1.1背景

内燃机最早出现于19 世纪，因为热效率高、经济性好及操纵灵活等优点，被广泛应用于工农业生产和交通运输等领域。随着内燃机的大量使用，其带来的生态环境污染和石油资源紧缺成为当前世界各国亟待解决的问题。

众所周知，能源是我们赖以生存的物质基础，并推动着世界经济的发展和社会发展。随着世界经济的不断增长，对能源需求的增加也不断增长，尤其是随着船舶工业的快速发展，石油资源短缺和环境污染加剧等问题的日益严重，对以石油为燃料的发动机提出了严峻的挑战，迫使人们加快寻找并使用发动机代用燃料。传统发动机作为动力的输出装置，在提供动力的同时需要消耗大量的石油资源，并且伴随石油资源的日益短缺和排放法规的越加严格，各国都在积极寻找发动机替代燃料。

1.2研究意义

天然气热值高，储量较丰富，而且使用天然气的发动机排放污染小，所以成为发动机的理想替代燃料。

虽然天然气作为发动机代用燃料具有石油燃料所无可比拟的优势，但天然气发动机也有其缺点。例如，同等条件下燃用天然气的发动机比燃用柴油时，其动力性能指标下降 10%~20%，原因是天然气作为气体燃料，其本身占有一定体积，在与空气形成混合气时，导致发动机充气效率明显下降。天然气与空气的混合气热值低于柴油混合气，对于相同排量的发动机，其动力性明显下降，而且燃用天然气的发动机出现火焰传播速度慢，燃烧温度上升慢等缺点，容易出现后燃现象，导致排气温度升高，影响发动机使用寿命。天然气沸点较低，在常温下需要消耗大量冷能来将其液化，所以通常情况下，天然气是以压缩的形式储存在高压气瓶中，但高压气瓶自重和体积限制了船舶的载货空间。加上天然气发动机的加气问题，这些都是天然气发动机发展所面临的主要问题。但天然气作为发动机替代燃料的这些缺点并不降低其应用价值，设计合理、控制系统完善的天然气发动机同样可以表现出良好的性能。

1.3国内外天然气发动机研究现状

国外学者们做出了如下研究：Soylu. S利用Vibe函数模拟点燃式天然气发动机的燃烧放热率，建立双区域热力学模型并对缸内爆震情况进行预测；Ibrahim. A等人通过双区域模型比较了废气再循环技术（EGR）和稀薄燃烧技术对点燃式天然气发动机排放性能的影响，结果表明在相同工况下EGR技术对NOx 排放的降低作用更明显；Thobois.L 等人利用三维软件KIVA 对某型火花点火式天然气发动机的燃烧过程进行模拟，证明火焰传播速度与混合气的成分为非线性关系，并就湍流火焰传播、燃烧放热率及有害物排放等方面与异辛烷（汽油的主要成分）进行了对比研究；Allan Kirkpatrick等人对一台大缸径天然气发动机进行了CFD 建模仿真，模拟出湍流增压、燃烧室内火焰传播等详细过程；

国内学者的研究工作：天津大学焦运景等人建立了均质压燃式天然气发动机的燃烧放热率计算模型，并考虑了工质中不同成分随温度的变化情况，证明该模型适用于各种均质压燃式发动机；天津大学的沈国华应用AVL FIRE软件对 T6114ZL型火花点火式天然气发动机燃烧过程进行三维建模仿真，研究了缸内流场、温度及排放物的浓度分布；清华大学马国华等人在某型点火式天然气发动机上进行了天然气-氢气混合燃烧实验，证明掺氢燃烧能拓宽稀燃极限，并加快燃烧速率；华中科技大学代素琴进行了天然气发动机台架试验，分析研究了点火提前角和空燃比对发动机性能参数的影响；大连理工大学冯立岩针对大型气体燃料船用主机提出空燃比分区控制的燃烧控制策略，以实现大缸径、低转速情况下的稀薄燃烧。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目标

本毕业设计（论文）拟以安柴公司ACD320型船用中速气体机为基础，运用GT-Power性能仿真软件建立天然气发动机模型。在该模型的基础上，根据天然气燃料的理化性质，研究压缩比、点火提前角、进气系统结构及配气正时对发动机性能的影响。

2.2 采用的技术方案及措施

针对本文所研究的天然气发动机，利用GT-Power仿真软件建立天然气发动机计算模型。