雷爱国，马俊杰

（1.东莞市力宇燃气动力有限公司，东莞523935；2.西安交通大学能动学院，西安710049）

1 概述

天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。中国天然气总资源量达38万亿m3，是一个天然气资源大国，勘探领域广阔，潜力巨大，前景十分美好。天然气发电具有缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例、减少环境污染等优点，且从经济效益看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有较强的竞争力。因此，研究和开发天然气发动机具有广阔的市场前景。

本项目研究的天然气发动机是康明斯QST30型增压柴油机改装成的LY12V140型增压电控天然气发动机。该发动机采用了电控节气门、电控混合器、高能电子点火、稀薄燃烧闭环控制和增压中冷技术。利用AVL-BOOST软件进行整机建模，通过模型计算值和台架试验测量值验证其准确性后，进行计算，分析主要参数对发动机性能的影响情况，从而指导发动机台架试验和参数优化匹配。

2 建立BOOST计算模型

对照实体发动机的几何构造，建立如图1所示LY12V140型天然气发动机的计算模型。图中的C1～C12是该发动机的12个气缸，CL1和CL2是空气滤清器，TC1和TC2是涡轮增压器，CO1和CO2是中冷器，PL1是进气总管，PL2～PL5是排气分总管，J1和J2是2个节点，I1和I2是喷嘴，SB1和SB2是进气边界，SB3和SB4是排气边界，R1～R4是4个限流阀，MP1～MP9是9个测量点，1～46是连接管道。

3 参数的设置与调整

原柴油机为进口康明斯QST30发动机，气缸数及排列形式为12缸V型50°夹角，左、右列各采用一个涡轮增压器，该柴油机的基本参数如表1所示。改装后要求达到如下技术参数：额定功率为550 kW，额定转速为1 500 r/min，燃气消耗率≤220 g/(kW·h)，涡轮前排温≤650℃。

4 计算结果及分析

对建立的模型输入上述参数及另外一些几何参数（如管道直径和长度等）后，运行该程序，得到发动机的有效功率549.03 kW，与实际发动机的额定功率550 kW几乎一样，可见模拟的准确性。

图2和图3分别给出了缸内压力与缸内温度的变化曲线，以第3缸为例。缸内最大爆发压力和温度分别为8.59MPa及1 957 K。

可以看出，改装后的天然气发动机的最大压力和温度在正常发动机范围之内，对原来的机械零件不会造成额外影响，热负荷和机械负荷都在承受范围之内。

5 参数对性能的影响

以下所有计算结果和曲线均为发动机的额定工况，即1 500 r/min，550 kW。

5.1 配气定时对发动机功率的影响

进气提前角的初始值为36℃A，进气门开启持续期为304℃A，对应功率为549 kW。分别取进气提前角为16℃A～56℃A，保持进气门开启持续角不变。

由图4可见，随着进气提前角的增大，发动机功率在大幅提高。但到了36℃A后，开始稳定或者有很小的波动，可见进气提前角的最佳取值范围是36～56℃A，其中44℃A是个峰值点。

排气提前角的初始值设为53℃A，开启持续期也是304℃A，现研究37℃A～69℃A之间的排气提前角对发动机性能的影响，保持排气门开启持续角不变。

由图5可见，随着排气提前角的增大，缸内功率都在大幅提高。但到了49℃A后，开始小幅变化，可见排气提前角的最佳取值范围是49～69℃A，其中61℃A是个峰值点。

5.2 点火定时对发动机功率的影响

点火提前角的初始值设为7.8℃A，燃烧持续期为57℃A，研究燃烧始点从7.8℃A增大到19.8℃A的发动机性能的影响。

由图6可见，随着燃烧始点的提前，即点火提前角的增大，功率都有不同程度的提升，峰值点出现在18.8℃A左右，最佳的点火提前角取值范围是16℃A～20℃A之间。

5.3 压缩比对发动机功率的影响

压缩比的给定值是10，由于气体发动机的压缩比不能过大，否则会给发动机的正常工作带来巨大影响。研究发动机压缩比从9变化到11时对发动机性能的影响，计算结果如图7所示。

发动机的功率随着压缩比的增大而增大，但是压缩比超过9.6之后，功率的增长幅度不是很大，但是压缩比过大会带来许多负面影响。综合上述因素，压缩比的最佳取值范围是9.6～10.6。

5.4 增压比对发动机功率的影响

增压比的初始给定值是2.8，压缩比分别取2.3～3.3，研究其对发动机性能的影响。

发动机功率随增压比的变化相对简单，就是接近正比关系（如图8所示），变化曲线接近一条直线，变化率在缓慢减小。随着增压比的增大，每循环进入气缸的气体量随之增大，所以发动机功率会增大，这是产生该变化趋势的直接原因。但缸内压力不能无限制增大，这样会造成燃烧粗暴，增加机械负荷和热负荷，容易产生事故，或者会缩短发动机使用寿命，所以对增压比的选取，应该在能正常运行的条件下尽可能地取最大值。因此增压比的最佳取值范围是2.7～2.9。

5.5 进气温度对发动机功率的影响

进气温度的初始温度为中冷器的冷却后温度，初始值为50℃，现研究其在30～60℃变化过程中对发动机动力性的影响。根据计算，得到如图9所示的结果。由图中曲线可见，随着进气温度的增大，功率逐渐下降。对于中冷器来说，不用苛求冷却后的温度，只要不高于60℃，都在可以接受的范围内。所以进气温度的最佳取值范围是40～60℃之间。

6 结束语

将柴油机改装为火花点火式天然气发动机的技术在国外发展很快，并带来明显的经济效益和社会效益。对国内来说，由于此项技术对柴油机的改动较大，技术上还不成熟，要具备一定的市场规模还有许多课题需要解决。本文针对了力宇燃气动力有限公司的LY12V140发动机在改装成天然气发动机后，配气定时、点火正时、压缩比、增压压力、进气温度等参数对发动机燃烧过程和性能的影响，由于本发动机主要用于发电，所以重点考察对功率的影响，得出了这些参数的最佳取值范围，可以用于指导性的试验研究。

1孙济美.天然气和石油液化气汽车[M].北京：北京理工大学出版社，1999.

2周冬.柴油机改装天然气发动机的意义及技术措施[J].山东内燃机，2005(1).

3成森，郝利君，孙业保等.单燃料天然气发动机试验研究[J].汽车工程，2003(2).