可燃冰混合燃料发动机性能与排放的仿真

ISSN 1674-8484CN 11-5904/U汽车安全与节能学报, 2011年, 第2卷 第3期J Automotive Safety and Energy, 2011, Vol. 2 No. 310/13246 — 249

可燃冰混合燃料发动机性能与排放的仿真

郭 超， 李 军*， 王文宾， 陈 伟

（重庆交通大学， 重庆 400074）

摘 要： 根据中国获得可燃冰样品所测定的原始数据，运用GT-Power仿真软件，建立发动机模型，进行了可燃冰和汽油混合燃料的性能与排放的特性研究。仿真实验中在同一台发动机模型上使用了所设定的6种不同掺混比例的可燃冰和汽油混合燃料，对比分析了使用不同掺混比例混合燃料下发动机的动力性、经济性和排放特性。模拟结果表明： 随着混合燃料中可燃冰燃料掺混比例的增加，发动机功率和转矩下降，有效燃油消耗率降低，有效热效率增加。CO排放降低，NO排放无明显变化。关键词： 发动机；可燃冰；性能；排放；GT-Power软件中图分类号： U 469.7

Simulation of performance and exhaust emission of an engine

fuelled with natural gas hydrate blends

GUO Chao, LI Jun*, WANG Wenbin, CHEN Wei

Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China）（

Abstract: An engine model was built to analyze the properties and emission characteristics of Natural Gas Hydrate (NGH)-gasoline mixture using GT-Power simulation code based on the original data of the NGH sample test in China. Simulations were carried out on the same engine model with mixtures with six different ratios of NGH-gasoline. The engine with different ratios of NGH-gasoline was investigated on properties of power, economy and emission. The results indicate that the engine power, torque and fuel consumption rate decrease, while the engine thermal efficiency increases with increasing ratio of NGH in the mixture fuel. The results also show that the CO emission reduces with the NO emission unobviously changed.Key words: engine; natural gas hydrate (NGH); performance; emission; GT-Power code随着人类社会的不断发展和工业水平的不断提高，人类对有限的石油能源的需求越来越多，再有50～60年，全世界的石油资源将消耗殆尽[1]。因此世界各国对代用燃料的研究越来越广泛和深入。研究测

试表明，可燃冰遇火即可燃烧，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，被誉为21世纪最有希望的战略资源[2]。

可燃冰又称固体天然气（natural gas hydrate,

收稿日期/ Received： 2011-04-22

基金项目 / Sported by： 重庆市教委自然科学项目（KJ090408）；重庆市交通运输重点实验室项目(2008CQJY002)； 重庆市教委项目（0903070）第一作者/ First author： 郭超（1985—），男（汉族），山东，硕士研究生。E-mail: [email protected]*通讯作者/ Corresponding author： 李军，教授。E-mail: [email protected]

郭超，等：可燃冰混合燃料发动机性能与排放的仿真247

NGH），主要成分为甲烷(CH4),其含量高达90%以上,其次还含有少量的乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳等

[3-4]

。不同掺混比例的可燃冰混合燃料对发动机的燃烧

和排放特性产生了一定的影响。因此，本文通过GT-POWER仿真软件对单缸点火式汽油机模型燃用不同混合比例可燃冰混合燃料的发动机动力性、经济性及排放性进行仿真分析，进而为提高发动机的性能和排放特性提供一定的理论依据。

1 发动机仿真平台的建立

1.1 GT-Power软件简介

GT-Power软件是美国Gamma Technologies公司开发的一款包括发动机设计概念在内的发动机仿真分析软件。GT-Power可模拟点火式发动机、柴油机、二冲程或四冲程机、增压机等多种活塞式发动机。该软件是基于管内或有限容积的一维流动理论，由许多有特殊用途的零部件单元组成，包括传热、燃烧、喷油等热力学、流体力学、化学动力学模型。应用有限差分原理、质量守恒原理和能量守恒原理解决非稳态、可压缩、非线性的一维流动[5]。

图1 气缸模型表1 汽油机主要技术参数

缸径×行程连杆长度排量压缩比最大扭矩 额定功率

100 mm×100 mm

220 mm785 mL1162 Nm25.2 kW

1.2 仿真模型的建立

发动机的燃烧模型采用Wiebe函数燃烧模型：

X为燃料的燃烧质量百分比；Y为量纲为一的时式中：

间，Y =（Ф － ФvB） / △Ф; Ф、ФvB分别为瞬时曲轴转n为燃烧品质指角和燃烧起始角；△Ф为燃烧持续角；数，常数6.908是在Y = 1，X = 0.999的假设下由公式反推得到的

