一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法

本发明涉及天然气发动机，具体涉及一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法。

背景技术：

1、采用“当量燃烧+废气再循环+三元催化转换器”技术的火花点火天然气发动机可以轻松地满足国六污染物排放法规，具有排放后处理简单且成本低的优势。然而，使用该技术的火花点火天然气发动机表现出低的热效率。在节能减排背景下，未来对天然气发动机的燃油消耗法规将更加严格，进一步降低天然气发动机比气耗受到广泛关注。提高几何压缩比可以提高内燃机理论循环的效率，是降低天然气发动机比气耗的一种直接的、有效的措施。然而，对于火花点火天然气发动机，由于爆震的存在，几何压缩比增加被限制。

2、一种有效的应对措施是对进气门关闭时刻进行控制（如提前关闭或者推迟关闭），以降低发动机的有效压缩比，在实现爆震抑制的同时，使得天然气发动机形成非对称压缩-膨胀循环。由于实际循环的不可逆性，传统的对称压缩-膨胀循环因缸内燃烧放热使得膨胀终了工质温度压力均远高于进气终了状态，从而引起排气过程能量的大量散失。采用比压缩比高的膨胀比的非对称压缩-膨胀循环具有理论上的高效性。因此，进气门关闭时刻和几何压缩比的良好匹配提高天然气发动机的理论效率，进而降低天然气发动机的比气耗。

3、然而，进气门关闭时刻的变化会造成进入气缸的新鲜空气质量的减少，从而导致发动机输出功率下降。因此，在控制进气门关闭时刻来实现非对称压缩-膨胀循环的同时，需要匹配更高性能废气涡轮增压器来实现更高的进气密度，以保持发动机动力性。这种多个变量的匹配是复杂的，需要考虑到客户的需求和发动机实际运行条件的限制，这导致研发人员往往难以找到最优的设计方案。最终，这些问题阻碍了这种技术在火花点火天然气发动机中的广泛应用，因为研发人员往往需要浪费较多的金钱和时间成本去尝试，并且不能够得到最优的设计方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，使几何压缩比、进气门升程曲线和涡轮增压器获得最优匹配，降低天然气发动机碳排放。

2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，包括以下步骤：

4、步骤1：获取涡轮增压天然气发动机的基本信息和外特性台架试验数据；步骤2：建立涡轮增压天然气发动机一维热力学模型并验证；步骤3：选取发动机的几何压缩比变化因子、进气门关闭时刻变化因子、涡轮增压器的压气机增压比变化因子、压气机流量变化因子、压气机转速变化因子、压气机等熵效率变化因子作为设计变量，并设定各个变化因子的范围；步骤4：选取发动机进气流量、扭矩、功率、最大爆发压力、爆震指数、排气温度作为限制变量，并设定各个限制变量的值；步骤5：选取发动机比气耗作为目标变量，进行目标最小值优化计算，确定最佳设计方案。

5、进一步地，所述涡轮增压天然气发动机的基本信息包括发动机几何压缩比、进气门升程曲线、涡轮增压器的压气机map图等设计变量原始值；所述进气门升程曲线为进气门升程随曲轴转角变化的曲线；所述压气机map图为由不同压气机转速下的压气机特性曲线组成；所述压气机的特性曲线指的是在转速一定的条件下获得的压气机增压比和等熵效率随压气机流量的变化关系。

6、进一步地，所述涡轮增压天然气发动机的外特性台架试验数据为在节气门全开下，限制变量和目标变量随发动机转速的变化规律。

7、进一步地，所述涡轮增压天然气发动机一维热力学模型由进排气系统模型、气缸模型和曲轴箱模型组成；所述进排气系统模型包括涡轮增压器模型、进排气歧管模型和气门模型等子模型；所述气缸模型包括燃烧模型、爆震模型和传热模型等子模型；所述曲轴箱模型包括发动机摩擦模型；所述模型验证指的是模拟值与试验值的相对误差在5%以内。

8、进一步地，所述设计变量变化因子指的是设计变量的变化幅度；设计变量的变化结果值等于设计变量原始值与变化因子的乘积；所述设定变量变化因子的范围建议在0.5到1.5之间。

