高原環(huán)境非增壓LNG 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模擬仿真與試驗(yàn)

朱永利，何 倩，張 炎

(1.武警8672 部隊(duì)，寧夏 固原756000;2.渭南市規(guī)劃局，陜西 渭南714000;3.長(zhǎng)安大學(xué)，西安710064)

高原環(huán)境實(shí)車試驗(yàn)人力、物力花費(fèi)巨大，而且由于試驗(yàn)條件的限制整個(gè)試驗(yàn)帶有一定盲目性和主觀性，且缺少系統(tǒng)深入的研究，而采用建模仿真方法進(jìn)行前期研究，不僅可以節(jié)省成本，而且較為全面細(xì)致。為此，本文采用GT-power 軟件對(duì)高原環(huán)境非增壓液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬仿真研究，以便為后續(xù)從事高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化研究作好鋪墊。

1 主要技術(shù)參數(shù)與燃料供給系統(tǒng)

該LNG 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)由汽油機(jī)改裝，價(jià)格較低、性能可靠、排放達(dá)到國(guó)IV 標(biāo)準(zhǔn)。參照仿真所需數(shù)據(jù)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)燃料為通過(guò)高頻電磁閥組進(jìn)行分配減壓后的天然氣。高頻電磁閥組功用與噴油器相同，是燃料供給系統(tǒng)的執(zhí)行器，利用電磁閥精確控制每缸燃料供應(yīng)。當(dāng)高頻電磁閥組接收燃?xì)釫CU 的噴氣指令后，即按照點(diǎn)火順序依次迅速開啟電磁閥向進(jìn)氣道噴射與噴氣脈寬相對(duì)應(yīng)的燃?xì)饬?，具有?zhí)行精度高、瞬態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。

2 系統(tǒng)仿真模型

GT-power 是美國(guó)Gamma Technologies 公司開發(fā)的GT-SUITE 中關(guān)于內(nèi)燃機(jī)及其零部件模擬軟件。相比于同類軟件，具有界面簡(jiǎn)單、易于操作、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，是內(nèi)燃機(jī)方面理想的CAE 工具。該軟件既可仿真發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工作過(guò)程，也可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)仿真分析，已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域［2］。本文運(yùn)用GT-power 建立的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型主要有:①對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)大氣條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立的發(fā)動(dòng)機(jī)大氣邊界模型;②基于管內(nèi)或有限容積一維流動(dòng)理論，建立的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)模型，包括進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣歧管、管接頭以及氣門模型;③發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒模型、傳熱模型、曲軸箱模型;④噴油器模型和燃料模型。

2.1 大氣邊界模型

內(nèi)燃機(jī)功率一定程度上取決于進(jìn)入汽缸的空氣質(zhì)量流量，而后者與具體環(huán)境大氣狀態(tài)參數(shù)即壓力、溫度和濕度密切有關(guān)［3］。標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下，大氣有相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)成分，以1 個(gè)體積大氣為例，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等氣體含量較少，且不參與燃燒化學(xué)反應(yīng)，在此忽略不計(jì)，僅取氮?dú)夂脱鯕庾鳛檠芯繉?duì)象，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為0.767 和0.233。海拔不同，空氣成分沒太大差異，只是壓力、溫度、濕度等大氣參數(shù)存在差異。在不同大氣狀態(tài)下試驗(yàn)和仿真獲得的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)規(guī)律轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，在此取內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài):溫度T0=298 K(25 ℃)，干空氣壓p0=99 kPa(總氣壓為100 kPa，水蒸氣壓為1 kPa)。

2.2 進(jìn)排氣系統(tǒng)模型

2.2.1 進(jìn)氣管道模型

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管主要由進(jìn)氣總管和進(jìn)氣歧管組成，建模過(guò)程中作簡(jiǎn)化處理，把進(jìn)氣管道分別用直管和彎管進(jìn)行替代，管銜接處采用三叉管進(jìn)行連接處理。對(duì)于錐度小的管道采取直管進(jìn)行近似代替，而錐度大的管道和溫度差異較大的管道分2段進(jìn)行處理［4］。

