基于GT-Power的天然气发动机爆震分析与研究

马镇镇， 刘瑞祥， 刘永启， 郑斌

(山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东 淄博　255000)



基于GT-Power的天然气发动机爆震分析与研究

马镇镇， 刘瑞祥， 刘永启， 郑斌

(山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东 淄博255000)

为了改善增压天然气发动机的燃烧状况、提高发动机的性能，对某发电用增压天然气发动机爆震现象进行研究。利用GT-Power软件建立了增压天然气发动机整机仿真模型，通过模拟数据与试验数据的对比验证了模型的准确性，然后在仿真模型中利用自主建立的爆震预测模型对天然气发动机的性能和爆震现象进行了模拟计算，并对得到的数值结果进行分析。结果表明：随着压缩比的增加，发动机发生爆震的可能性增大，爆震开始时刻提前，爆震强度增大，燃气消耗率呈现先减小后增大的趋势，压缩比为13时，燃气消耗率最小；随着点火提前角的增加，发动机发生爆震的可能性增大，爆震开始时刻提前，爆震强度基本不变，燃气消耗率变化趋势是先减小后增大，当点火提前角为-21°时，燃气消耗率最小。

天然气发动机; 爆震; 性能模拟

天然气具有储存量大、有害物质排放少、抗爆性能好等特点，是一种较为理想的替代燃料。由于天然气的着火温度较高，火焰传播速度慢，容易造成天然气发动机后燃严重、排气温度高、热负荷大，从而导致天然气发动机能耗增加、热效率降低，使得天然气发动机的动力性能与汽油机和柴油机相比有所下降[1]。优化压缩比和点火提前角对于提高发动机的动力性、经济性和排放性都有很大的作用[2]，但过高的压缩比和过大的点火提前角容易引起发动机爆震。因此，在改善发动机性能的同时需要对发动机的爆震现象进行研究。

对于发动机爆震的研究一般是通过台架试验的方式来检测发动机的爆震，近年来，随着计算机数值模拟技术的不断发展，许多学者开始利用数值模拟的方法对发动机的爆震现象进行研究。姚喜贵[3]等将焰前反应动力学模型与燃烧模型及湍流火焰传播模型相结合，预测了点火式天然气发动机和汽油机的爆震发生时刻。肖茂宇[4]等利用双区燃烧模型研究了中冷温度对汽油机爆震的影响规律。Qin Yan[5]等研究了压缩比对天然气发动机爆震发生时刻的影响，并对发动机的压缩比进行了优化。胡春明[6]等利用自主研发的燃烧分析软件对燃烧放热率和时频图进行分析，提出了将爆震发生时特定频带内的能量用带通滤波后的放热率积分值表示，用于表征爆震强度的方法，并对该方法的精确性进行了验证。目前利用数值模拟对天然气发动机爆震强度、爆震指数和爆震发生时刻变化规律进行综合分析的研究比较少，本研究利用GT-Power软件建立了某天然气发动机仿真模型，研究了标定功率下压缩比和点火提前角对天然气发动机缸内燃烧的爆震发生时刻、爆震指数和爆震强度的影响规律及爆震强度与发动机性能之间的关系，对改善增压中冷天然气发动机的性能具有一定的指导意义。

1　发动机仿真模型的建立与验证

本研究的研究对象是某8缸增压中冷天然气发动机，原机的基本参数见表1。

表1　发动机的基本参数

根据发动机的基本参数建立的增压中冷天然气发动机仿真模型主要包括涡轮增压器、中冷器、气缸和进排气系统等部分。气缸内的几何模型尺寸参照表1设置，燃烧模型采用准维双区燃烧模型，并在模型中设置点火正时、点火位置、活塞几何形状等参数。传热模型采用Woschni传热模型，混合气的形成方式为预混合。

为了验证所建天然气发动机仿真模型的准确性，将试验测得的发动机在不同负荷下的扭矩、燃气消耗量及排放特性等数据与仿真计算结果进行了对比(见图1至图5)。

由图1至图5可以看出，发动机仿真模型的燃气消耗率、扭矩、NOx排放量、CO排放量和HC排放量的模拟值与试验值基本一致。其中燃气消耗率最大误差出现在小负荷段，其主要原因是在模拟过程中没有考虑中冷器、节气门等的节流损失和气缸的辐射换热损失，虽然发动机仿真模型模拟结果与发动机的实际工况不同，但是误差值都保持在5% 以内，能够达到较高的计算精度，所以可以用该发动机仿真模型来模拟研究发动机的实际工况。

