第５期 ２０１４年１０月 内燃机 Ｉｎｔｅｍａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｎｏ．５ ０ ｔ．２０】４ 天然气发动机增压器性能分析与匹配优化研究 张帆’。张孔明 ． 刘敬平。。金则兵’ （１．北京绿能高科天然气应用技术研究院有限公司． 北京１００１１０；２。湖南大学，湖南长沙４１００００） 摘要：针对目前天然气发动机增压器低速扭矩不足，低速和部分负荷下经济性差，瞬态响应迟钝的不良现状，基于一台ｌ０ Ｌ采用混合进气的天然气发动机，研究分析了其废气涡轮增压器性能，并结合试验数据分析结果，采用软件分析手段，捉 Ｈ｛了优化 配方案 、 关键词：天然气发动机；废气涡轮增压器； 配优化 中图分类号：ＴＫ４０６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—６４９４（２０１４）０５—００３１—０３ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｔｕｒｂ０ｃｈａｒｇｅｒ ｉｎ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｅｎｇｉｎｅｓ ＺＨＡＮＧ Ｆａｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｋｏｎｇｍｉｎｇ ，ＬＩＵ Ｊｉｎｇｐｉｎｇ！，ＪＩＮ Ｚｅｂｉｎｇ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ（；ｒｅｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈｉ－ｔｅｃｈ Ｎａｔｕｒａ１ Ｇａｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｅｈ Ｉｎｓｔｉｌｌ１ｌｔ ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１ １０．Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｌｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１ ００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｒａｒｙ ｔｏ ｂａｄ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｕｎｄｅｌ’ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｏｏｌ’ｅｅＯｌｌＯｍｉＣ ｕＩＩｄｅＦ ｌｏｗ—ｓｐｅｅｄ ａｎ（１ ｐａｒｌ ｌｏａｄ．ａ｜３１ｔ ｓｌｏｗ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｉ＊ｒ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ．ｔｈｉｓ ｐａｔ）ｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｉ‘ｎｌａｎｅｅ ｆ１ｆ ｔＩＪｒｂｏｃｈａｌ’ｇｅｌ＂ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ １ ０ １ ｌｌａｌｌＩＪ’ａｌ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ ｕｓｉｎｇ ｍｉｘｅｄ ｉｎｔａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｔ［ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ Ｗｉｉｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｈｓ ｎｆ ｄａｔａ ａｌｉａ］ｙｓｉｓ，ｕｓｉｎｇ ｓ０ｆｈ～ａｌＰ ａｎ；３ｌｙｓｉｓ Ｉｌｌ’ｏ１ｌｏｓｅｓ ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａ１ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ；ｅｘｈａｌｉｓｔ ｇａｓ ｔｕｒｂｏｔ￣ｈａｒｇｅｒ；ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ 随着 民经济的 速发展，汽车保有量不断 增加，汽油和柴油日渐短缺。