高原环境非增压LNG 汽车发动机模拟仿真与试验

朱永利，何 倩，张 炎

(1.武警8672 部队，宁夏 固原756000;2.渭南市规划局，陕西 渭南714000;3.长安大学，西安710064)

高原环境实车试验人力、物力花费巨大，而且由于试验条件的限制整个试验带有一定盲目性和主观性，且缺少系统深入的研究，而采用建模仿真方法进行前期研究，不仅可以节省成本，而且较为全面细致。为此，本文采用GT-power 软件对高原环境非增压液化天然气(liquefied natural gas，LNG)汽车发动机进行模拟仿真研究，以便为后续从事高原环境下发动机性能优化研究作好铺垫。

1 主要技术参数与燃料供给系统

该LNG 汽车发动机由汽油机改装，价格较低、性能可靠、排放达到国IV 标准。参照仿真所需数据，其主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

该机燃料为通过高频电磁阀组进行分配减压后的天然气。高频电磁阀组功用与喷油器相同，是燃料供给系统的执行器，利用电磁阀精确控制每缸燃料供应。当高频电磁阀组接收燃气ECU 的喷气指令后，即按照点火顺序依次迅速开启电磁阀向进气道喷射与喷气脉宽相对应的燃气量，具有执行精度高、瞬态响应特性好等优点［1］。

2 系统仿真模型

GT-power 是美国Gamma Technologies 公司开发的GT-SUITE 中关于内燃机及其零部件模拟软件。相比于同类软件，具有界面简单、易于操作、计算精度高等优点，是内燃机方面理想的CAE 工具。该软件既可仿真发动机稳态和瞬态工作过程，也可以进行发动机动力系统、控制系统仿真分析，已广泛应用于汽车领域［2］。本文运用GT-power 建立的天然气发动机系统模型主要有:①对发动机大气条件进行简化，建立的发动机大气边界模型;②基于管内或有限容积一维流动理论，建立的发动机进排气系统模型，包括进排气管、进排气歧管、管接头以及气门模型;③发动机缸内燃烧模型、传热模型、曲轴箱模型;④喷油器模型和燃料模型。

2.1 大气边界模型

内燃机功率一定程度上取决于进入汽缸的空气质量流量，而后者与具体环境大气状态参数即压力、温度和湿度密切有关［3］。标准大气环境下，大气有相对稳定的化学成分，以1 个体积大气为例，其中包括78.084%分子氮、20.947%分子氧以及其他少量的成分，如CO2、氮氧化物等。而CO2等气体含量较少，且不参与燃烧化学反应，在此忽略不计，仅取氮气和氧气作为研究对象，其质量百分数分别为0.767 和0.233。海拔不同，空气成分没太大差异，只是压力、温度、湿度等大气参数存在差异。在不同大气状态下试验和仿真获得的数据，应根据规律转化为标准大气状态下相对应的试验结果，在此取内燃机台架标准大气状态:温度T0=298 K(25 ℃)，干空气压p0=99 kPa(总气压为100 kPa，水蒸气压为1 kPa)。

2.2 进排气系统模型

2.2.1 进气管道模型

发动机进气管主要由进气总管和进气歧管组成，建模过程中作简化处理，把进气管道分别用直管和弯管进行替代，管衔接处采用三叉管进行连接处理。对于锥度小的管道采取直管进行近似代替，而锥度大的管道和温度差异较大的管道分2段进行处理［4］。

在建模过程中，需要对管道进出口直径、长度、离散化长度、表面粗糙度、壁面温度、正反向流动压力损失系数等参数设置。其中，进出口直径、长度、曲率根据实际发动机进行设置;离散化长度为缸径的0.4 倍，取30 mm;表面粗糙度按铸铁的粗糙度选为0.026;温度参数，依次沿进气管路温度升高，在此仅按照温度进行分段处理，进气入口设置为外界温度，临近进气门参数设置为450 K。由于本次台架原机卸除空气滤清器，所以在此未增加空气滤清器模型。该模型(如图1 所示)右上角为大气边界模型，与大气边界模型连接的是进气歧管，进气歧管与进气门相连。

图1 进气管道模型

2.2.2 排气管道模型

排气系统模型建立与进气管道相同，但考虑到进排气系统由于温度差别导致声速不同，故离散长度取为缸径的0.55 倍，即42 mm(如图2 所示)。该排气系统采取传统的1、4 缸共用一根排气总管，2、3 缸共用一根排气总管，2、3、4 缸的排气歧管长度一样，相邻2 缸排气互不干扰。

图2 排气管道模型

2.2.3 气门模型

选用发动机每缸进气门和排气门各2 个，有效地增大了进气流通截面积，选取的进气模型分别按照原机设置进气门直径、气门间隙、确定配气相位凸轮定时角和用凸轮轴转角表示的气门升程量。用凸轮轴转角表示的进气提前角为9°，进气迟闭角为21°，气门升程最大时对应的凸轮轴转角为231°。此外，由于进气道几何形状复杂，对气体流动影响较大，GT-power 软件在气门处采用正反流量系数来综合评价气道、气门对流体流动的影响，流量系数由稳流气道试验方法取得。

