1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1天然气燃料的优势

能源危机、环境污染以及苛刻的排放法规迫使人们寻找更加清洁的发动机代用燃料。而天然气在当今世界能源中的重要作用日益凸现，在汽车行业中，天然气也逐渐开始替代传统的燃料，并越来越受到各个方面的重视^[1]。天然气作为一种优良的燃料，具有节能、减排、高效等特点，广泛应用在城市公交出租、长途重卡以及环卫、场区、港区、景点等作业和摆渡车辆上。截至 2015年6月，我国天然气汽车保有量已达500万辆，加气站7950座，均位居世界第一位^[2]。天然气作为发动机燃料的优势总结如下：

(1)储量丰富。目前世界上已探明的天然气的储量高达208万亿m³，仅次于煤炭和石油，是第三大能源；我国的天然气储量丰富，截止2016年底探明储量约为5.4万亿m³，且我国有多个天然气进口渠道，这些对发展天然气发动机是一种可靠的保障^[3]。

(2)燃烧清洁。由于天然气中86%以上成分是甲烷，其燃烧后的废气中SO₂的排放量相对于柴油机可以降低90%，碳烟的排放量可以降低近93%；而天然气在燃烧状况较好时，可以使CO排放量相对汽油机降低97%，NOx的排放量也可以降低39%左右^[4]。

(3)抗爆性好。天然气的辛烷值较高，大约为120-130，可以使用较高的压缩比，有利于提高发动机的动力性和经济性。

(4)着火界限宽。天然气和空气的混合气具有很宽的着火界限，可燃混合气过量空气系数为0.6-1.8，可以使用稀薄燃烧技术改善发动机低负荷下的经济性和排放。

(5)价格低廉。每立方米天然气燃烧产生的热值相当于1.2升汽油燃烧产生的热值，而每立方米天然气的价格为3.5元，每升汽油的价格为7-8元，因此使用天然气的成本远小于使用石油燃料的成本。

尽管车辆换用天然气后，发动机的动力性有了不同程度的下降，但是通过对发动机结构及性能参数的优化，可以充分发挥天然气燃料的优势，解决动力性不足的问题，所以天然气汽车的发展前景广阔。

1.2发动机改用天然气的技术途径

从目前来看，天然气发动机主要是在已有汽油机或柴油机上改装而成的。因此，发动机改用天然气的技术途径主要可以分为以下两种类型：

(1)两用燃料发动机

由于天然气发动机发展初期，加气站建设较少，为保证汽车的正常行驶，开发了汽油-天然气两用燃料发动机。两用燃料发动机通常是在原汽油机的基础上加装天然气供给装置改装而成，通过切换开关来选择纯汽油或者纯天然气燃料工作。此类发动机保持原机的电控汽油喷射系统不改变，增加了天然气电子控制单元来控制天然气的量，空燃比严格控制在理论值附近，排气采用三元催化器进行后处理，可以达到较高的排放标准^[5]。

两用燃料发动机为了兼顾使用汽油燃料，并没有对发动机本身的结构和性能参数进行优化设计，在使用天然气时无法获得最好的动力性、经济性和排放性。发动机在燃用天然气时，由于充气效率下降，功率一般会下降15%-20%、加速性能变差，特别在爬坡或重载时影响较大。此外，由于天然气燃料层流火焰传播速度较慢，导致燃烧持续时间长，导致发动机热负荷较大。

为了解决上述问题，充分发挥天然气作为发动机燃料的优势，吴岳伟等利用汽油发动机模型和四川天然气燃料模型，通过优化发动机的压缩比、点火时刻和配气相位，优化结果表明天然气发动机的压缩比可以适当提高，宜在10.5～12之间；中等转速时最佳点火时刻提前3°CA左右；固定的配气相位很难提高天然气发动机全转速范围内的动力性^[6]。潘芝桂等建立了一个燃用压缩天然气燃料的汽油发动机仿真模型，对发动机进、排气系统结构参数及配气相位等参数进行了优化，结果表明优化后发动机动力性、经济性都得到了不同程度的改善，在100%负荷时，天然气发动机最大扭矩和最大功率与优化前相比分别提高了9.1%、11.9%,燃气消耗率下降了5.1%^[7]。Richardson等人研究了不同点火系统对稀燃天然气发动机性能的影响，结果表明激光点火系统能够有效扩展空燃比，减小失火范围，NOx的排放量可降低50%以上，采用激光点火系统后对减小发动机的爆震也起到了非常重要的作用^[8]。Zareei等将汽油机模型改为天然气直喷发动机，探究在天然气中掺氢对发动机性能的影响，结果表明，适当的掺氢可以提高天然气发动机的功率、扭矩提高，比油耗下降，优化了原机的动力性和经济性^[9]。

