天然气发动机起动控制参数对排气特性影响的模拟研究冰.pdf

2 0 1 3年 第 3 5卷 第 5期 汽车 Au t o mo t i v e 工程 E n g i n e e r i n g 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 5 天然气发动机起动控制参数对排气 特性影响的模拟研究 冰 杜寅威 ， 何邦全 天津大学， 内燃机燃烧 学国家重点 实验 室， 天 津3 0 0 0 7 2 2 01 3 0 7 4 [ 摘要] 利用 G T P o w e r 和 F I R E软件建立了天然气发动机一维仿真模型和排气系统三维模型， 并得到了试验 验证。通过仿真， 研究了天然气发动机起动阶段点火时刻和怠速转速对排气特性的影响。结果表明 推迟点火时刻 和提高怠速转速可明显提高排气温度、 催化器入口高温区域的面积和排气质量流量； 适当推迟点火会提高催化器入 口排气的流速分布均匀性； 发动机与催化器的匹配存在一个使催化器人 口流速分布均匀性最佳的点火时刻和怠速 转速； 合理选择发动机起动阶段的点火时刻和怠速转速， 可在满足起燃温度要求的同时使催化器入 口流速分布更 均匀。 关键词 压缩天然气发动机 ； 排气 ； 流动 ； 数值模拟 S i mu l a t i o n o n t h e Ef f e c t s o f S t a r t Co n t r o l P a r a me t e r s o n t h e Ex h a u s t Ch a r a c t e r i s t i c s o f CNG En g i n e Du Yi nwe i＆ He Ba ng qua n T i a n fi n U n i v e r s i ty ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f E n g i n e s ， T i a n fi n 3 0 0 0 7 2 [ A b s t r a c t J A 1 D m o d e 1 f o r C N G e n g i n e a n d a 3 D mo d e l f o r i t s e x h a u s t s y s t e m a r e b u i l t w i t h s o f t w a r e G T - P o we r a nd F I RE，a n d a r e v a l i d a t e d b y t e s t s ．S i mu l a t i o n s a r e c o n d uc t e d t o s t ud y t h e e f f e c t s o f i g n i t i o n t i mi n g a n d i - d l e s p e e d o n t h e e x h a u s t c h a r a c t e r i s t i c s o f C NG e n g i n e a t s t a r t p h a s e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t r e t a r d i n g t h e i g n i t i o n t i mi n g a n d i n c r e a s i n g t h e i d l e s p e e d c a n ma r k e d l y i n c r e a s e t h e e x h a u s t g a s t e mp e r a t u r e，t h e a r e a o f h i g h t e mp e r a - t u r e r e g i o n a t t h e i n l e t o f c a t a l y t i c c o n v e rt e r a n d e x h a u s t g a s ma s s fl o w r a t e ．Re a s o n a b l y r e t a r d i n g i g n i t i o n t i mi n g c a n i mp r o v e t h e u ni f o r mi t y o f e x h a u s t g a s f l o w v e l o c i t y a t t h e i n l e t o f c a t a l y t i c c o n v e rte r ．