因此，寻求替代燃料 和改变燃料的结构Ｈ趋必要。基于这两个原因，天 压器性能试验，结合试验数据分析的结果，采用软 件分析手段，优化增压器与天然气发动ＪＯＬ＠ｌＪｃ：．￣ｄ， 解决天然气发动机低速扭矩不足，低速币ｌＪ部分负荷 然气越来越多地作为新的燃料并开始投入到实际的 应用中。其主要日的有两个，一方而可以降低汽车 排放，减少废气污染；另一方面『｝１于天然气价格便 宜，町降低成本…。但是，发动机是一种复杂和系 统的机器，并不是简单的改用天然气就能得到好的 下经济性差，瞬态响应迟钝的不良现状是我们的主 要研究日的 １试验 １，１研究对象 试验对象为霍尔赛特ＨＸ４０Ｇ废气涡轮增压器， 与之匹配的天然气发动机主要技术参数见表１。 表１发动机参数 性能和低的排放，必须把发动机作为一个系统进行 研究，包括了对发动机燃烧系统、供气系统、排放 系统及性能参数优化等多方面深入研究 。但月前 国内所有的主机厂为了降低成本，其天然气发动机 结构和零部件都借用于柴油机，通过简单的改造而 来。因此，如何在日前的天然气发动机上，通过增 基金项目： 、ｌＩ，横 项Ｈ一涡轮增 器性能研究。 气缸排量／功率／转速／ 点火最高转速／怠速／乐缩 数 Ｉ ｋＷ ｒ・ｍｉｎ。。）顺序ｉ’・ｍｉｌｌ。。）【ｒ．ｆｉｌｌｔｌ‘）比 ６ １０ ２４７ ２ ２００ｌ一气一 一 …６－２－一４ ２ ５００±５０ ６００±５（）１ １ 作者简介：张帆（１９８２一）， ，湖南人， 泼博上 １－２试验装置 研究 向为新发动机技术。 收稿日期：２０１４—０５—１５ 本次试验分别在涡轮机特性专用试验台架、 压气机特性专用试验台架Ｉ－进行，见 ｌ、 ２。 内燃机 ＋６０（）００ －ｔｌ－８０（）（】０ 十１Ｉ ＿ｘ】０００ ｌ－４１－１２０（ｍ ＋ｌ４０ ｘ】 １ Ｉ ｋ ’ １涡轮机特性试验台架 膨胀比 （ａ）膨胀比效率曲线 ：， ／ ●● ‘ ‘ ｛Ｉ ’ 。，｜ 暑 －－ ＋６０ ｘ】 ＋２ ．Ｉ】ｌＸＸ】 ＋ （ｘ】【ｘｘ１． ◆ ２Ｏ（）（】０ ４１－－ ４０（ 一 ｏ）Ｉ－卜 ． ３ ２ ２ ● 密 ｒｌ ０ ２性能分析 １．０００ １．５００ ２．０００ ２．５００ ３．０１３０ 压气机和涡轮机性能曲线分别在专用台架上 测试完成，试验所用的各种压力、温度、转速等传 感器精度符合相关标准要求。试验台架增压器转速 膨胀Ｉ七 （ｂ）膨胀比流量曲线网 罔３涡轮机牛荨．性图 ３．０ ｌ ＿ 测量采用非接触式磁电传感器加二次仪表显示，其 Ｈ ——精度为０．２％。压力测量采用电容式传感器，温度 测量采用铂金热电阻，其精度为０．２％。压气机进 ｕ流量测量采用双纽线流量计进行测量。试验结果 见 ３、图４ ２．５ －－・．＿６００２６ ｒｈｎｉｎ ｏ・－６０ ０２６ ｒｈｎｉｎ １ ——１ｋ ●｜一７０ ０４７ ｒ／ｎｆｉｎ －一日・・７００４７ ｒｌｎｆｉｎ －２．０ ▲一 ’、● ■一Ｉ ． —・・卜７９ ９９７ ｒ／ａｉｒｎ ｉｓ・・７９ ９９７ ｒ／ｌｎｉｎ ● ８９ ９８７ ｒｈｎｉｎ —－－－０一ｊｇ ９ ９８７ ｒ／ｎ ｒ 一ｌ５０ ● ＿ ——Ｉ —— － －～ １０００５５ ｒ／ｍｉｎ 南网３、图４可矢ｕ，涡轮机的高效率区在低膨 胀区域内（１．２５～１．７５），比较适合发动机在中小 负荷： 作，在膨胀比高的区域，该涡轮机效率明显 下降，导致发动机的动力不足 。 根据发动机基本参数和试验所得到的压气机 １００ Ｊ 孬 ５０ ９ 唾 嘲 ＿嘧 ＩｉＩ ０ ０．１ ０．２ ０＿３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ Ｏ．８ 折合流量／（ｋｇ・ｓ－ｔ） ＭＡＰ图，对发动机与增压器进行预匹配，从图６ 可以得｝｝｛： ｃ．罔４压气机特性曲线阿 发动机的运行工况距喘振线和堵塞线有足够 ａ．压气机的最高效率区落在了高压缩比区域， 而涡轮机的最高效率落在了底压缩比区域，说明压 气机和涡轮机匹配不好。 ｈ．发动机运行１－况落在了压气机效率低区 域，说明发动机没有用卜压气机的高效区，进气压 力（图５）Ｅ升缓慢，带来低速、部分负荷经济性 和动力性差。 