排气门模型建立同进气门，但用凸轮轴转角表示的排气提前角为33°，排气迟闭角为11°，气门升程最大时对应的凸轮轴转角为124°。

2.3 燃烧及传热模型

2.3.1 燃烧模型

本次仿真中采用韦伯燃烧模型。在GT-power 中选EngCylcombSIWiebe 模型，该模型虽然只有简单的CA50、燃烧持续期2 个参数，但此参数足以准确描述燃烧过程。

韦伯燃烧模型用半经验公式或数学函数去模拟缸内实际放热曲线，前提假设条件是缸内工质气体混合均匀。其一般形式为［6］式中:X为已燃质量分数;Y为无因次时间函数;dX/dY为燃烧速率1/°CA;φ 为瞬时曲轴转角;φVB为燃烧始点的曲轴转角;φVE为燃烧终点的曲轴转角;Δφ 为燃烧持续角;m为燃烧品质数;a为常系数，取为6.908。

韦伯燃烧函数曲线形状与趋势由φVB、Δφ、m共3 个参数确定。一般在标定工况下，φVB在上止点1 ～10 ℃A 之间，燃烧起始角越大，φVB越提前，最高燃烧压力越高;m值表征放热特性，m越小，初期放热量越多，压力升高率也越大，根据经验，一般汽油机m=1.5 ～2，在GT 模型中，可根据燃烧模式及参数准确选取m值;天然气由于点火能量高、气体较稀薄，所以燃烧持续期较汽油缸内燃烧时长，在此燃烧持续期φ 取30 ℃A。

2.3.2 传热模型

本次建模采用Woschni 传热模式，在GT-power 选取EngCylHeatTr。实体模型汽缸盖采取屋脊形燃烧室，气门倾斜布置、直径较大，有利于进排气门布置，增大流量面积。

2.3.3 曲轴箱模型

各汽缸间的运动协调和点火顺序的控制通过曲轴箱模型设置确定。在模块库中选取曲轴箱模块，该发动机为直列4 缸4 冲程，在循环开始点选取上，以一缸进气门关闭时刻为准，此处设置为-132 ℃A，点火顺序为传统的1—3—4—2 点火模式，确保了发动机平稳性。在此还可设置GT-post 输出发动机的速度特性曲线图或者负荷特性曲线图，此次主要研究发动机外特性曲线图，因此选择速度变量作为Case 变量，单位为r/min。

2.4 燃气喷油器模型和燃料模型

该机天然气由处于进气管处的高压电磁阀组实现燃料供给。高压电磁阀工作原理与汽油喷油器原理相同，电磁阀接收燃气ECU 的喷油指令开启电磁阀，脉宽越长，电磁阀开启时间越长，喷入缸内的天然气越多。唯一不同的是CNG 管道压力本身很高，仅需控制电磁阀的开启即可实现燃料供给量控制，精度高且性能可靠，所以本文用一个喷油器模型代替该机电磁阀。本次建模采用InjAF-Ratioconn 喷油器模型，设置流量传感器位置、空燃比、蒸发系数等基本参数。

完成建立喷油器基本模型后，还需设置燃料参数。该机使用天然气作为燃料，在GT 模型中自带有methane-vap 模块，其理化特性见表2。

表2 天然气理化特性

由表2 可见，天然气的辛烷值、低热值也高于汽油，但体积质量比较低，所以天然气在燃烧时功率相对于燃用汽油时有所下降［5］。

3 整机仿真模型

依照该天然气发动机建立GT-power 模型(如图3 所示)。

图3 整机仿真模型

可以看出，发动机4 缸依次排列并与曲轴箱按顺序相连。依照进气流程，将进排气管道与各缸依次相连，在此过程中自动生成溢流口模型。该机采取进气歧管接近汽缸喷射与空气进行预混，喷油器在汽缸附近与进气歧管相连接。另外，该发动机采用2 个进气门和2 个排气门的设置，在建模过程中采用三叉管连接气门和歧管。

4 台架试验与模拟仿真分析

建立仿真模型的关键就是符合原机实体模型，模拟仿真结果与试验结果二者误差在5%以内方能进行仿真研究。本文采用发动机外特性进行验证，在试验过程中选取7 个转速点，就对应点的功率、转矩和比气耗依次用GT 模型进行验证。

