摘 要

天然气的理化特性限制了天然气发动机的工作性能。因此，通过合理的控制参数和结构参数的选择，对提高天然气发动机的性能和控制爆震具有重要意义。

本文选取ACD320船用天然气发动机为研究对象，基于GT-Power仿真软件，建立了发动机的仿真模型。讨论了压缩比和点火提前角对发动机的动力性、经济性和爆震规律的影响，并基于DOE（Design of experiments）对发动机的关键参数进行了优化。

研究结果表明：在额定转速750r/min下，随着压缩比的增大，功率先增大后减小，燃气消耗率先降低后增加；当压缩比大于13时，开始出现爆震，且随压缩比的增大爆震指数增大、爆震的强度增加、爆震的发生时刻提前。随着点火提前角的增大，功率先增大后减小，燃油消耗率先减小后增加，且随着负荷的增加，最佳点火提前角增加；当点火提前角大于22 ^o CA时，开始出现爆震，且随点火提前角的增大，爆震发生趋势增大，但强度基本不变。基于DOE模块的优化表明，当满足最大爆压的条件下，最优压缩比为13.5，最优点火提前角为18^o CA时，ACD320天然气发动机可以得到最佳的动力性和经济性。

关键词：气体机；爆震；DOE；性能优化

Abstract

The physical and chemical properties of natural gas limit the performance of natural gas engines. Therefore, the selection of reasonable control parameters and structural parameters is of great significance for improving the performance of natural gas engines and controlling knocking.
In this paper, the ACD320 marine natural gas engine is selected as the research object. Based on the GT-Power simulation software, the engine simulation model is established. The effects of compression ratio and ignition advance angle on the engine's power, economy and knocking law are discussed. The key parameters of the engine are optimized based on DOE (Design of experiments).
The research results show that at the rated speed of 750 r/min, with the increase of the compression ratio, the power first increases and then decreases, the gas consumption rate decreases first and then increases; when the compression ratio is greater than 13, the knocking starts, and the compression begins. The increase in the knock index is increased, the intensity of the knock is increased, and the occurrence time of the knock is advanced. As the ignition advance angle increases, the power first increases and then decreases, the fuel consumption rate decreases first and then increases, and as the load increases, the optimal ignition advance angle increases; when the ignition advance angle is greater than 22 ^o CA, the start Detonation occurs, and as the ignition advance angle increases, the tendency of knocking increases, but the intensity is basically unchanged. The optimization based on DOE module shows that the ACD320 natural gas engine can get the best power and economy when the optimal compression ratio is 13.5 and the optimal ignition advance angle is 18^o CA.

