摘 要

天然气燃料作为发动机替代柴油和汽油的能源，在世界范围内储量大，并且有着很好的排放性能，能够大幅减少颗粒物、硫化物和其他污染物的排放。天然气发动机现在也得到广泛的研究。船舶的发动机排量大，国际上的排放法规日益严格，天然气燃料在船用发动机上，有着广阔的运用前景。天然气辛烷值高，抗暴性好，但是作为气体燃料，天然气发动机在动力性能上还不及柴油，所以通过研究优化天然气发动机的参数，从而改发动机善性能，对于动力性能、排放性和经济性至关重要的。

仿真模拟作为分析发动机性能及排放的重要手段，具有节省人力物力的优势。本文使用GT-Power软件进行仿真建模，研究国内气体机中性能比较先进的安柴ACD320天然气机的性能，探索爆震规律。首先通过理论研究，选取出适合的燃烧模型、传热模型和爆震模型。通过与实验数据的对比，标定出模型的工作状况，使之与实际情况的误差保持在一定的范围内。结合天然气发动机的工作原理，模拟不同工况下，点火提前角、压缩比等参数对性能的影响。以爆震指数为主要的爆震指标，研究以上参数对爆震的影响，可以得出结论：天然气机的爆震强度随着点火提前角的增大、缸内压缩比的增大而增大，爆震发生时刻的曲轴转角也随着压缩比增大、点火提前角增大而提前。本文使用设计实验（DOE），用拉丁超立方模型自动选取工况点，比较不同参数对缸压、扭矩的影响程度，对其中的参数进行优化从而使得出优化后的研究参数。

关键词：ACD320天然气发动机；仿真模拟；性能优化

Abstract

Natural gas is used as a fuel to replace diesel and gasoline in engines. It has large reserves worldwide and has good emission performance. It can reduce the emissions of particulates, sulfides and other pollutants in a relatively large extent. Natural gas engines are now widely studied. The engine displacement of ships is large while international emission regulations are becoming stricter. Natural gas has broad prospects of application in marine engines. Natural gas has high octane value and good anti-knock performance, but as a gas fuel, natural gas engines are not as good as diesel in power performance, so the optimization of natural gas-fueled engine’s parameters through research to improve engine performance is essential for power performance, emissions and economic saving.

As an important means to analyze engine performance and emissions, simulation has the advantage of saving manpower and material resources. In this paper, GT-Power software is used for simulation modeling to study the performance of Anqing ACD320 natural gas engine which has an advanced performance in domestic gas engines, and to explore the knocking laws. First of all, through theoretical research, the appropriate combustion model, heat transfer model and knocking model are selected. Through comparison with experimental data, the working condition of the model is calibrated to keep the error from the actual situation within a certain range. Combined with the working principle of natural gas engines, some effects of parameters like ignition advance angle and compression ratio on performance under different operating conditions are simulated by GT-Power. Taking the knocking index as the main index to describe the intensity of knocking to study the influence of the above parameters on knocking, it can be concluded that the knocking intensity of the natural gas engine increases with the increase of the ignition advance angle and the increase of the in-cylinder compression ratio, the crank angle at the moment of knocking also increases as the compression ratio and ignition advance angle increase. And this paper uses Design of Experiment (DOE), by choosing Latin hypercube model to automatically select operating point, to compare the influences of different parameters on cylinder torque and pressure, and finally optimize the parameters to find out the best setting value of parameters.

Keywords: ACD320 natural gas engine; Simulation; Performance optimization

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内外天然气机机型发展现状 3

1.2.2 天然气发动机性能数值模拟研究 4

1.2.3 天然气发动机爆震现象研究 5

1.3 本文主要研究内容 5

第2章 GT-Power仿真理论与数学模型 7

2.1 GT-Power软件简介及常用设置 7

2.2 基本数学模型及假设 8

2.2.1 质量守恒方程 8

2.2.2 能量守恒方程 9

2.2.3 传热模型 10

2.2.4 燃烧模型 11

2.2.5 爆震模型 12

2.3 本章小结 13

第3章 ACD320天然气机的GT-Power建模 14

3.1 ACD320天然气发动机主要模块建模 14

3.1.1 进排气管道 15

3.1.2 进气阀和排气阀 15

3.1.3 气缸模块 16

3.1.4 其他模块设置 17

3.2 发动机模型及校验 18

3.3 本章小结 19

第4章 ACD320天然气发动机性能分析 21

4.1 压缩比对ACD320天然气机影响 21

4.2 点火提前角对ACD320发动机影响 23

4.3 基于DOE的参数优化 25

4.4 优化结果 29

4.5 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 32

致 谢 34

绪论

研究背景及意义

随着国家能源战略的发展，我国对天然气清洁能源高度重视。在《能源发展“十三五”规划》明确提出，2020年非化石能源和天然气消费增量将占能源消费增量的 68% 以上。天然气在一次能源中的消费比重力争达到 10%。“十三五”时期我国将推进油气并举、稳油增气的发展思路，石油消费量稳定发展，大力发展天然气产业。自从我国提出“气化长江”战略以来，我国对部分内河的传播十点进行了柴油机改造，改成了LNG动力。我国的《船舶与港口污染防治专项行动实施方案( 2015—2020 年)》中，也提到了2020年针对硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放减排目标。中俄东线天然气管道2019年12月正式投产通气，标志着我国天然气四大战略布局的基本确立，对我国天然气相关制造业也是极大利好消息。国际上，在船舶行业，随着国际海事组织（IMO）第三阶段排放标准(Tier Ⅲ)的要求出台，IMO对船用发动机的排放提出了更高的标准。在减排的推动下，以天然气燃料为代表的船用的天然气发动机逐渐开始发展。

天然气储量大，世界范围内的储量仅仅次于煤和石油。根据2019年国家能源局的数据显示，天然气新增探明储量达1.4万亿立方米，同比增长了68%，天然气产量1740亿立方米，连续三年产量超过100亿立方米。就目前而言，产量还远远赶不上天然气探明的储量增加，所以这对于以后发展天然气燃料，有着稳定的储备支撑。作为发动机的燃料，天然气的主要成分是甲烷，含量占比一般在90%以上，性质上与甲烷相似，所以辛烷值比柴油高很多。良好的抗暴性允许通过增大压缩比和改进点火提前角等方式来改善气体发动机的动力性能。不论是柴油还是汽油，其碳含量都比天然气大，天然气分子结构中没有长的碳链，所以使用天然气为燃料，将显著降低二氧化碳的排放，释放出每单位能量所产生的CO₂排放比汽油、柴油低20-30%。天然气中不含硫、苯、烯烃等成份，且天然气作为气体或液体燃料时，颗粒杂质含量极低的，与船用柴油机燃烧重油相比，天然气发动机的NO_X、SO_X和颗粒物排放明显降低。芬兰 Wärtsilä 公司已经通过试验证明了使用天然气作为发动机燃料可以有效降低 85%以上的 NO_X排放。目前，在替代柴油机上使用的柴油的燃料主要有：天然气、生物质燃料和LPG等，其中天然气是其中有清洁、环保、高效等优势的能源^[1]。从替代能源上来讲，天然气资源储备、经济效益、性能和排放这些方面都具有优势，是替代汽油柴油的最佳选择，拥有广阔的发展前景。天然气发动机主要用于船舶、火力发电站和汽车三个方面。在船用方面，根据国家能源局的计划，在近几年将会对大批渔船进行改造^[2]，成为柴油-LNG双燃料船。由于我国的渔船基数大，根据相关学者预测，LNG船用主机将会帮助中国在2020年减排18.25Mt CO_2e的温室气体排放。