I n ma t c h i n g c a t aly t i c c o n v e rte r w i t h e n g i n e ，t h e r e i s a n o p t i ma l i g n i t i o n t i mi n g a n d i d l e s p e e d t o o b t a i n t h e b e s t u n i f o rm i t y o f e x h a u s t g a s fl o w v e - l o c i t y a t t he i n l e t o f c a t a l y t i c c o n v e rte r ． Mo r e u n i f o rm d i s t r i b u t i o n o f e x h a us t g a s flo w v e l o c i t y a t c a t a l y t i c c o n v e e r i n l e t c a n be a c h i e v e d b y t h e p r o pe r s e l e c t i o n o f i g n i t i o n t i mi n g a n d i d l e s pe e d a t s t a rt p ha s e wh i l e me e t i n g t he r e q u i r e me n t o f l i g h t o ff t e mp e r a t u r e ． Ke y wor ds CNG e n g i ne；e x ha u s t g a s ；flo w ；nu m e r i c a l s i m u l at i o n 刖 舌 发动机起动过程中的排放控制对于降低汽车冷 起动阶段排放有着至关重要的作用。随着发动机排 未燃碳氢 H C 排放明显低于传统汽油机 ， 但此时催 化器尚未起 冷起动过程 燃， 因此 H C排放仍然很高。如何降低 的排放是发动机研究的一个热点问题。 为使催化器快速起燃 以降低汽油机冷起动排 放， 催化剂快速起燃的发动机控制技术⋯、 催化器人 放法规的日益严格， 减少发动机起动阶段排放受到 口温度场和流场的分布特性优化 、 紧凑耦合催 人们的广泛重视。虽然天然气发动机在起动阶段的 化转化器 、 二次空气喷射系统 、 电加热催化器和 HC 国家高技术研究发展计划 8 6 3 2 0 0 9 A A 0 6 4 8 0 6 资助。 原稿收到日期为 2 0 1 1 年 1 1 月 1 1日， 修改稿收到 E t 期为 2 0 1 2年 2月 1 3日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 5期 气相互作用， 转速和点火提前角的改变会影响相邻 气缸排气的作用和排气速度方向， 使得催化器入 口 排气温度场分布发生变化。 为了更好地评价不同发动机起动参数下催化器 人 口处循环排气温度水平 ， 引入 催化器入 口截 面内 全部 网格单元 的平均温度来定量分析 ， 即对每一 瞬 时催化器入 口截面 内所有点进行统计 ， 求 出温度 云 图所代表 的排气平均温度 。 的计算公式为 N N N ∑m T i ∑P S d ∑P S i T i 一 一 t 1 ∑m ∑P S i d ∑P S 式中l if t 、 T i 、 P 、 S 和 d为截面上第 i 个网格单元的 气体质量、 气体温度、 气体密度、 截面面积和厚度； N 为截面网格单元总数 。 由式 1 计算得到 A A截面处 的平均温度 的瞬 时值如图5所示 。 赠 慧 赠 嚣 曲轴转角 a 不同点火时刻 转速1 4 0 0 r ／ mi n 曲轴转角， 。 b 不同怠速转速 点火时刻 上止点 图5 催化器入口排气温度瞬时值 由图可见 催化器人 口排气温度在一个循环 中 出现4个峰值， 分别对应于4 个气缸的排气过程； 推 迟点火和提高怠速转速会使循环中各缸排气温度升 高； 将点火时刻推迟到上止点后， 排气最高温度明显 升高， 为加速催化器的起燃提供了便利。 对图5瞬时排气温度进行循环平均计算可获得 循环平均值 ， 由于发动机在排气过程 中催化器入 口 的废气质量流量瞬态变化 ， 不同排气 温度所对应 的 排气质量流量也不同。为了有效地评价排气能量对 催化器蜂窝载体的加 热效果 ， 在此 把瞬时质量流量 作为权重， 对图5截面气体平均温度的瞬时值进行 循环平均， 获得一个循环排气平均温度值。计算结 果如 图6所示 。 赠 差 点火时N／ 。 C A 图6 发动机着火时刻和怠速转速对催 化器入口排气温度及油耗的影响 喜 耀 薏 由图可见 在转速为 1 4 0 0 r ／ mi n的条件下 ， 点火 时刻从 1 0 。 C A B T D C推迟到 5 。 C A A T D C时排气平 均温 度 提 高 了 1 1 3 C， 而 从 5 。 C A A T D C 推 迟 到 1 0 。 C A A T D C 气温度变化较小 ， 这说明在不同怠速 转速下推迟 点火对排气温 度的影 响有一个 最佳 区 间 ， 在这一 区间推迟点火的效果非常明显 ； 在上止点 点火时 ， 怠速转速从 8 0 0 r ／ m i n提高到 1 4 0 0 r ／ m i n排 气平均温度提 高了 1 3 9 C， 说 明在 同一 点火提前角 下， 提高发动机的怠速转速对提升排气温度有很明 显的作用。 