的裕度，增压器不会发生喘振和堵塞。 ３增压器匹配与优化 ３．１数学建模 在进行发动机与增压器匹配时，首先要选择 一款合适的增压器。如果增压器选择不当，发动机 的性能就不能达到预期的效果。传统的凭经验和试 第５期 张帆，等：天然气发动机增压器性能分析与匹配优化研究 ・３３・ Ｊ‘ｕ ！．８ １．６ １．２ １．Ｏ ≯．一 １ 。＝逾 —— 式中， 数； ｌ∞∞０ ｒ／ｍｉｎｉ＂一 为连接到涡轮增压器的排气歧管 １．４ 为工作单缸容积，Ｌ； 为发动机转速， ｒ／ａｉｒｎ； 为大气绝热指数；Ｐ为大气压力，ｋＰａ； 为涡前排气温度，Ｋ。 喘振裕度为： Ｃ，－ ８ ６ ＿４ ： ．２ ．．型 ０７０Ｉ ｌ ＬＩ７０Ｏｆｆ（ Ｉｄｒａｉｎｌ一 ０ｅ ４ｌＩｘ】ｄｒａｂ Ｉ６０ ｌ：； Ｒ００＿一ｉ ｕ０ ０．Ｏ５ ｝ ０ｎ ０．１５ ０．２０ ０．２５ ０．３０ ０．３５ ０．４０ ０．４５ ０． ：滴暑 ～３． １、 Ｒｍ ６０ ４０ ２０ ０ ＼ Ｉ ｒ ． 节气门前 一一节气门后 式中， 为发动机Ｔ作点空气流量，ｋｇ／ｓ； ｔ ２０ ｜ ４０ ｔ 为同一发动机工作点喘振空气流量，ｋｇ／ｓ。 ６０ ０ｎ ｌ 时间／ｓ ３＿２优化结果 优化唇的发动机运行工况与压气机匹配图见图６。 图５发动机运行工况与压气机匹配图 ４ ４结束语 ａ．压气机不但要达到预定的压缩比，而且要具 有较高的效率和较宽的流量范围。压气机的效率越 高，在相同的增压压力下，增压后的空气质量比越 大，增压效果越好。同时，发动机的特性曲线应该 穿过压气机的高效率区（最大扭矩点在压气机最高 效率点附近），且离喘振线有一定的距离。 ｂ．在整个发动机运行工况范围内，涡轮需具 ３ ３ ２ ２ 邕２ ｌ ｌ 口－ｃ、 ｌ ｉ一一 智ｒ１古哥 有较高的效率，涡轮要有合适的流量，以保证提供 给压气机足够的所需功率。试验证明，涡轮流通能 力大小是一个非常重要的因素，发动机与涡轮匹配 好坏主要由涡轮流通能力选择是否合适决定。 ｃ．、 ｝ 删 ｝ ＿＝二 ： ｉ—ｌＪ弋ｌＪ ｊ ｝ Ｉ 【 ｌ Ｔ一 — ｒ — Ｉ、ｉ １＼Ｌ ｌ ｌ＾ Ｖ｛、 ｌ 优化匹配后发动机进气压力提升所需时间明 时ｌｈ］Ｉｓ 罔６优化后的发动机运行工况与压气机匹配图 显比优化前减少，南此说明发动机在低速时能获得 更多的进气量，扭矩将明显提升。 ［参考文献］ 验的方法要浪费大量的人力、物力和财力，通过建 立增压器数学模型，运用计算机模拟与仿真的方 法，可以加快开发进度，提高开发质量 。 发动机所需的空气量为： Ｑｏ＝ ［１】 孙济美．天然气和液化石油气汽车［ＭＩ．北京：北京理工 大学，２００１，１５１－１６８． ［２】 姚春德，杨建军，徐元利，刘小平，等．电动增压补气消 除柴油机瞬态加速冒烟试验ＩＪＪ．环境科学学报，２００８， ２８（１１）：２ １６１－２ １６６． 式中， 扫气系数。 为发动机功率，ｋＷ；毋为发动机燃 为 料消耗率，ｇ／（ｋｗ・ｈ）； 为空气过量系数； 增压压力为： ＝【３】 王舜琰，郝利君，成森，张焕新，等．４８８可调增压天然气 发动机的模拟计算ｌＪ１．内燃机工程，２００５，２６（１）：７４—７６． ［４］ 刘孟祥．车用柴油机废气涡轮增压器热力过程数学建 模［Ｊｌ１．邵阳学院学报，２０１０，７（２）：４０—４３． （０．００３～０．００５）＋ 【５］ 吴岳伟．天然气发动机压缩比、点火时刻及配气相位 优化研究【Ｄ】．重庆：重庆交通大学，２０１ １：２７—３２． ［６］ 朱晓东．机械增压器Ｔ作性能与试验研究【Ｄ】．长沙：中 南大学，２００９：８—１６． 『７１ Ｊ．Ｎａｖｒａｔｉｌ，Ｍ．Ｐｏｌａｓｅｋ，Ｏ．Ｖｉｔｅｋ，Ｊ．Ｍａｃｅｋ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｄ ａｎｄ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ ｓｍａｌｌ ｓｐａｒｋ—ｉｇｎｔｉｏｎ 式中，Ｐ 为平均有效压力，ＭＰａ； 为中冷后 进气温度，Ｋ；ｂ 为比气耗； 为扫气系数。 涡轮当量流通面积为： （１１～１２）Ｓ， ，— 一 ｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．Ｍｉｄｄｌｅ Ｅｕｒ．Ｃｏｎｓｔｒ．Ｄｅｓ．Ｃａｒ，２００３．（３）：２７－３３．