在建模過(guò)程中，需要對(duì)管道進(jìn)出口直徑、長(zhǎng)度、離散化長(zhǎng)度、表面粗糙度、壁面溫度、正反向流動(dòng)壓力損失系數(shù)等參數(shù)設(shè)置。其中，進(jìn)出口直徑、長(zhǎng)度、曲率根據(jù)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)置;離散化長(zhǎng)度為缸徑的0.4 倍，取30 mm;表面粗糙度按鑄鐵的粗糙度選為0.026;溫度參數(shù)，依次沿進(jìn)氣管路溫度升高，在此僅按照溫度進(jìn)行分段處理，進(jìn)氣入口設(shè)置為外界溫度，臨近進(jìn)氣門參數(shù)設(shè)置為450 K。由于本次臺(tái)架原機(jī)卸除空氣濾清器，所以在此未增加空氣濾清器模型。該模型(如圖1 所示)右上角為大氣邊界模型，與大氣邊界模型連接的是進(jìn)氣歧管，進(jìn)氣歧管與進(jìn)氣門相連。

圖1 進(jìn)氣管道模型

2.2.2 排氣管道模型

排氣系統(tǒng)模型建立與進(jìn)氣管道相同，但考慮到進(jìn)排氣系統(tǒng)由于溫度差別導(dǎo)致聲速不同，故離散長(zhǎng)度取為缸徑的0.55 倍，即42 mm(如圖2 所示)。該排氣系統(tǒng)采取傳統(tǒng)的1、4 缸共用一根排氣總管，2、3 缸共用一根排氣總管，2、3、4 缸的排氣歧管長(zhǎng)度一樣，相鄰2 缸排氣互不干擾。

圖2 排氣管道模型

2.2.3 氣門模型

選用發(fā)動(dòng)機(jī)每缸進(jìn)氣門和排氣門各2 個(gè)，有效地增大了進(jìn)氣流通截面積，選取的進(jìn)氣模型分別按照原機(jī)設(shè)置進(jìn)氣門直徑、氣門間隙、確定配氣相位凸輪定時(shí)角和用凸輪軸轉(zhuǎn)角表示的氣門升程量。用凸輪軸轉(zhuǎn)角表示的進(jìn)氣提前角為9°，進(jìn)氣遲閉角為21°，氣門升程最大時(shí)對(duì)應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)角為231°。此外，由于進(jìn)氣道幾何形狀復(fù)雜，對(duì)氣體流動(dòng)影響較大，GT-power 軟件在氣門處采用正反流量系數(shù)來(lái)綜合評(píng)價(jià)氣道、氣門對(duì)流體流動(dòng)的影響，流量系數(shù)由穩(wěn)流氣道試驗(yàn)方法取得。

排氣門模型建立同進(jìn)氣門，但用凸輪軸轉(zhuǎn)角表示的排氣提前角為33°，排氣遲閉角為11°，氣門升程最大時(shí)對(duì)應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)角為124°。

2.3 燃燒及傳熱模型

2.3.1 燃燒模型

本次仿真中采用韋伯燃燒模型。在GT-power 中選EngCylcombSIWiebe 模型，該模型雖然只有簡(jiǎn)單的CA50、燃燒持續(xù)期2 個(gè)參數(shù)，但此參數(shù)足以準(zhǔn)確描述燃燒過(guò)程。

韋伯燃燒模型用半經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)學(xué)函數(shù)去模擬缸內(nèi)實(shí)際放熱曲線，前提假設(shè)條件是缸內(nèi)工質(zhì)氣體混合均勻。其一般形式為［6］式中:X為已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù);Y為無(wú)因次時(shí)間函數(shù);dX/dY為燃燒速率1/°CA;φ 為瞬時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角;φVB為燃燒始點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角;φVE為燃燒終點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角;Δφ 為燃燒持續(xù)角;m為燃燒品質(zhì)數(shù);a為常系數(shù)，取為6.908。

韋伯燃燒函數(shù)曲線形狀與趨勢(shì)由φVB、Δφ、m共3 個(gè)參數(shù)確定。一般在標(biāo)定工況下，φVB在上止點(diǎn)1 ～10 ℃A 之間，燃燒起始角越大，φVB越提前，最高燃燒壓力越高;m值表征放熱特性，m越小，初期放熱量越多，壓力升高率也越大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般汽油機(jī)m=1.5 ～2，在GT 模型中，可根據(jù)燃燒模式及參數(shù)準(zhǔn)確選取m值;天然氣由于點(diǎn)火能量高、氣體較稀薄，所以燃燒持續(xù)期較汽油缸內(nèi)燃燒時(shí)長(zhǎng)，在此燃燒持續(xù)期φ 取30 ℃A。