从统计结果可以看 到 ， 合理地推迟点火时刻 和 提高怠速转速均能够大幅度地提高催化器人口的排 气温度， 有利于催化器快速起燃， 达到降低发动机起 动阶段排放的作用。 通常 ， 新鲜催化器的起燃温度约为 2 5 0 。 C， 考虑 到催化器的老化 ， 实际天然气发动机催化器的起燃 温度约为3 0 0 。 C ， 故要求发动机在冷起动怠速运行 工况下排气温度能达到 3 0 0 。 C 。为此 ， 在 图 6中找 出与3 0 0 。 C温度线相交的两点a 和b ， 利用插值的方 法得到 a点的点火时刻为 2 ． 8 o C A B T D C， 怠速转速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杜寅威， 等 天然气发动机起动控制参数对排气特性影响的模拟研究 3 8 9 1 4 0 0 r ／ ra i n ， 即 一 2 ． 8 ， 1 4 0 0 ； b点的点火时刻为 8 ． 1 。 C A A T D C ， 怠速 转 速 1 0 0 0 r ／ m ln ， 即 8 ． 1 ， 1 0 0 0 。a和 b点 分 别 为 怠 速 转 速 为 1 4 0 0和 1 0 0 0 ra i n 运行曲线上满足 3 0 0 。 C温度线要求的临 界点 ， 在两 条 曲线右上 方 的工 况点 都能 满足 这一 要求。 为了评价实际发动机冷起动阶段起动控制参数 选择是否合理， 还 须综合考虑发动机 的燃油经济性 和排气在催化器人 口流动的分布特性。 图 6上方的曲线示出发动机点火时刻和怠速转 速对燃油经济性 的影响。由图可见 推迟点火时刻 会使油耗增加， 且随着点火时刻的推迟， 燃油消耗增 加 的速度变大； 同样 的点火 时刻推迟 ， 怠速转 速越 高， 油耗增加的量越大。对应于图 6中 a和 b两个 运行工况点 的油耗分别为 0 ． 8 5和 0 ． 8 7 k g ／ h ， 差别 甚微 。 2 ． 2 发动机起动控制参数对排气质量流量的影响 图7为 C N G发动机在不同起动参数下排气质 量流量的一维模型计算结果。 号 。0 删 避 点火时N／ 。 C A 图7 发动机转速和着火时刻对排气流量的影响 由图可见 随着点火时刻的推迟 和怠 速转速 的 提高 ， 发动机排气流量增加 。文献 [ 8 ] 的实验结果 也证实 了这一现象 。推迟点火导致发动机排气质量 流量增加的主要原 因是 ， 在进气量不变 的情况下推 迟点火时刻会使发动机指示平均有效压力降低， 因 此推迟点火之后为了维持正常的怠速运转就需要增 加怠速时的进气量和燃料量 ， 导致排气流量的增加。 提高怠速转速导致排气流量增加的主要原 因是发动 机单位时间内的工作次数增加。 图7中的 a点和 b点为满足图 6中 3 0 0 ％排温 的运行工况点。a点工况 的排气流量为 1 5 ． 4 k g ／ h ， b 点工况的排气流量为 l 5 ． 7 k g ／ h ， 从为载体提供的总 能量来看， a 和 b 两个运行工况点的差别不大。 图8为第 1 缸排气口处的瞬时排气质量流量随 点火时刻和怠速转速的变化特性。 f 删 避 咖 越 ∞ 血Ij 耀 删 略 曲轴转角 。 a 不同点火时刻的瞬时排气流量 转速 1 4 0 0 r ／ mi n 曲轴转角 b 不同怠速转速 的瞬时排气流量 点火时刻上止点 图8 发动机着火时刻和转速对瞬时排气流量的影响 由图可见 排气歧管 出口瞬时质量流量可分为 A和 B两个部分 ， A为发动机的 自由排气阶段 ， 此时 排气的瞬时质量流量主要与排气 门开启时的当地音 速有关 ， B为强制排气阶段 ， 此时排气 的瞬时质量流 量主要与活塞 的运动有关 ； 排气过程 中的压力波动 使强制排气阶段的排气质量流量出现波动现象。 从 图 8 a 可以看到， 推迟点火 时刻主要使 自由 排气阶段 的瞬时排气流量增加 ， 而强制排气 阶段 的 瞬时排气量变化不大。从图 8 b 可 以看到， 提高怠 速转速会使 A和 B两部分的瞬时排气量都增加。 2 ． 3 发动机起动控制参数对催化器入 口排气流动 均匀性的影响 在催化器起燃之前， 蜂窝载体的温升主要靠载 体与高温废气之问的辐射和对流传热来实现。催化 器人口排气流动分布均匀性对载体整体起燃特性有 很大的影响 ， 排气流速分布不均匀会导致废气对载 体各处加热不一致， 这样在流速较低的区域载体加 热较慢， 对应的载体起燃被推迟， 污染物流过这些区 域不能有效转化， 导致催化器整体转化率下降。 常用流速均匀性指数来评价催化器人 口排气流 动特性。本文中采用流速均匀性指数 A作为评价标 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 9 0 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 5期 一 刍 时将瞬时排气流量作为权 重， 这样能更加合理地评 ⋯ 价催化器人口的排气特性。