Key words: gas machine; knock; DOE; performance optimization

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 天然气发动机发生爆震的机理分析 1

1.2.1 天然气的理化特性 1

1.2.2 天然气发动机研究现状 2

1.3 发动机爆震模拟仿真研究现状 2

1.4 本文研究内容 3

第二章 ACD320天然气机仿真模型建立与验证 4

2.1仿真软件的选取 4

2.2仿真模型的控制参数和边界条件 4

2.3子模型及参数设置 4

2.3.1 进排气系统子模型 5

2.3.2 进排气阀子模型 6

2.3.3 燃气供给子模型 8

2.3.4 气缸子模型 9

2.3.5 涡轮增压器子模型 11

2.3.5 中冷器子模型 12

2.4 模型验证与分析 13

2.5 本章小结 15

第三章 ACD320天然气发动机性能模拟及爆震研究 16

3.1 结构参数对性能的影响规律 16

3.2 控制参数对性能的影响规律 18

3.3 发动机爆震的研究 19

3.3.1 爆震数学模型 20

3.3.2 不同参数对发动机爆震影响规律 21

3.4 本章小结 24

第四章 基于DOE的发动机多参数优化 26

4.1 数学模型 26

4.2 优化模型参数设置 26

4.3 模型试验与结果分析 27

4.4 本章小结 28

第五章 总结与展望 29

5.1 全文总结 29

5.2 展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1 研究背景

人类目前面临着能源枯竭与环境污染两大问题。科学技术的进步使人们的生活变得更加便利，但对能源的需求量也迅速增长。传统能源的过度使用导致了严重的大气污染，生态的平衡岌岌可危。节能减排是当前人类发展必须解决的问题。在船舶行业，目前主要使用的是以柴油机作为船舶主机和辅机正常工作的动力源。船舶运输在我国的运输业中有着十分重要的地位。与此同时，大量使用以传统燃料为动力源的船舶对大气造成的污染越发明显。发动机尾气中的NOx会引发光化学烟雾，燃烧不充分形成的CO会引发温室效应，对人体的身体健康也有着严重危害。

1.1.2 研究意义

天然气作为一种清洁能源。它具有储量大，燃烧后污染物排放少，价格相对较低的优点^[1]。与传统燃油相比，天然气在燃烧过程中产生较少的NOx、HC和碳沉积物。然而，天然气是气体燃料，与传统燃料在动力性和经济性上不具有明显的优势。因此，需要对影响天然气发动机性能的重要参数进行优化设计。

天然气的主要成分是甲烷，同时包含少量其他烷烃物。甲烷辛烷值为 130，具有抗爆性强的特点。因此，天然气发动机可以采用较高的压缩比。然而，在调整参数的过程中，过高压缩比和过大的点火提前角会导致气缸出现爆震现象，这都不利于天然气发动机性能的改善。为了能在改变结构参数和控制参数的前提下达到提升发动机性能的目的，应尽量避免发动机爆震的发生。

缸内的压力和温度过高均会导致爆震的发生。主要成因使末端未燃烧混合气在火焰到达前多点同时自燃。爆震会严重危害天然气发动机的性能。爆震发生时，缸内温度和压力迅速升高，造成燃烧室热负荷和缸壁的散热损失增大。这将导致ACD天然气发动机动力性和经济性下降。

基于仿真软件平台和发动机台架的实验数据，通过合理的设计和优化，可以有效地避免天然气发动机的爆震现象。从而提高ACD320船用天然气发动机的动力性和经济性，降低排放性。

1.2 天然气发动机发生爆震的机理分析

1.2.1 天然气的理化特性

如表1.1所示，天然气具有抗爆性好、有害物质排放少和储量大的特点。将天然气作为发动机的代用燃料，具有巨大的优势。然而，由于天然气特性的限制，天然气发动机在相同条件下与柴油发动机相比，动力性能指标会下降10%-20%。天然气沸点低且通常需要液化储存。因此，通常将天然气储存在高压气瓶中。这将限制船舶的载货空间，同时发动机加气问题也是其发展过程中的难题。然而，天然气发动机通过合理的设计和精确的控制，依旧可以表现出良好的性能。

1.2.2 天然气发动机发展研究分析

近年来，各大公司都开始在天然气发动机的研究上投入了财力和物力。韩国现代、德国MAN和其他公司在天然气发动机的研发上都取得了显著成果^[2]。

2009年，潍坊动力股份有限公司开发了WT615天然气发动机。其采用了闭环控制和ECU等先进技术^[5]。这提高了发动机的性能，并有效的限制了爆燃。

2011年，日本公司开发了一款稀薄燃烧天然气发动机。通过对燃烧室结构的优化和对气道的重新设计。该发动机单缸功率达到468kW，热效率为47%^[3]。

2012年，MAN公司研发了一款双燃料发动机。改机型单缸功率530kW，热效率为46.7%。设计师设计了多种进气道结构，得出了最优流量系数和最佳热效率的进气道方案^[4]。