图1　燃气消耗率试验值与模拟值对比

图3　NOx排放试验值与模拟值的对比

图4　CO试验值与模拟值对比

图5　HC试验值与模拟值对比

2　爆震数学模型

压缩比和点火提前角的改变都会对发动机的性能和爆震趋势产生很大的影响，为了能够更好地了解这些因素对于发动机性能和爆震的影响规律，可以在湍流燃烧模型中嵌入一个爆震预测模型对发动机仿真模型进行爆震现象分析[4]。在GT-Power中嵌入爆震预测模型时需要对爆震预测模型进行调试，使爆震预测模型对发动机爆震现象的预测结果与发动机试验发生爆震现象的结果相符合，从而能够在发动机参数变化时能够准确地预测发动机爆震现象的发生，其中爆震预测模块调试流程见图6。

图6　爆震监测模块调试流程

本研究采用的爆震预测方法是经验自燃诱导时间统计法，这个方法是来源于阿列纽斯(Arrhenius)函数，通过给定混合气的几个重要的相关参数如压力、温度等，来预测混合气自燃的时间。自燃时间的计算公式为

(1)

式中：τ为诱导时间；IVC为进气门关闭的时间，即缸内终燃混合气开始进行压缩的曲轴转角；thkn为自燃发生时刻的曲轴转角，当时间积分T=1时认为缸内混合气产生自燃。诱导时间τ可以通过经验公式获得，本研究采用得到广泛应用的Douaud和Eyzat公式[7]来进行计算：

(2)

式中：P，A均为与燃料物理性质有关的常数，其中P=1.9，A=1.012；ON为燃料的辛烷值，ON=130；p为瞬时的缸内压力；Tu为未燃气体瞬时的温度。通过联立式(1)与式(2)可以计算出自燃发生的时刻，同时判断出未燃混合气是否在火焰正常传播过来之前发生自燃产生爆震。

在GT-Power爆震预测模型中，模型的输出参数为爆震指数KI、爆震发生的时刻和爆震强度[8]。爆震强度是指在爆震开始时气缸内未燃气体的质量分数。爆震指数主要是用来表征发动机发生爆震的可能性，可以通过改进的爆震指数公式[9-10]进行计算：

max[0,(1-(1-Φ)2)]×τ。

(3)

式中：km，V1分别表示爆震开始时刻缸内未燃气体的质量分数和缸内体积，发生爆燃后未燃气体全部参与爆燃，因此km即为参与爆燃的燃料质量分数；VTDC表示燃烧室的容积；Ta为反应激活温度；Tu为瞬时的未燃气体温度。

3　压缩比和点火提前角对发动机性能和爆

震现象的影响规律

压缩比和点火提前角对气缸压力和燃料开始燃烧的时刻有很重要的影响，通过改变压缩比和点火提前角可以调整燃料燃烧的放热速率、气缸内的温度和压力，从而调整发动机的爆震趋势。利用GT-Power爆震预测模块来研究不同压缩比和点火提前角对发动机爆震现象和发动机性能的影响。

3.1压缩比的影响

由图7、图8和图9可以看出，当压缩比小于11时发动机未发生爆震现象，当压缩比大于等于11时，发动机发生爆震现象,并且随着压缩比的增加发动机的爆震指数增大，即发动机爆震的可能性逐渐增大，爆震发生的时刻提前并且爆震的强度也增大。随着压缩比的增大，气缸内的燃烧压力增大，燃烧速率加快，燃烧过后的气体温度升高，导致气缸的爆震趋势明显增大，爆震发生时刻提前，并且爆震强度增大。由于强烈爆震对发动机的性能危害较大，所以在利用压缩比改善发动机性能时需要尽量避免发动机产生强烈爆震。通过降低压缩比可以降低气缸最高燃烧压力，进而降低爆震趋势。