循环平均 A用 A来表 示 ， 其计算公式为 7 2 0 7 2 0 3 E m iA i／ ∑ i 1 m 式中 S为载体前端面面积； S 为网格单元 i 的截面 积； N为截面网格单元数； V 为网格单元 处的气体 流速； 石 为截面气体平均流速。 通常流速均匀性指数降低会使载体整体起燃时 间增长， 转化率下降 。A数值在 0到 1 之间变化， A值越大， 则均匀性越好。由于发动机排气过程中 排气质量流量瞬态变化 ， 因此 ， A值也是随时间变化 的。图9给出了催化器人口排气流动均匀性和排气 流量的计算结果。 咖 删 越 曲轴转角 图9 催化器入口排气流动特性 转速 1 4 0 0 r ／ m i n ， 点火时刻 5 。 C A A T D C ． 露 避 由图可见， 在一个发动机工作循环中， 催化器入 口瞬时排气质量流量和排气流动均匀性指数随曲轴 转角变化。由于发动机有 4个气缸 ， 所 以排气过程 中出现了4个相似的波形。其 中排气质量流量 的 8 个波峰分别对应于 4个气缸的自由排气 阶段和强制 排气阶段。 还可以看出， 流速均匀性指数 的变化过程与排 气质量流量的变化类似， 即流量增加时 A值也随之 增加， 但 A值的变化滞后于排气流量的变化， 整体的 结果是排气流量高时 A值高， 排气流量低时 A值 低。发动机工作过程 中， 流速均匀性指数在一个较 大的范围内变化。如何减少流速均匀性指数的变化 是优化发动机与催化器匹配的关键。 瞬态排气参数随曲轴转角变化。为了便于比较 不同起动控制参数对催化器入口流速均匀性指数的 影响， 须对瞬时 A值进行平均处理。考虑到 A值受 排气流量的影响， 因此， 在对 A值进行循环平均处理 4 式中 A为循环平均后的流动均匀性指数 ； A 为每一 曲轴转角时刻对应的均匀性指数值； m i 为每一曲轴 转角时刻流过催化器人 口的排气质量 ； 为对应的曲 轴转角时刻。 图 1 0为 A值随发动机转速和点火时刻 的变化 规律。 繇 曰 露 需 点火时刻 C A 图 1 0 发动机着火时刻和怠速转速对 催化器人 口流速均匀性的影响 由图可见 ， 在不同怠速转速下推迟点火时刻会 使流速均匀性指数增加 ， 但随点火时刻的推迟 ， A值 的增加速度逐渐变慢 ， 在转速为 1 4 0 0 r ／ mi n时 ， 上止 点后 5 0 C A点火对应 的 A值最 大， 再把点火提前角 向后推迟到上止点后 1 0 。 C A时， A值降低。即每一 个怠速转速下发动机点火提前角与催化器人 口排气 流动的均匀性的匹配存在一个最佳值 。推迟点火导 致 A值增加的主要原 因是排气流量增加 ， 但随着排 气流量 的不断增加 ， 排气流量 的增加对 A值增加 的 作用效果逐渐变小； 排气流量增加到一定程度后， 若 继续增加反而会使排气流动均匀性变差 。 。 。 怠速转速对 A值的影响较为复杂。转速发生改 变不但改变了排气的瞬时流量， 而且也会改变单位 时间内发动机的工作次数和排气在管路中的流动时 间。转速增加时排气流量的增加使均匀性指数增 加 ， 而排气在排气管路 中的流动时间减少使排气在 流动过程中相互作用的时间缩短， 这使 A值有降低 的倾向。两者共同作用的结果产生了图 1 O中所示 的 值随怠速转速的变化情况， 即在各种点火时刻 下， 转速为 1 0 0 0 r ／ m i n时的 A值都最大； 在上止点 如 加 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杜寅威 ， 等 天然气发动机起动控制参数对排气特性影响的模拟研究 3 9 1 前 ， 转速 8 0 0 r ／ m i n和 1 4 0 0 r ／ m i n的 A值差别不大 ； 而在上止点后， 转速 8 0 0 r ／ m i n的A值则明显小于转 速为 1 4 0 0 r ／ m in的 A值， 即不同的发动机与催化器 的匹配存在一个使催化器入 口流速均匀性最高的怠 速转速。 图1 0中 a 点和b点为满足图6中3 0 0 oC 排气温 度所对应的运行工况点。a点工况的 A值为 0 ． 6 8， b 点工况 的 A值为 0 ． 8 4 ， 可见在相 同的排气温度 、 油 耗和排气流量下 ， 工况点 b的催化器整体起燃 时间 比工况点 a 短， 使催化剂的整体转换率上升得更快， 因此， 为了降低冷起动时发动机的排放物， 选取 b 点 作为起动参数更好。 3 结论 1 推迟点火时刻和提高怠速转速可 以明显提 高各气缸 的排 气温度和催化器人 口高温 区域 的面 积； 但却会增加冷起动阶段的油耗。为了使催化器 人口排气温度达到 3 0 0 o C， 可 以选择 不 同的起动参 数组合。高怠速、 点火提前角较早的 a工况的油耗 略低于低怠速、 点火提前角较晚的 b 工况的油耗。 2 在发动机冷起动怠速运行 阶段 ， 推迟点 火 时刻和提高怠速转速会提高瞬时排气流量。其 中， 推迟点火主要提高 自由排气阶段的排气流量； 提高 怠速转速对 自由排气阶段和强制排气阶段 的排气 流 量都有所提高。