[6]。

传热子模型换热系数采用Woschni公式计算：

式中： αg为换热系数，p、T为气缸内工质压强、温度；D为缸径；Cm为活塞平均速度；C1为气流速度系数；C2为燃烧室现状系数；Ta、Va、pa分别为压缩始点气p0为发动机倒托时缸内工质温度、气缸容积和压强；的气缸压强

[7-8]

根据2007年6月中国地质调查局在南海钻获高纯度可燃冰样品测定的实验数据可知，可燃冰中甲烷的含量高达99.7%、乙烷含量为0.3% [9-10]。仿真实验设定了不同掺混比例的6种燃料：纯汽油p、混合燃料pk5（汽油95% + 可燃冰5%）、混合燃料pk10（汽油90% + 可燃冰10%）、混合燃料pk15（汽油85% + 可燃冰15%）、混合燃料pk20（汽油80%+可燃冰20%）、混合燃料pk25（汽油75% + 可燃冰25%）。燃料组分的主要参数见表2。

表2 燃料组分的主要参数

燃料组分汽油甲烷乙烷

理论空燃比

14.71917

标况的密度

kg・m7500.4660.572

低热值MJ・kg445047

mHC3.0543

2 仿真结果与分析

2.1 燃用不同燃料发动机经济性能对比

图2、图3分别给出了不同掺混比例混合燃料的燃油消耗率（BSFC）和有效热效率的变化曲线。

由图2可以看出：随着混合燃料中可燃冰燃料掺混比例的增加，燃油消耗率逐渐下降，当发动机转速为

1 800 r/min

时，pk25的燃油消耗率最低且相对于

。

1.3 发动机技术参数与燃料组分

仿真实验采用四冲程、单缸、强制水冷火花塞式发动机，图1为气缸模型，技术参数见表1。

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发动机燃用纯汽油时最低燃油消耗率降低了4%，随着转速的增加燃油消耗率差异具有减小的趋势。

由图3可以看出：发动机在中低速时燃用可燃冰混合燃料的有效热效率比纯汽油高，而在高转速时汽油和可燃冰混合燃料的有效热效率无明显变化。主要是因为汽油机燃用汽油时，在中低转速时可燃混合气较浓，空气过量系数不高，致燃烧不充分，使热效率降低；而随着可燃冰燃料掺混比例的增加，使得空气过量系数提高，可改善燃烧不充分状态，热效率提高。在高转速时，过量空气系数比较大，改善了发动机的燃烧特性，使得有效热效率趋于相等。

要比汽油机提前，而汽油发动机在燃用可燃冰燃料时未达到最佳点火提前角，影响了发动机功率和扭矩的输出。所以可燃冰混合燃料的动力性能不如汽油，且随着可燃冰燃料掺混比例的增加汽油机的动力性能下降。

图4 外特性功率对比

图2 燃油消耗率对比

图5 外特性转矩对比

2.3 燃用不同燃料发动机排放特性对比

图6是汽油机分别燃用汽油与可燃冰混合燃料的CO排放对比图(图中，BDC表示下止点，TDCF表示第一次所到达的上止点，TDC表示上止点)，由图

图3 有效热效率对比

可以看出：燃用汽油时CO排放较燃用可燃冰混合燃料有不同程度的增加，且随着掺混比例的增加CO的排放逐渐降低。图7是汽油机燃用不同掺混比例可燃冰混合燃料时NO的变化曲线图，从图中可以看出：随着混合燃料中可燃冰燃料掺混比例的增加，NO的排放值略有升高，但变化不明显。

2.2 燃用不同燃料发动机动力性能对比

图4和图5分别是燃用不同掺混比例可燃冰混合燃料的外特性功率和转矩的对比图。由图可看出：汽油机燃用可燃冰混合燃料pk25时较燃用纯汽油的最大功率和最大转矩分别下降5%和6%。这主要是由于汽油比可燃冰燃料辛烷值较高且燃烧速度快，要求在相同工况下燃用可燃冰燃料时发动机的点火提前角

3 结论

1）在相同的发动机转速下，随着混合燃料中可燃

郭超，等：可燃冰混合燃料发动机性能与排放的仿真249

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图6 CO排放对比

图7 NO排放对比

冰燃料掺混比例的增加，发动机燃油消耗率降低，有效热效率增加，提高了发动机的燃烧特性。

2）在相同的发动机转速下，发动机的外特性功率和扭矩随着混合燃料掺混比例的增加有所下降。但CO的排放量有大幅度的降低，NO的排放量无明显变化。

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