由图10可以看出，随着压缩比的增大，发动机燃气消耗率的变化趋势是先降低后升高，当压缩比为13时燃气消耗率最小。原因是随着压缩比的增大，气缸内的压力和温度不断升高，气体流动性增强，有利于提高燃烧速度和燃烧效率，因此燃气消耗率不断降低。但过高的压缩比会导致燃料的爆燃可能性增大，造成气缸内燃料燃烧状况恶化，燃料的燃烧效率下降，从而使发动机的燃气消耗率增大。

图7　压缩比对爆震指数的影响规律

图8　压缩比对爆震开始时刻的影响规律

图9　压缩比对爆震强度的影响规律

图10　压缩比对燃气消耗率的影响规律

由图11可以看出，随着压缩比的增大，NOx的排放量不断增大。其主要原因是随着压缩比的增加，发动机气缸内压力和温度不断增大，此时，混合气体中具有较充足的氧气，从而造成NOx的排放量不断增大。

图11　压缩比对NOx排放量的影响规律

由图12和图13可知，压缩比的变化对CO排放量和HC排放量的影响非常小。其主要原因是在发动机稀燃状态下，压缩比的改变对排气温度的影响和对混合气含氧量等方面的影响较小，因此，压缩比改变后，发动机的CO排放量和HC的排放量基本没有变化。

图12　压缩比对CO排放量的影响规律

图13　压缩比对HC排放量的影响规律

由图14可以看出，随着压缩比的增大，气缸压力不断增大。气缸压力过大会造成发动机燃料的爆燃，不仅对发动机的动力性和经济性造成影响，还会严重影响发动机的使用寿命。

图14　压缩比对气缸压力的影响规律

由图15可以看出，随着压缩比的增大发动机的扭矩先增大后减小。其主要原因是在压缩比较小时，随着压缩比的增大，气缸内燃料燃烧速度加快，膨胀做功增大，发动机扭矩增大；当压缩比过大时，随着压缩比的增大，燃料燃烧状况不断恶化，并会出现严重爆燃现象，使得发动机的扭矩不断下降，并对发动机造成严重损坏。

图15　压缩比对扭矩的影响规律

3.2点火提前角的影响

图16、图17、图18分别示出了标定功率下点火提前角对爆震指数、爆震开始时刻和爆震强度的影响规律。当点火提前角小于27°时未发生爆震现象，当点火提前角大于等于27°时发动机发生爆震现象，并且随着点火提前角的增大爆震的趋势明显增大，爆震发生时刻提前，爆震强度增大。随着点火提前角的增大，气缸内燃料的燃烧始点提前，导致气缸压力峰值出现的位置提前，气缸压力增大，燃烧速率加快，所以发动机的爆震开始时刻提前，爆震的强度也增大。

图16　点火提前角对爆震指数的影响规律

图17　点火提前角对爆震开始时刻的影响规律

图18　点火提前角对爆震强度的影响规律

由图19可以看出，随着点火提前角的增大，燃气消耗率呈现的变化趋势是先减小后增大，当点火提前角为-21°时燃气消耗率最小。

图19　点火提前角对燃气消耗率的影响规律

由图20可以看出，随着点火提前角的提前，NOx排放量也逐渐升高。主要原因是随着点火提前角的增大，燃料的燃烧始点不断提前，活塞到达上止点前燃料的燃烧比例增大，气缸内的压力和温度不断升高，从而使NOx的排放量不断增大。

图20　点火提前角对NOx排放量的影响规律

由图21可以看出，随着点火提前角的提前，CO的排放量基本没有太大变化。主要原因是CO的生成主要受混合气的含氧量以及混合气的均匀程度等影响，而点火提前角的变化不能改变这些因素，因此点火提前角的变化对CO的生成基本没有影响。

图21　点火提前角对CO排放量的影响规律

由图22可以看出，随着点火提前角的提前，HC的排放量基本没有太大变化。其主要原因是HC的生成主要受排气温度影响，此时气缸内的燃料燃烧属于稀燃状态，随着点火提前角的提前，排气温度的变化较小，所以对HC的排放量的影响较小。

图22　点火提前角对HC排放量的影响规律

由图23可以看出，随着点火提前角的增大气缸压力不断增大。其主要原因是随着点火提前角的增大，燃料的燃烧始点提前，在活塞到达上止点之前燃料燃烧的比例不断增加，使得气缸内压力不断增大。

