=8.472%；硫化氢H2S=0；一氧化碳CO=0.260%；重烃总量=3.306%。

（3）发动机工作参数：燃烧气量=105 m3/h；冷却水冷却燃烧缸前温度=62.5°C；冷却水冷却燃烧缸后温度=65°C；烟气温度测试FT=337.2°C；烟气组分百分比测试结果包括：O2=15.38%；CO=163.00×10−4%；CO2=5.35%；NO=207.00×10−4%；NO2=18.80×10−4%；NOx=225.00 ×10−4%；SO2=8.00×10−4%；H2=0。

根据给定的算例参数和气质参数，确定密封压缩与膨胀区间、燃气喷入位置、点火提前角位置、燃烧段、以及排气与扫气阶段，利用建立的计算方法，完成压力计算，计算结果如图4所示。

图4 两动力缸–两压缩缸压缩机动力缸压力计算结果Fig.4 Power cylinder pressure calculation results of compressor with two power-two compression cylinders

利用Dynalco 9260ECR往复设备综合监测分析系统对机组进行测试[19-20]，其软硬件组成包括一台多通道采集分析仪和Rtwin9.2软件包，可完成机组工作数据采集与运行性能监测分析。其中动力缸结构参数、工作参数与燃料气气质参数与算例参数相同，测试结果如图5所示。

对比算例计算结果与测试结果，可以得到：（1）算例计算结果与测试结果吻合，测试结果中的背压值为大气压值。点a′表示燃烧完成点，此时温度最高，压力最大，测试结果出现压力波动的原因是由于燃烧情况变化，初始点定位后到机组平稳运行阶段。点b′为排气口位置，点c′为扫气口位置，此时，活塞后端空气进入，导致压力略有升高。点d′位置扫气完成，此时动力缸内压力与背压值相等。点e′为下止点。点f′为排气口关闭位置，此时动力活塞开始压缩动力缸内空气，是一个多变压缩过程，在点f′与点g’之间某点位置，喷入燃料气。点g′为点火提前角位置，此时燃料气与空气的混合气体开始燃烧，直至点a′位置燃烧结束。（2）其他条件不变时，改变点火提前角点g′，会改变点a′的位置，以及改变作功冲程的压力分布，影响燃气发动机的输出功率。（3）动力缸的压力变化是燃气发动机动力缸关键部件如动力活塞、活塞杆、连杆以及曲轴的载荷分析基础，可为这些部件疲劳分析提供基础数据。

图5 两动力缸–两压缩缸压缩机动力缸压力测试结果Fig.5 Power cylinder pressure test results of compressor with two power-two compression cylinders

3 结论

（1）天然气非燃烧段的气体状态方程计算中，多变指数的精度是保证计算结果可靠性的前提。

（2）燃气发动机动力缸燃烧过程模型为双区模型，需要结合质量方程与能量方程建立压力计算方法，燃烧过程的组分变化需要结合燃烧方程式确定，燃烧率的计算需要结合实验确定关键参数rc与c。

（3）燃气发动机工作过程动力缸的压力计算是效率计算、关键件力学分析的基础。可为机组经济运行、生产安全评价提供理论支撑。

[1]Zhang R R，Lu X S，Li S Z，et al.Analysis on the heating performance of a gas engine driven air to water heat pump based on a steady-state model[J].Energy Conversion and Management，2005，46（11）：1714–1730.

[2]Wu S，Rios-Mercado R Z，Boyd E A，et al.Model relaxations for the fuel cost minimization of steady-state gas pipeline networks[J].Mathematical and Computer Modelling，2000，31（2）：197–220.

[3]李建忠，郑民，张国生，等.中国常规与非常规天然气资源潜力及发展前景[J].石油学报，2012，33（增1）：89–98.

[4]Ma F，Wang Y.Study on the extension of lean operation limit through hydrogen enrichment in a natural gas spark-ignition engine[J].International Journal of Hydrogen Energy，2008，33（4）：1416–1424.

[5]Bauer C G，Forest T W.Effect of hydrogen addition on the performance of methane-fueled vehicles.Part I：effect on SI engine performance[J].International Journal of Hydrogen Energy，2001，26（1）：55–70.

[6]Wang J，Huang Z，Fang Y，et al.Combustion behaviors of a direct-injection engine operating on various fractions of natural gas-hydrogen blends[J].International Journal of Hydrogen Energy，2007，32（15）：3555–3564.