天然气发动机结构和控制系统的不断改善，为天然气性能提升提供了更好的实验平台，也衍生出了多种对天然气发动机爆震的研究方法。

1.3 发动机爆震模拟仿真研究现状

目前，用于爆震仿真模拟的模型有多种。主要有准维模型、零维模型、一维模型和三维模型。不同模型在步长和计算时长等方面各有优缺点。

Liven good^[6]提出了积分爆震模型。通过将缸内的工质看成一个同一热力学的整体，构建了单区的爆震模型。运用单步奏总包含反应来计算了着火滞燃期，从而预测爆震情况。

咸凯^[7]建立三维的进气流动仿真模型，验证了简化机理对滞燃期的预测精度。这 提高了天然气发动机爆燃的预测精度。

Bomb^[8]构建了考虑循环变动的爆震模型。建立缸内化学动力学子模型，用来计算末端混合气爆震时的放热过程，并根据末端的多点放热的情况来预测分析爆震趋势。

徐杰^[9]等基于DDS技术对发动机爆震信号进行了仿真研究。通过设计合适的模拟电路，计算分析缸内的燃烧状况，从而达到预测、判断爆震的目的。

Choi^[10]以中冷双燃料发动机为原型。通过研究化学反应机理，模拟了缸内的燃烧过程。利用燃烧过程中的化学反应来分析了缸内的压力、温度等变化规律，从而实现了爆震的预测分析。

爆震规律的不确定增加了对其研究的难度。本文主要基于现有的研究方法，基于GT-Power中的湍流火焰模型，对ACD320天然气发动机的爆震规律进行了进一步的探究与分析。

1.4 本文研究内容

本文研究了不同参数对ACD320天然气发动机动力性、经济性和爆震的影响规律。在此基础上，优化了影响ACD320天然气发动机性能的重要参数。本文的主要内容为：

（1）在 GT-Power 软件中建立了ACD320天然气发动机的仿真模型。通过实验数据与仿真结果进行了对比分析，验证了模型的准确性。

（2）在额定工况下，研究了不同压缩比和点火提前角对天然气发动机动力性和经济性的影响规律。同时在ACD320天然气发动机仿真模型中，嵌入了爆震预测模块。研究了压缩比和点火提前角对ACD320天然气发动机爆震的影响规律。

（3）使用 DOE（Design of experiments）技术优化模型。以压缩比和点火提前角为影响因素，以气缸内最高压力作为约束条件，以扭矩和燃气消耗率作为目标变量对ACD320天然气发动机进行优化，将优化前后的结果进行对比，得出最佳压缩比和最佳点火提前角。

ACD320天然气机仿真模型建立与验证

建模仿真是研究发动机性能的一种常用的研究方法。本文选取选择GT-power仿真软件，基于原机参数搭建ACD320天然气发动机仿真模型，并与原机参数对比验证模型的准确性，为对ACD320天然气发动机性能研究奠定了一定的理论基础。

2.1仿真软件的选取

常见的发动机仿真软件主要有GT-SUITE、AVL-Fire和AVL-Boost等。其中GT-SUIT中的GT-power具有计算快，模型建立简单的特点，因此选取GT-power作为仿真平台。通过GT-Power软件中的进排气系统子模块、燃油喷射子模块和曲轴箱子模块等可以搭建整机的一维模型。GT-Power主要基于流体动力学，并使用有限体积法进行数值计算。这充分考虑由不同混合气而引起的热力学性质差异。同时，通过EGR系统、能量回收系统等模块影响发动机的性能。利用模型中的传热和燃烧模型等模型，可以精准地对工质的工作状况进行模拟仿真。同时，研究人员可以根据原机结构参数和模拟要求设置所选模块的边界条件，使发动机的模拟数据与实验数据趋于一致。

2.2仿真模型的控制参数和边界条件

表2.1 ACD320天然气发动机基本参数

ACD320系列发动机是我国自主研发的船用发动机，系列主要分为双燃料发动机和天然气发动机。在天然气模式下满足Tier lll标准，在燃油模式下满足Tier ll标准。本文主要研究ACD320天然气发动机，发动机主要的技术参数如表2.1所示。

2.3子模型及参数设置

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