基于GT-Power的柴油机改CNG发动机对比研究*

张　飞，严朝勇，张国辉，陈沚淇，潘伟荣（.广东交通职业技术学院，广东广州　50640；.广州本田汽车有限公司，广东广州　5060；.广州市汽车服务业协会，广东广州　5067）

基于GT-Power的柴油机改CNG发动机对比研究*

张飞1，严朝勇1，张国辉2，陈沚淇3，潘伟荣1
（1.广东交通职业技术学院，广东广州510640；2.广州本田汽车有限公司，广东广州510630；3.广州市汽车服务业协会，广东广州510627）

摘要：为改善城市空气质量，广州正准备改装成或引进压缩天然气燃料（Compressed Natural Gas，简称CNG）公共汽车。利用GT-Power软件建立了基于某柴油机的CNG单燃料发动机模型，并对其改装后的性能进行了模拟，通过原柴油机外特性对比，显示有效功率、有效力矩和比油耗都有显著下降，通过研究指出改装后天然气发动机动力性下降原因，并得出恢复天然气发动机动力性的方法，为进一步研究指明了方向，也为广州实施CNG燃料发动机提供了理论支撑。

关键词：GT-Power软件；CNG；容积效率；有效功率

* 2014年度广东省交通运输厅科技项目（编号：科技-2014-04-007）

0　前言

汽车尾气排放已成为城市空气污染的主要因素，为改善城市空气质量，广州自2002年，引进了液化石油气（LPG），但由于LPG燃料效率较低，发动机容易积碳，排放有害物质远高于柴油车等质疑声不绝于耳[1-2]，压缩天然气(compressed natural gas，简称CNG)作为一种最理想的车用替代能源，引进CNG作为公交车的动力燃料已提上日程。目前，国内大多数现有汽车发动机改装CNG发动机后保留双燃料的能力，双燃料车辆改造费用高，功率损耗严重，驾驶操作复杂。本文旨在探讨应用单燃料压缩天然气（CNG）作为柴油发动机的替代燃料对其性能的影响。

1　基于GT-Power的单缸发动机模型建立

GT-Power软件基于管内或有限容积的一维流动理论，是一款包括发动机设计概念的发动机仿真分析软件，目前汽车发动机行业广泛采用[3]。本文选取某柴油机为改装研究对象，主要技术指标参数如表1，利用GT- Power建立模型，鉴于该软件的特点，需对模型作一定的假设：进入气缸内的气体能够满足理想气体状态方程，此时CNG物化特性如表2[4]；管路无弹性变形，且无泄漏现象；环境恒温恒压，燃气无需过滤，且符合要求。

表1　柴油发动机主要技术指标

表2　CNG物化特性（25℃一个标准大气压下）

综上，本文建立了基于GT-POWER单缸四冲程的直喷射发动机的模型[6-7]（如图1）。

图1　基于GT-Power的单缸直喷发动机仿真模型

图中1为进气管前的环境，2为进气管前端，3为空气滤清器，4为进气管，5为进气歧管，6为进气门，7为喷嘴，8为气缸，9为曲轴箱，10为排气门，11为排气歧管，12为排气管，13为消声器，14为尾气出口，15为排气管后的环境。相关设置参数详见表3、表4、表5。

表3　进气系统参数

2　基于GT-Power[8　]的单缸发动机[9　-10　]仿真

本文在发动机GT-POWER模型下使用的柴油燃料和CNG燃料，在有效功率、有效扭矩、比油耗[11-12]等发动机关键参数[13]下，比较研究两者的性能。

图2表明，使用柴油时，有效功率从200 r/min时0.09 kW变化到4 000 r/min时的2 kW，当3 000 r/min，达到峰值，即最大功率为4.3kW；使用CNG燃料时，200 r/min时0.04 kW变化到4 000 r/min时2.4 kW。CNG为燃料时，最大功率出现在4 000 r/min。对比得知，使用CNG作为燃料时最大功率减少44%。

表4　排气系统参数

表5　进排气门参数

图2　有效功率图

图3中，使用柴油时，发动机转速200 r/min时有效扭矩4 N∙m，4 000 r/min时为4 N∙m，峰值出现在1 000 r/min时12.6 N∙m，1 500 r/min 时13.5 N∙m，2 700 r/min时14.4 N∙m，显然最大扭矩为14.4 N∙m。使用CNG燃料时，转速200 r/min时有效扭矩1.7 N∙m，4 000 r/min时为5.6 N∙m，当2 400 r/min出现最大扭矩7.3 N∙m。可知使用CNG燃料时最大扭矩将降低49%。