4.1 试验仪器选取

此次试验主要测取发动机在节气门全开理论空燃比下发动机外特性，主要测取发动机转速、功率、转矩、比气耗等参数，试验仪器选取见表3。

表3 试验仪器选取

4.2 试验数据处理

此次台架试验目的主要是获得标准大气压下燃用天然气时发动机外特性数据。试验台架位于海拔约400 m 处，由于室内温度不可控，各个点的试验环境温度不尽相同，所以须对试验结果进行大气校正，换算到与标准大气状态相对应的标准功率或校正功率。转矩可根据校正功率求得，而对点燃式发动机则不必进行燃气消耗量校正。

依据经验，不同大气压力、温度下的有效功率、转矩和燃气消耗率与标准大气压下存在一个比例系数，即大气修正系数。LNG 发动机大气修正系数与点燃式发动机大气修正系数相同，可通过下式求得［5］，即

式中:ps为试验现场干空气压，kPa;T为试验现场进气温度，K;p为试验现场总气压，kPa;φ 为试验现场相对湿度;psw为大气条件下水蒸气饱和分压，kPa;t为大气温度，℃。

有效功率校正公式:

式中:Pe0为标准大气状态下校正功率，kW;Pe为实测功率，kW。

经式(7)校正后的试验数值为标准大气压下LNG 发动机在不同转速条件下的功率、转矩和比气耗(见表4)。

表4 试验校正后结果

4.3 试验与仿真分析

由于GT 模型中在韦伯燃烧设置时假设缸内燃烧较为充分，为了验证的准确性，本试验根据尾气的含氧量选取燃烧充分的点，按照式(7)经功率校正后再与模拟值进行比较，实现对GT-power模型验证，其数据对比见表5。

从表5 可知，模拟功率和转矩结果与原机台架外特性试验结果的最大误差仅为3.6%，且误差较大的点聚集在低、高转速附近。主要是由于试验过程中燃料供给并未按照理论空燃比，有一定的误差，也不排除试验和仿真模型的一些偏差，但均落在5%的误差范围内，可见该模型在预测发动机的转矩和功率随转速变化趋势具有较高的精确度，仿真结果具有可靠性和参考性。

与模拟发动机动力性的准确性相比，模拟发动机经济性结果的比气耗均低于该机实测值，最大误差达到9.4%，超出5%的误差允许范围。造成这种原因:其一，GT-power 燃烧模型假设燃料悉数进入汽缸内并得到充分燃烧，燃料利用效率为100%，但实际过程中，燃料在传输过程中有部分因为挥发、泄漏或残留在管道，进入缸内也可能产生倒流、燃烧未完全和随废气排出;其二，测量时各循环耗气量未能一致，有些循环可能未燃烧充分，加上测量方法存在5%的误差允许。因此，最大误差在9.4%的比气耗误差仍然落在误差允许范围内，在后续仿真过程中，仅可以作为参考来研究发动机经济性能，在现实应用中须加上燃气损耗。

表5 模拟结果与原机结果对比

由上述分析可知，该模型模拟可靠、仿真数据准确。本文利用所建GT 模型分别模拟仿真非增压式LNG 发动机在0 、1 500、2 500、3 500 m 海拔条件下的动力性和经济性，其结果如图4—6 所示。

图4 不同海拔下功率特性

图5 不同海拔下转矩特性

图6 不同海拔下比气耗特性

结果显示，功率和转矩随着海拔升高有所下降，3 500 m 海拔降幅约达到35.9%，且随着动力性下降，发动机的比气耗有所上升，3 500 m海拔最大升幅约达到8.2%。

5 结 论

(1)采用GT-power 模型模拟仿真非增压式LNG 发动机在不同转速条件下的功率、转矩及比气耗，并与原机的外特性进行对比验证，得出功率的最大误差仅为3.6%，转矩的最大误差仅为3.5%，比气耗的最大误差为9.4%。功率和转矩的误差值较小，比气耗误差较大，但结果较为合理。该GT 模型可靠、仿真结果准确。

(2)利用该模型模拟仿真了非增压式LNG 发动机在0、1 500、2 500、3 500 m 海拔下的动力性和经济性。结果表明，其功率和转矩随着海拔升高有所下降，在3 500 m 海拔降幅约达到35.9%，并且随着其发动机动力性的下降，发动机的比气耗有所上升，在海拔3 500 m 条件下最大升幅达到约8.2%。

［1］ 南涛.汽油/CNG 两用燃料发动机燃气系统［D］.西安:长安大学，2009.

［2］ 王海良.基于GT-Power 的发动机工作过程仿真分析［J］.上海汽车，2010(11):47-50.

［3］ 周龙保.内燃机学［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［4］ 刘勇强，左承基，黎幸荣. 发动机排气噪声的仿真预测和实验研究［J］.中国机械工程，2011(14):1664-1668.

［5］ 张海涛.天然气发动机空燃比和点火提前角模拟优化研究［J］.上海汽车，2012(7):22-26.

［6］ 林杰伦.内燃机工作过程数值计算［M］. 西安:西安交通大学出版社，2008.