9、进一步地，所述限制变量包括客户的动力输出需求和发动机实际工作条件的限制。

10、进一步地，所述目标最小值优化计算采用试验设计（doe）方法；具体为，首先通过涡轮增压天然气发动机一维热力学模型计算得到试验样本数据，接下来通过多项式回归方法来拟合试验样本数据以获得响应面模型，最后基于响应面模型，通过遗传算法进行有约束条件的目标最小值优化计算；所述响应面模型的自变量为设计变量，因变量为限制变量和目标变量。

11、进一步地，所述最佳设计方案是比气耗处于最小值时确定的几何压缩比、进气门关闭时刻以及增压器压气机map图；所述最佳设计方案需要通过涡轮增压天然气发动机一维热力学模型来验证。

12、与现有技术相比，本发明的优点在于：

13、本发明提供了一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，该方法能够指导天然气发动机研发人员根据客户需要的发动机动力输出需求，在发动机实际工作条件的限制下合理匹配发动机的几何压缩比、进气门升程曲线和涡轮增压器压气机map图，以最大化天然气发动机理论循环效率；本发明可以使天然气发动机在保证发动机动力性的基础上，形成有效膨胀比远大于有效压缩比的非对称压缩-膨胀循环，显著降低天然气发动机的比气耗，减少碳排放。

技术特征：

1.一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，所述涡轮增压天然气发动机的基本信息包括发动机几何压缩比、进气门升程曲线、涡轮增压器的压气机map图等设计变量原始值；所述进气门升程曲线为进气门升程随曲轴转角变化的曲线；所述压气机map图为由不同压气机转速下的压气机特性曲线组成；所述压气机的特性曲线指的是在转速一定的条件下获得的压气机增压比和等熵效率随压气机流量的变化关系。

3.根据权利要求1所述的一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，所述涡轮增压天然气发动机的外特性台架试验数据为在节气门全开下，限制变量和目标变量随发动机转速的变化规律。

4.根据权利要求1所述的一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，所述涡轮增压天然气发动机一维热力学模型由进排气系统模型、气缸模型和曲轴箱模型组成；所述进排气系统模型包括涡轮增压器模型、进排气歧管模型和气门模型等子模型；所述气缸模型包括燃烧模型、爆震模型和传热模型等子模型；所述曲轴箱模型包括发动机摩擦模型；所述模型验证指的是模拟值与试验值的相对误差在5%以内。

5.根据权利要求1所述的一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，所述设计变量变化因子指的是设计变量的变化幅度；设计变量的变化结果值等于设计变量原始值与变化因子的乘积；所述设定变量变化因子的范围建议在0.5到1.5之间。

6.根据权利要求1所述的一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，所述限制变量包括客户的动力输出需求和发动机实际工作条件的限制。

7.根据权利要求1所述的一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，所述目标最小值优化计算采用试验设计（doe）方法；具体为，首先通过涡轮增压天然气发动机一维热力学模型计算得到试验样本数据，接下来通过多项式回归方法来拟合试验样本数据以获得响应面模型，最后基于响应面模型，通过遗传算法进行有约束条件的目标最小值优化计算；所述响应面模型的自变量为设计变量，因变量为限制变量和目标变量。

8.根据权利要求1所述的一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，其特征在于，所述最佳设计方案是比气耗处于最小值时确定的几何压缩比、进气门关闭时刻以及增压器压气机map图；所述最佳设计方案需要通过涡轮增压天然气发动机一维热力学模型来验证。

技术总结本发明公开了一种提高理论循环效率的天然气发动机比气耗降低方法，包括以下步骤：获取涡轮增压天然气发动机的基本信息和外特性台架试验数据；建立一维热力学模型并验证；选取发动机几何压缩比、进气门关闭时刻和涡轮增压器压气机增压比、流量、转速及等熵效率等变化因子作为设计变量；选取发动机进气流量、扭矩、功率、最大爆发压力、爆震指数和排气温度作为限制变量；选取发动机比气耗作为目标变量，进行目标最小值优化计算，确定最佳设计方案。该方法能够指导研发人员根据客户需要的发动机动力输出需求，在实际工作条件的限制下合理匹配发动机的几何压缩比、进气门升程曲线和涡轮增压器压气机map图，以最大化理论循环效率并减少碳排放。技术研发人员：黄豪中,邢孔钊,王毅受保护的技术使用者：广西大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20