图4中是燃油消耗率情况，对于柴油机，从200 r/min到4 000 r/min时，比油耗也从1 232 g/kW∙h变化到1 025 g/kW∙h，2 800 r/min时燃油消耗最低，为349 g/kW∙h；对于CNG燃料，从200 r/min到4 000 r/min时，比油耗也从2 940 g/kW∙h变化到891 g/kW∙h，最低燃油消耗2 400 r/min为691 g/kW∙h，显然使用CNG作燃料时，最小燃料消耗率增加49%。

图3　有效扭矩

图4　燃油消耗率

3　结果分析

从仿真的结果可知，与柴油发动机相比，改装后的CNG发动机动力性能会有所下降，分析其原因主要如下。

（1）决定发动机功率和扭矩的是混合气热值[14]，柴油具有烃比CNG燃料更高，将与发动机提供更多的能量[9]，为此本文研究了相同转速下，两种发动机的爆燃压力值[15]。如图5，在1 000 r/min时，柴油机和改装后的CNG发动机喷射提前角分别为5.7°和4.5°，柴油机产生的压力为81 bar，CNG发动机压力为70 bar，压力减少8%多。同理在2 000 r/min时，CNG发动机爆燃力较柴油机减少12%；3 000 r/min时柴油机达到最大功率值，此时CNG发动机减少13%。

（2）进气量的减少、容积效率[10]较低是造成CNG发动机动力性能下降的主要原因之一，图8中，改装后的CNG发动机容积效率有明显下降。由于天然气是以气态的形式进入气缸，没有燃油蒸发的汽化潜热，在进气过程中还会占据一部分进气管的容积，这就造成了在相同条件下发动机充气效率的下降，进而导致功率、扭矩的下降。

图5　1 000 r/min时，气缸压力情况对比

图6　2 000 r/min时，气缸压力情况对比

图7　3 000 r/min时，气缸压力情况对比

（3）CNG燃油消耗率较柴油机高，主要因为CNG燃烧着火温度高，火焰发展期长，使得发动机总燃烧期增长，燃气消耗量增加。

图8　容积效率

4　改善及结论

CNG是未来城市公交的一个发展重点，是一种最理想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低、效益高、无污染和使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。本文在GT-Power软件环境下，建立单燃料发动机模型，结果显示CNG发动机与同排量的柴油机相比，动力性下降，如果不对发动机作任何调整必将对发动机的动力性能产生较大的影响。

从仿真的结果得知，要改善提高CNG发动机的动力性，要从提高容积效率、气缸压力、燃料喷射正时等入手——即下一步研究应当从提高压缩比、增加气缸燃气充量、优化混合气、优化点火提前角和采用电控等深入，同时本文也为广州进一步实施CNG燃料发动机提供了有力的理论支撑。

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(编辑：向飞)

Comparative Study of Diesel Change CNG Engine Based on GT-Power

ZHANG Fei1，YAN Chao-yong1，ZHANG Guo-hui2，CHEN Zhi-qi3，PAN Wei-rong1
（1.Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou510640，China；2.Guangzhou Honda Co.，Ltd.，Guang⁃zhou510630，China；3.The Association of Guangzhou Automobile Service Industry，Guangzhou510627，China）

Abstract:In order to improve urban air quality，Guangzhou is preparing to converted into compressed natural gas fuel buses.This paper established CNG single fuel a diesel engine model with GT-Power.Simulate its performance.The simulation uses a four-stroke single-cylinder diesel engine 407cc.compared to the original diesel engine by external characteristics，The results showed that the brake power，brake torque，brake specific fuel consumption，volumetric efficiency has decreased significantly，through the study pointed out that the conversion of natural gas engine power reasons for the decline.And to restore natural gas engine power draw method pointed out the direction for further research，and also provides a theoretical support for the implementation of CNG fuel engine .

Key words:GT-Power；CNG；volumetric efficiency；effective power

作者简介：第一张飞，男，1980年生，湖南醴陵人，硕士研究生，副教授。研究领域：节能与新能源汽车关键技术。已发表论文12篇。

收稿日期：2015－04－14

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.07.034

文章编号：1009－9492 (2015 ) 07－0118－04

文献标识码：A

中图分类号：U464.172