2.3.2 傳熱模型

本次建模采用Woschni 傳熱模式，在GT-power 選取EngCylHeatTr。實(shí)體模型汽缸蓋采取屋脊形燃燒室，氣門傾斜布置、直徑較大，有利于進(jìn)排氣門布置，增大流量面積。

2.3.3 曲軸箱模型

各汽缸間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和點(diǎn)火順序的控制通過(guò)曲軸箱模型設(shè)置確定。在模塊庫(kù)中選取曲軸箱模塊，該發(fā)動(dòng)機(jī)為直列4 缸4 沖程，在循環(huán)開始點(diǎn)選取上，以一缸進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻為準(zhǔn)，此處設(shè)置為-132 ℃A，點(diǎn)火順序?yàn)閭鹘y(tǒng)的1—3—4—2 點(diǎn)火模式，確保了發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)性。在此還可設(shè)置GT-post 輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性曲線圖或者負(fù)荷特性曲線圖，此次主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線圖，因此選擇速度變量作為Case 變量，單位為r/min。

2.4 燃?xì)鈬娪推髂Ｐ秃腿剂夏Ｐ?/h3>

該機(jī)天然氣由處于進(jìn)氣管處的高壓電磁閥組實(shí)現(xiàn)燃料供給。高壓電磁閥工作原理與汽油噴油器原理相同，電磁閥接收燃?xì)釫CU 的噴油指令開啟電磁閥，脈寬越長(zhǎng)，電磁閥開啟時(shí)間越長(zhǎng)，噴入缸內(nèi)的天然氣越多。唯一不同的是CNG 管道壓力本身很高，僅需控制電磁閥的開啟即可實(shí)現(xiàn)燃料供給量控制，精度高且性能可靠，所以本文用一個(gè)噴油器模型代替該機(jī)電磁閥。本次建模采用InjAF-Ratioconn 噴油器模型，設(shè)置流量傳感器位置、空燃比、蒸發(fā)系數(shù)等基本參數(shù)。

完成建立噴油器基本模型后，還需設(shè)置燃料參數(shù)。該機(jī)使用天然氣作為燃料，在GT 模型中自帶有methane-vap 模塊，其理化特性見表2。

表2 天然氣理化特性

由表2 可見，天然氣的辛烷值、低熱值也高于汽油，但體積質(zhì)量比較低，所以天然氣在燃燒時(shí)功率相對(duì)于燃用汽油時(shí)有所下降［5］。

3 整機(jī)仿真模型

依照該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)建立GT-power 模型(如圖3 所示)。

圖3 整機(jī)仿真模型

可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)4 缸依次排列并與曲軸箱按順序相連。依照進(jìn)氣流程，將進(jìn)排氣管道與各缸依次相連，在此過(guò)程中自動(dòng)生成溢流口模型。該機(jī)采取進(jìn)氣歧管接近汽缸噴射與空氣進(jìn)行預(yù)混，噴油器在汽缸附近與進(jìn)氣歧管相連接。另外，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用2 個(gè)進(jìn)氣門和2 個(gè)排氣門的設(shè)置，在建模過(guò)程中采用三叉管連接氣門和歧管。

4 臺(tái)架試驗(yàn)與模擬仿真分析

建立仿真模型的關(guān)鍵就是符合原機(jī)實(shí)體模型，模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果二者誤差在5%以內(nèi)方能進(jìn)行仿真研究。本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)外特性進(jìn)行驗(yàn)證，在試驗(yàn)過(guò)程中選取7 個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，就對(duì)應(yīng)點(diǎn)的功率、轉(zhuǎn)矩和比氣耗依次用GT 模型進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 試驗(yàn)儀器選取

此次試驗(yàn)主要測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門全開理論空燃比下發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，主要測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩、比氣耗等參數(shù)，試驗(yàn)儀器選取見表3。

表3 試驗(yàn)儀器選取

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

此次臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)康闹饕谦@得標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燃用天然氣時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)。試驗(yàn)臺(tái)架位于海拔約400 m 處，由于室內(nèi)溫度不可控，各個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)環(huán)境溫度不盡相同，所以須對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行大氣校正，換算到與標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)功率或校正功率。轉(zhuǎn)矩可根據(jù)校正功率求得，而對(duì)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)則不必進(jìn)行燃?xì)庀牧啃Ｕ?/p>