(2)双燃料发动机

这类发动机大都是由柴油机改装设计，形式上保留了原柴油机上的所有装置和功能，在此基形式础上加装燃气供给装置，气、油控制和切换装置。这种发动机以天然气作为主要燃料，由压缩柴油着火引燃天然气混合气，这种发动机既可以作为纯柴油发动机使用，也可以作为天然气柴油双燃料使用，并可自主控制替代率。

但是，双燃料发动机很难兼顾不同负荷下的性能，在中等负荷以上时，双燃料发动机可获得较好的性能，燃料经济性可接近柴油机；但在小负荷下，由于混合气过稀，燃烧恶化，大量的不完全燃烧产物随废气排出，使CO及HC排放大大增加，同时热效率也下降^[10]。双燃料发动机需要根据负荷的变化不断调整两种燃料（柴油、天然气）的供给比，由于排放法规日益严苛，这种协调控制的复杂性限制了双燃料发动机的发展。

为了改善双燃料发动机的动力性、经济性和排放性，徐亮等建立了某8缸天然气发动机模型，研究了压缩比、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。结果表明，发动机最佳压缩比为12.5, 最佳点火提前角在18-20°CA；改进后的进气管结构参数，提升了发动机的充气效率；适当减小进气迟闭角和排气提前角,能够提高充气效率降低泵气损失,从而改善原机的动力性及经济性^[11]。Tavakoli等以某12缸涡轮增压天然气发动机为研究对象，使用米勒循环，当进气门延迟30°CA关闭时，NOx下降一半，缸内最高压力下降15%，虽然动力性略微下降但排放改善明显^[12]。Kakaee等人通过研究不同天然气成分对于天然气发动机燃烧过程和排放特性的影响，结果表明，随着燃料中氢含量的提高，发动机的燃料经济性变化不大，NOx的排放量逐渐提高，CO排放量逐渐降低^[13]。

随着天然气基础设施的不断完善，已经能够为城市出租车提供稳定的天然气供给，大多数两用燃料出租车已经实现完全使用天然气燃料，但由于发动机结构和性能的限制，不能充分发挥天然气辛烷值高、许用压缩比高、可以提高热效率的优势。因此，根据天然气的特性对原机进行结构的优化和设计，开发单一天然气燃料发动机，具有重要的研究意义和价值。

1.3发动机工作过程数值模拟

对发动机工作过程的模拟包括对气体交换过程、压缩过程、喷雾雾化过程、燃烧过程、膨胀过程和排放物生成过程的模拟，在技术上也涵盖了化学和物理模型的建立和选择、控制方程的离散和代数方程求解、计算区域离散这几个问题。相比于传统的实验研究方法，计算机模拟技术有以下优点^[14]：

(1)在新产品研发、匹配前期，利用仿真和实验相结合，可以深入的了解发动机的运行过程，选择和确定新机型的结构参数，评估系统结构参数和运行参数对发动机各方面性能的影响。

(2)在新产品研发、匹配的后期，在确定发动机结构参数的基础上，利用仿真和实验相结合，根据需要优化并确定系统运行参数。

(3)由于仿真系统可以代替实际系统，且仿真不具有破坏性，成本低，周期短。因此，可以多次改变参数进行仿真，甚至在极限状态下进行测试实验。

(4)通过对产品的动态仿真计算，可以获得某些无法通过实验手段获得的重要参数及指标，还可以研究各系统的损失及各种不正常状况。

目前，国内外常用的发动机工作过程数值模拟工具有：SCEYU、PowerFLOW、Star-CD、FIRE、BOOST、GT-Power、KIVA、FLUENT、FIDAP、PHOENICS、CFX-5等。不同的软件在不同的应用领域有各自的优势。SCEYU、PowerFLOW在剥离再附着、喷流、涡流等方面的计算精度比较高，适用于空气动力方面的研究。Star-CD计算和分析时间比较短，内存需求不大，并且可以自动生成非结构化网格，广泛应用于发动机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领域的分析。FIRE和BOOST是奥地利AVL公司开发的分别用于发动机三维模拟和一维模拟的软件。FIRE是面向非稳态流场设计的，能较好地模拟影响发动机性能的各种参数，还能精确地模拟气门和活塞的运动，可以提供发动机每个循环和曲柄转角的详细资料。BOOST是一个功能强大的发动机稳态和瞬态分析软件，提供了丰富的发动机元件模拟及接口，可以用于模拟计算各种发动机的热力循环过程^[15]。GT-Power的主要用于一维气体流动过程的计算，其具有非常强大的解析功能，可以利用软件中的气缸、增压器、喷油器、曲轴箱等集成模块以及传热模型、燃烧模型、等模型方便准确地对内燃机的性能进行模拟仿真。