[7]Wang J，Chen H，Liu B，et al.Study of cycle-by-cycle variations of a spark ignition engine fueled with natural gas-hydrogen blends[J].International Journal of Hydrogen Energy，2008，33（18）：4876–4883.

[8]李兴虎，蒋德明，沈惠贤.火花点火发动机压力循环变动的评价方法研究[J].内燃机学报，2000，18（2）：17l–174. Li Xinghu，Jiang Deming，Shen Huixian.Study on evaluated methods of pressure cyclic variation in spark ignition engines[J].Transactions of Csice，2000，18（2）：171–174.

[9]Wang J，Lin Z，Howe D.Characteristics of linear compressors under current source excitation[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A：Journal of Power and Energy，2007，221（7）：1057–1065.

[10]Sanada M，Morimoto S，Takeda Y.Analyses for sensorless linear compressor using linear pulse motor[C]// The 34th IAS Annual Meeting，Phoenix，AZ，1999：2298–2304.

[11]Xia M，Chen X.Analysis of resonant frequency of moving magnet linear compressor of stirling cryocooler[J].International Journal of Refrigeration，2010，33（4）：739–744.

[12]郁永章，陈二锋，高秀峰.CNG加气子站由压缩机驱动与液压驱动的能耗理论分析[J].压缩机技术，2005（4）：1–3. Yu Yongzhang，Chen Erfeng，Gao Xiufeng.The analysis on energy consumption in a cng secondary fueling station driven by compressor and liquid pump[J].Compressor Technology，2005（4）：1–3.

[13]田家林，梁政，杨琳，等.整体式天然气压缩机能效计算反平衡方法[J].石油学报，2013，34（4）：787–791. Tian Jialin，Liang Zheng，Yang Lin，et al.A counterbalance method for energy efficiency calculation of the integral natural gas engine-compressor[J].Acta Petrolei Sinica，2013，34（4）：787–791.

[14]Karim G A.Hydrogen as a spark ignition engine fuel[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2003，28（5）：569–577.

[15]Noersteboe V S，Bakken L E，Dahl H J.Energy-efficient operation of gas export systems[C].SPE 123132，2008.

[16]Porpatham E，Ramesh A，Nagalingam B.Effect of hydrogen addition on the performance of a biogas fuelled spark ignition engine[J].International Journal of Hydrogen Energy，2007，32（12）：2057–2065.

[17]Ma Fanhua，Wang Yu，Liu Haiquan，et a1.Experimental study on thermal efficiency and emission characteristics of a lean bum hydrogen enriched natural gas engine[J].International Journal of Hydrogen Energy，2007，32（18）：5067–5075.

[18]田家林，梁政，赵洪瑞，等.整体式燃气压缩机能效监测软件 Version1.0：中国，2012SR060802[P].2012–07–09.

[19]李建良，张鹏，许铁，等.SY/T 6637—2005，输气管道系统能耗测试和计算方法[S].国家发展和改革委员会，2005.

[20]田家林，梁政，杨琳.生产实习过程油气集输现场安全问题分析[J].西南石油大学学报：社会科学版，2011，13（7）：75–77.

编辑：牛静静

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Pressure Calculation and Test Analysis of Natural Gas Engine Power Cylinder

Tian Jialin1，2,Zhu Yonghao1,Yang Lin1,Pang Xiaolin1,Li You1
1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China 2.School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China

Pressure calculation of the natural gas engine power cylinder in working process is the basis of ensuring engine operation，and mechanical properties calculation and safety evaluation of the key components.According to the gas engine working principle and thermodynamic process，this article analyzes the gas state equation and the gas combustion process.Based on the mass equation，momentum equation and energy conservation equation，the combustion process pressure calculation method is established.Using the two-region model and field test results，the gas combustion rate equation is presented.As for the polytropic exponent，with the established database，this article determines the value with the software module，ensuring the accuracy and avoiding influence of human factors on the calculation results.Finally，with the numerical example and field test results analysis，the reliability of this calculation method is verified.Based on the pressure calculation method，quantitative analysis of the influence of key parameters such as the ignition advance angle，air-fuel ratio，speed and temperature on pressure is made.Meanwhile，using the pressure calculation results，the engine efficiency analysis can provide the basis for the economic machine operation.The mechanical performance calculation of key components based on the pressure calculation results，can provide theoretical support for safety evaluation of the engine.

natural gas；engine；power cylinder；thermodynamics；pressure；calculation method

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2013.12.15.03.html