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同大氣壓力、溫度下的有效功率、轉(zhuǎn)矩和燃?xì)庀穆逝c標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下存在一個(gè)比例系數(shù)，即大氣修正系數(shù)。LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)大氣修正系數(shù)與點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)大氣修正系數(shù)相同，可通過(guò)下式求得［5］，即

式中:ps為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)干空氣壓，kPa;T為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)氣溫度，K;p為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)總氣壓，kPa;φ 為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)濕度;psw為大氣條件下水蒸氣飽和分壓，kPa;t為大氣溫度，℃。

有效功率校正公式:

式中:Pe0為標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下校正功率，kW;Pe為實(shí)測(cè)功率，kW。

經(jīng)式(7)校正后的試驗(yàn)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速條件下的功率、轉(zhuǎn)矩和比氣耗(見表4)。

表4 試驗(yàn)校正后結(jié)果

4.3 試驗(yàn)與仿真分析

由于GT 模型中在韋伯燃燒設(shè)置時(shí)假設(shè)缸內(nèi)燃燒較為充分，為了驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)根據(jù)尾氣的含氧量選取燃燒充分的點(diǎn)，按照式(7)經(jīng)功率校正后再與模擬值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)GT-power模型驗(yàn)證，其數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。

從表5 可知，模擬功率和轉(zhuǎn)矩結(jié)果與原機(jī)臺(tái)架外特性試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差僅為3.6%，且誤差較大的點(diǎn)聚集在低、高轉(zhuǎn)速附近。主要是由于試驗(yàn)過(guò)程中燃料供給并未按照理論空燃比，有一定的誤差，也不排除試驗(yàn)和仿真模型的一些偏差，但均落在5%的誤差范圍內(nèi)，可見該模型在預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)具有較高的精確度，仿真結(jié)果具有可靠性和參考性。

與模擬發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的準(zhǔn)確性相比，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性結(jié)果的比氣耗均低于該機(jī)實(shí)測(cè)值，最大誤差達(dá)到9.4%，超出5%的誤差允許范圍。造成這種原因:其一，GT-power 燃燒模型假設(shè)燃料悉數(shù)進(jìn)入汽缸內(nèi)并得到充分燃燒，燃料利用效率為100%，但實(shí)際過(guò)程中，燃料在傳輸過(guò)程中有部分因?yàn)閾]發(fā)、泄漏或殘留在管道，進(jìn)入缸內(nèi)也可能產(chǎn)生倒流、燃燒未完全和隨廢氣排出;其二，測(cè)量時(shí)各循環(huán)耗氣量未能一致，有些循環(huán)可能未燃燒充分，加上測(cè)量方法存在5%的誤差允許。因此，最大誤差在9.4%的比氣耗誤差仍然落在誤差允許范圍內(nèi)，在后續(xù)仿真過(guò)程中，僅可以作為參考來(lái)研究發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中須加上燃?xì)鈸p耗。

表5 模擬結(jié)果與原機(jī)結(jié)果對(duì)比

由上述分析可知，該模型模擬可靠、仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。本文利用所建GT 模型分別模擬仿真非增壓式LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)在0 、1 500、2 500、3 500 m 海拔條件下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，其結(jié)果如圖4—6 所示。

圖4 不同海拔下功率特性

圖5 不同海拔下轉(zhuǎn)矩特性

圖6 不同海拔下比氣耗特性

結(jié)果顯示，功率和轉(zhuǎn)矩隨著海拔升高有所下降，3 500 m 海拔降幅約達(dá)到35.9%，且隨著動(dòng)力性下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的比氣耗有所上升，3 500 m海拔最大升幅約達(dá)到8.2%。

5 結(jié) 論

(1)采用GT-power 模型模擬仿真非增壓式LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速條件下的功率、轉(zhuǎn)矩及比氣耗，并與原機(jī)的外特性進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得出功率的最大誤差僅為3.6%，轉(zhuǎn)矩的最大誤差僅為3.5%，比氣耗的最大誤差為9.4%。功率和轉(zhuǎn)矩的誤差值較小，比氣耗誤差較大，但結(jié)果較為合理。該GT 模型可靠、仿真結(jié)果準(zhǔn)確。

(2)利用該模型模擬仿真了非增壓式LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)在0、1 500、2 500、3 500 m 海拔下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，其功率和轉(zhuǎn)矩隨著海拔升高有所下降，在3 500 m 海拔降幅約達(dá)到35.9%，并且隨著其發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的比氣耗有所上升，在海拔3 500 m 條件下最大升幅達(dá)到約8.2%。

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