欧Ⅵ天然气发动机关键技术研究.docxVIP

第2期(总第223期)2016年4月车用发动机No.2(SerialNo.2

第2期(总第223期)2016年4月

VEHICLEENGINEApr.2016

欧VI天然气发动机关键技术研究

马义，王晓辉，李红洲，窦慧莉

(中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林长春130011)

摘要：利用GT-SUITE软件建立天然气发动机湍流火焰预测燃烧模型，结合试验数据验证了模型的计算精度，基于该模型对实现欧VI排放的当量燃烧路线关键技术，包括增压器匹配、米勒循环、瞬态参数优化进行了分析。研究表明：非对称流道增压器在实现相同EGR率前提下泵气损失最小；米勒循环可以抑制爆震，提升发动机经济性和可靠性，适当减小油门响应速度和增加放气阀响应速度可以降低发动机瞬态超负荷率。研究结果对欧VI天然气发动机开发具有一定指导意义。

关键词：天然气发动机；燃烧模型；涡轮增压；米勒循环DOI:10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.013

中图分类号：TK431文献标志码：B文章编号：1001-2222(2016)02-0071-05

随着能源的日益枯竭和排放法规的日趋严格，天然气作为一种替代燃料成为近年来国内外发动机行业的研究热点[1-4]。目前中重型天然气发动机采用稀薄燃烧路线达到欧V排放标准，通过机内燃烧组织及标定优化降低NO?排放，通过DOC催化转化降低THC排放。欧V的NO?及THC排放限值在欧V基础上分别下降了77%和55%,稀薄燃烧模式下无法通过机内优化在欧V基础上进一步降低NO排放，而采用SCR系统转化NO会大大增加发动机成本和整车使用成本。因此国外大多数厂家在开发欧VI天然气发动机时都选择了当量燃烧路线，使用TWC同时转化NO和THC等排放物，发动机成本远低于稀薄燃烧路线。当量燃烧与稀薄燃烧相比，发动机缸内热负荷和爆震风险大大增加，燃气消耗率(be)也差于后者。采用高压冷却EGR可以降低热负荷和爆震倾向，同时降低燃气消耗率，而EGR压差驱动的关键在于增压器匹配；米勒循环则可以进一步降低发动机爆震倾向和泵气损失；瞬态响应又是天然气发动机标定的关键。因此，本研究采用GT-SUITE一维计算软件建立了天然气发动机当量燃烧湍流火焰预测燃烧模型，从增压器匹配、米勒循环、瞬态参数优化这几个方面展开深入研究。

1模型建立

GT-SUITE湍流火焰模型采用双区燃烧模

型[5-6],充分考虑燃烧室形状、点火位置及点火时刻、缸内气流运动、燃料属性对燃烧过程的影响，可预测均质点燃式发动机燃烧放热过程。火焰前锋的燃料卷吸率及燃烧放热率计算公式如下：

dMe/dt=p·A。·(ST+SL),(1)

dMb/dt=(M-Mb)/t,(2)

t=λ/SL。(3)

式中：Me为未燃混合气质量；t为时间；p为未燃混合气密度；A。为火焰前锋边缘卷吸面积；Sr为湍流火焰燃烧速度；SL为层流火焰燃烧速度；Mb为已燃混合气质量；t为时间常数；λ为泰勒微尺度长度。

表1列出某款天然气发动机基本参数。图1示出采用GT-SUITE软件建立的天然气发动机一维热力学详细计算模型，模型包含了发动机主体模块、高压EGR模块、TWC模块(模拟压力损失)、增压器和节气门以及EGR系统的PID控制模块。缸内

表1发动机基本参数

发动机排量/L发动机型式

电控系统

标定转速/r·min-1标定功率/kW

最大扭矩/N·m

12.5

直列6缸

Econtrols1900

2871660

收稿日期：2015-08-12;修回日期：2016-03-11

作者简介：马义(1986一),男，硕士，工程师，主要研究方向为天然气发动机燃烧与排放控制技术；mayixiajiabin@126.com。

·72·车用发动机2016年第2期

图1GT-SUITE计算模型

燃烧模型为湍流火焰模型，并引入爆震预测模块，通过点火角调整使不同方案的爆震诱导时间积分值计算结果始终为1,以保证是在相同的爆震