基于AVL BOOST的CNG发动机压缩比优化设计

纪文晓 马晨阳

（重庆交通大学，重庆 401120）

将汽油机改为天然气发动，在压缩比不变的情况下发动机动力性下降10%～22%左右。天然气辛烷值130，有较好的抗爆性，因而可以提高发动机压缩比进而提高发动机动力性和经济性，同时CO和HC排放也会降低。

本文建立了该款发动机的一维模型，并通过实验参数对其进行模型的验证，调整参数从而研究压缩比对发动机动力性和经济性的影响。

1 CNG发动机模型的建立和验证

1.1 CNG发动机模型的建立

模型所用发动机为四缸多点电控喷射天然气发动机，直列四缸、四冲程，压缩比为10，缸径×行程：70×81mm。

表1 5600r/m、压缩比10 时实验值与计算值对比

SB1、SB2分别为进排气系统的边界，主要设置温度、压力、流量系数和空燃比A/F等系数。燃烧模型采用Vibo双区模型，传热模型采用Woschni 1978模型。

1.2 CNG发动机模型的验证

为了保证所建发动机模型的准确性，在5600r/min时，更改发动机压缩比，进而对比试验数据与仿真计算数据。主要验证数据有功率、扭矩、燃气消耗率，对比结果见表1。

结果表明，仿真值和实验值误差在5%左右，缸压曲线也能较好的拟合，因此此模型具有较好的准确性，可以通过该模型进行发动机性能的仿真优化设计。

2 不同压缩比发动机对外特性的影响

基于AVL BOOST模型，在原机基础上，将发动机压缩比提高至11.5和12.5，研究不同压缩比对发动机外特性的影响。图2、图3为不同压缩比对发动机功率、扭矩和燃气消耗率的影响。

结果表明，提高发动机压缩比，提高了燃料燃烧的温度和压力，燃烧速率加快，发动机热效率提高，使得发动机的功率和扭矩都有所提高，最高提升5%左右，动力性增强，如图3所示。由于燃烧热效率的提高，使得发动机燃气消耗率略有下降，最高下降5%左右，改善燃油经济性，如图4所示。

结论

（1）利用AVL BOOST建立了天然气发动机的一维仿真模型，并用实验数据与模型计算数据进行对比，验证了模型的准确性。

（2）在一定范围内，随着压缩比的提高，功率和扭矩均有增加，动力性增强；同时燃气消耗率有所下降，有助于经济性的改善。

[1] Girma Tadesse, A. Rashid A. Aziz. Effect of BOOST Pressure on Engine Performance and Exhaust Emissions in Direct-Injection Compressed Natural Gas （CNG-DI） Spark Ignition Engine. SAE Technical Paper, 2009-32-0135.

[2]孙慧慧，王天友，张海岩.高压缩比稀薄燃烧天然气发动机的燃烧与排放特性[J].天然气工业，2013，33（02）.