排气流量的提高对于加快催化器起 燃有积极意义。 3 推迟点火时刻会使催化器入 口排气流速均 匀性指数增高； 随着点火时刻的推迟流速均匀性指 数的增加会变慢， 继续推迟会使其降低。即在不同 的发动机怠速转速下， 存在一个最佳点火提前角， 使 得催化器人口流速均匀性最高。 4 在相同的排气温度下 ， 怠速转速和点火提 前角存在一个最佳组合， 使该工况下的催化器人口 排气流动分布更加均匀。因此 ， 在起动 阶段怠速转 速和点火提前角的选择时应综合考虑燃油经济性和 催化器人 口处排气流动分布的均匀性。 参考文献 [ 1 ] G o n g C h a n g m i n g ，H u a n g K u o ，D e n g B a o q i n g ，e t a1 ．C a t a l y s t L i g h t o ff B e h a v i o r o f a S p a r k i g n i t i o n L P G L i q u e fi e d P e t r o l e u m G a s E n g i n e D u ri n g C o l d S t a r t [ J ] ．E n e r g y ， 2 0 1 1 ， 3 6 5 3 5 9 ． 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I mp r o v i n g C a t al y s t L i g h t o ff P e rf o r m anc e [ C ] ． S A E P a p e r 2 0 0 2 0 1 - 2 8 0 3 ． [ 6] B h a s k a r K， S e n d i l v e l a n S ， J e y a c h a n d r an K ．E x p e ri m e n t a l I n v e s t i g a t i o n o n C o l d S t a r t HC an d CO Emis s i o n Co n t r o l Us i n g El e e t r i c al l y He a t e d P r e C a t a l y s t E HC i n Ma r k I V A mb a s s a d o r S I e n s i n e [ C] ．S A E P a p e r 2 0 0 4 2 8 0 0 0 6 ． [ 7 ] Y a m a z a k i H， E n d o T，U e n o Ma s a k i ， e t a1．R e s e a r c h o n H C Ad s o r p t i o n E mi s s i o n S y s t e m[ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 4 0 1 1 2 7 3 ． [ 8 ] U e n o M，Ak a z a k i S ，Y a s u i Y，e t a 1 ．A Q u i c k Wa r m u p S y s t e m Du r i n g En g i n e S t a r t u p P e rio d Us i n g Ad a p t i v e Co n t r o l o f I n t a k e A i r and I gni t i o n T i m i n g [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 0 - 0 1 - 0 5 5 1 ． [ 9 ] We l t e n s H，B r e s s l e r H，T e r r e s F， e t a1．O p t i mi s a t i o n o f C a t aly t i c C o n v e r t e r G a s F l o w D i s t ri b u t i o n b y C F D P r e d i c t i o n [ C] ．S A E P a p e r 9 3 0 7 8 0． [ 1 0 ] L i u Z h i ．P u l s a t i n g F l o w Ma l d i s t r i b u t i o n i n A u t o mo t iv e E x h a u s t Ca t a l y s t s Nu me ric al Mo d e l l i n g an d E x p e rime n t a l C o r r e l a t i o n [ D] ．E n g l a n d C o v e n t r y U n i v e r s i t y ， 2 0 0 3 5 3 5 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m