图23　点火提前角对气缸压力的影响规律

由图24可以看出，随着点火提前角的增大，天然气发动机的扭矩先增大后减小。其主要原因是随着点火提前角的增大气缸内压力增大，燃料的燃烧效率提高，发动机扭矩不断增大，当点火提前角过大时，燃料在活塞到达上止点之前燃烧的比例过大，从而活塞上行所做的负功过大，导致发动机的扭矩开始下降。

图24　点火提前角对扭矩的影响规律

通过分析压缩比和点火提前角对发动机性能和爆震的影响可以看出，在一定的范围内，随着爆震强度的增大，发动机的扭矩增大，燃气消耗率降低。因为轻微爆震能够促进气缸内燃料的燃烧，改善发动机的燃烧特性，提高发动机的性能，因此在一定范围内可以通过对压缩比和点火提前角进行优化来改善发动机的性能。

4　结论

a) 随着压缩比的增大，爆震可能性增大，爆震开始的时刻提前，爆震强度也增大，燃气消耗率呈现先减小后增大的趋势;

b) 随着点火提前角的增大，发动机的爆震可能性增大，爆震开始时刻提前，爆震强度基本不变，燃气消耗率呈现出先减小后增大的趋势，NOx排放量不断增大，点火提前角过大会造成发动机动力性和经济性下降。

[1]肖红.直喷式天然气发动机性能模拟研究与优化[D].成都:西南交通大学,2014.

[2] HAARIRAM V,VAGESH SHANGERR.Influence of compression ratio on combustion and performance characteristics of direct injection compression ignition engine[J].Alexandria Engineering Journal,2015,54：807-814.

[3] 姚喜贵,刘延超,张磊,等.CA6102型汽油和天然气发动机燃烧过程模拟计算及爆震预测[J].农业机械学报,2000,31(3):15-23.

[4] 肖茂宇,石磊,杨万里,等.增压直喷式汽油机性能与爆震的试验与模拟研究[J].内燃机工程,2010,31(6):22-26.

[5] Qin Yan,Liu Yu,Feng Yuan Zhi,et al.CNG car engine compression ratio optimization and knock simulation analysis[J].Applied Mechanics and Materials,2013,341/342:360-365.

[6] 胡春明,周浩,候圣智,等.基于自燃规律的发动机爆震分析研究[J].内燃机工程,2015,36(4):53-57.

[7] 林承伯.可变压缩比技术对汽油机性能的影响[D].长沙:湖南大学,2014.

[8]Douaud A M,Eyzat P.Four-octane-number m-ethod for predicting the anti-knock behavior of fuels and engines[C].SAE Paper 780080,1978.

[9] 陈林林.二冲程煤油发动机性能数值模拟与喷油控制研究[D].南京:南京航空航天大学,2009.

[10] GT-ISE user’s manual[M].[S.l.]：Gamma Technologies，2004.

[编辑：姜晓博]

Study and Analysis on Knock of Natural Gas Engine Based on GT-Power

MA Zhenzhen, LIU Ruixiang, LIU Yongqi, ZHENG Bin

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo255000, China)

In order to improve the engine combustion status and performance, the knock phenomenon of turbocharged natural gas engine for power generation was researched. The simulation model of the whole engine was built with GT-Power software and verified by comparing the simulation data and test data, then the simulation and calculation of engine performance and knock phenomenon were conducted with the self-built knock prediction model, and the numerical results were finally analyzed. The results show that the possibility of knock increases, the knock timing advances, the knock intensity increases, the specific gas consumption first decreases and then increases with the increase of compression ratio. The specific gas consumption is the minimum when the compression ratio is 13. With the increase of ignition advance angle, the knock characteristics keep the same changes as with the compression ratio except the knock intensity. The specific gas consumption is the minimum at the ignition advance angle of -21°.

natural gas engine； knock； performance simulation

2016-04-11；

2016-06-04

马镇镇(1989—)，男，硕士，主要研究方向为天然气发动机性能模拟与研究；mazhenyouxiang@163.com。

刘瑞祥(1963—)，男，教授，主要研究方向为动力机械测试及电子控制技术、动力机械工作过程及数值模拟和动力机械及工程的热传递过程；lrxdlut@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.009

TK431

B

1001-2222(2016)05-0043-07