随着研究工作和相关技术的不断发展，国内的一些汽车和摩托车企业开始进行发动机模拟技术的研究和应用。如东风EQ491化油器改电喷机型对进排气系统改进时，应用GT-Power软件进行进气管总容积、进气歧管长度的优化匹配以达到谐振进气的效果；优化排气歧管长度减少压力波对扫气的干扰；确定三元催化剂在排气管上的布置位置^[16]。第一汽车集团公司技术中心对高原机、内部EGR、复合增压、发动机制动、排气制动、活塞运动规律分析、气体流动噪声等方面应用此软件进行了尝试^[17]。上海交通大学采用AVL-Boost软件进行了配气相位对发动机性能影响的模拟计算，并对原型发动机的配气相位进行了优化，最终通过实际试验验证了优化结果^[18]。江苏大学采用GT-Power 研究废气再循环对柴油机性能和排放的影响^[19]。大连理工大学利用GT-Power 软件探讨了金属燃烧室壁面温度、喷涂绝热材料壁面温度以及镶嵌绝热材料壁面温度变化对柴油机传热、性能和排放的影响等等^[20]。

当然，发动机数值模拟技术还存在一些不足之处。目前的模拟工作不仅需要借助物理模型来建立数学模型，还需要通过实验确定一些边界条件和系数，其还不是一种独立的研究手段。由于发动机工作过程的复杂性，模拟还不能准确详尽的描述出实际过程的物理本质，需要借助经验公式，这也增加了数值解的误差。在计算过程中使用的经验公式只适用于某些特定的发动机，不具备通用性^[21]。

尽管发动机数值模拟技术目前仍存在某些不足，但是由于它在发动机研究中的特殊地位和广泛用途，仍使其不失为发动机性能和实验研究的一种有力工具，它将有效指导发动机的设计和实验工作向前发展，同时随着研究的深入，这种模拟方法定会日臻完善^[22]。

综上所述，为了能够充分发挥天然气作为发动机燃料的优势，并为现阶段天然气发动机功率下降、热负荷较大等问题提供解决方案。本文利用计算机数值模拟的研究方法，以某1.5L自吸汽油机（参数详见下表1）为原型，通过GT-Power对原汽油机进行建模、标定、修改，得到天然气发动机模型。对新建的天然气发动机模型进行模拟优化得到单一燃料天然气发动机模型，确定天然气发动机最佳的动力性、经济性和排放性。

表1 某1.5L汽油机基本参数

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容

本文结合发动机工作过程数值模拟的基本理论，利用gt-power软件以某1.5l自吸汽油机为原型建立天然气发动机的仿真模型，并利用该模型对发动机的工作过程进行仿真分析；结合天然气的理化特性，分析相关参数对发动机动力性的影响，并对这些参数进行优化设计。具体研究内容如下：

（1）首先建立某1.5l自吸汽油发动机的初始模型，初始模型包括进气系统模型、进气门模型、喷油器模型、气缸与曲轴箱模型、排气门模型、排气系统模型六部分。

（2）汽油机初始模型建立完成后，需要根据实验数据对初始模型进行校核。校核过程主要包括六个步骤：校核进气总管平均压力、校核充量系数、校核排气背压、校核缸内压力、校核排气总管出口温度以及校核机械损失。

3. 研究计划与安排

第1~2周：熟悉任务和毕业论文管理办法，按要求完成文献检索报告；

第3~4周：根据查阅的文献和老师的指导，按要求完成外文翻译、开题报告；

第5~6周：学习内燃机工作过程数值模拟相关知识和一维模拟软件gt-power；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 欧阳肜峥. 天然气车用汽车的优势和发展现状[j]. 企业技术开发, 2013,32(8):177-178.

[2] 陈昊, 韩斌, 陈轶嵩,等. 天然气汽车发展现状及趋势[j]. 研究与探讨, 2018,40(2):36-41.

[3] p.l.c,bp.bp statistical reviewof world energy 2015-2017[z].