燃气发电机组发动机性能仿真优化研究

李辉

青岛华丰伟业电力科技工程有限公司，266100

【摘要】近些年，国家正在大力推广分布式能源，移动充电电源和汽车电动化实现了飞速发展，而且楼宇备用电源、5G基站、数据中心等电力需求越来越大，这也对发电机组用内燃机提出了更多更高的要求。但由于燃气内燃机的开发成本较高，所以直接改装车用燃气内燃机进行应用。但实际在应用时受到多方面因素的制约，需要采用先进的仿真优化措施，对原车用的燃气发动机结构参与进行分析优化，使发电内燃机的可靠性、有效热效率和气耗得到有效改善。

【关键词】建模仿真；燃气发电机；发动机性能

目前，我国的供电方式主要是柴油发电和火力发电，但两种鞥方式碳排放量较大，对化石燃料的依赖度较高，而且无法充分利用预热，在输送能源的过程中会产生大量的损失。近些年广泛应用的燃气发电机组，是适应市场新环境和世界环保要求开发的一种新型发电机组，燃气轮机功率的大小，适用小型分布式电站或中大型电站，是取代燃煤机组和新型绿色环保动力。 作为一种将其他形式进行能转化的机器，发动机（Engine）包含了电动机、喷气发动机、外燃机、内燃机等。本文就针对内燃机的参数仿真优化展开研究，旨在进一步改善燃气发电机组发动机的综合性能。

一、燃气发电机组发动机性能仿真常用方法

（一）有限差分法

    有限差分法是一种基于差分原理的数值解法方法，它用网格将求解区域进行分解，再用有限个网格节点上将微分公式中的微商用差商代替，推导成差分方程组，最后将原问题求出解值。这种方法已已经经历了较长时间的发展，相对成熟，且简单、灵活、应用广泛。

（二）有限容积法

    有限容积法又称有限体积法，被广泛地应用于内燃机仿真的各个软件，如GT power, FLUENT等一维三维软件，它的基本原理是将内燃机所需计算区域划分成不同的体积，并对划分的每个体积进行积分，并得到离散方程。此方法能简便地处理内燃机系统边界问题，同时达到较高的精度，并在流固耦合分析时能和有限元法完美融合。但是在计算非结构网格等复杂的问题时，会产生较大的误差。

（三）有限元法

有限元法是一种求解偏微分方程的数值解法方法。它将整个求解区域分解成若干个简单的有限元，通过变分方法将误差函数接近最小值直到产生稳定解，然后将若干个有限元用方程联系起来用于计算更大的区域问题。此方法较其他方法精度高，被应用于流体力学、固体力学、传热以及电磁场等领域。

二、燃气发电用发动机性能仿真优化实践

（一）仿真优化流程

燃气发电用发动机性能仿真优化主要的工作流程如下：第一，两种压缩比改变方案对发动机性能的影响分析。第二，在确定好的压缩比改进方案后对不同压缩比下不同进气持续期对发动机性能影响进行分析。第三，第2步的基础上进行不同压缩比下进、排气相位的DoE优化分析。第四，第3步的基础上应该确定一个最佳配气相位，进行不同压缩比下发动机的点火提前角优化分析。第五，在以上发动机结构参数优化后的基础上，对发动机进行增压器匹配优化。第六，在以上发动机结构参数优化后的基础上，对发动机进行增压器匹配优化。对比分析原方案(压缩比12，原进气持续期，原进排气相位、原点火提前角、原增压器)与优化后的功率、气耗、排温和爆发压力等。详情见图1所示。

图1  仿真优化流程图

（二）进气持续期的影响分析

    遵循单因素法原理选取有限的进气持续期，并考察其在不同压缩比下对内燃机性能的影响。如图2所示，进气持续期的增大是通过改变进气角度倍增系数，保持进气提前角不变，推迟进气迟闭角，增大空气流量，从而提高充量系数。

图2 不同角度倍增系数下近期型线对比图

    在进排气凸轮相位角不变的前提下，随着进气持续期增加，在150Or/min三种不同压缩比下，发动机性能随进气持续期的变化规律，如图3所示。其中图(a)随着进气持续期增加，功率逐渐下降，在进气角度系数增加到1.2时，压缩比越大，功率下降得越快。从图(b)可看出随着进气持续期增加，功率逐渐下降，在进气角度倍增系数为1.2时，压缩比越大，燃气消耗率上升得越快。图(c)随着进气角度持续期的增加，进气量越小。这是因为气缸进气时，受进气阻力的影响，在活塞到达下止点时，缸内的压力仍小于大气压，仍能继续进气，随着活塞经过下止点向上压缩时，气缸压力逐渐增大，进气气流逐渐变小至零，此时的进气滞后角为最佳。当进气凸轮角不变时，进气持续期增大，进气滞后角也不断增大，当进气滞后角过大时，在活塞向上压缩时，气缸内的气体重新又压回进气管，导致进气量减少。图(d)随着压缩比的增大导致燃烧室面积增加，导致发动机缸内最大爆发压力逐渐增大，但随着进气持续期的增大，缸内最大爆发压力不断地减小。

图3  不同压缩比和进气持续期下对发动机性能影响

（三）进排气相位的影响

发动机配气相位与发动机经济性、动力性等各项性能息息相关。配气相位表示发动机进、排气开启和关闭时刻，合适的配气相位使得发动机在进气过程中，燃料和新鲜气体充分进入气缸，排气过程时使产生的废气彻底地排出。DoE主要是基于统计学原理合理安排试验、取得试验数据，从而取得最佳优化方案的一种研究多因素多水平的优化设计方法。由于只需在1500rpm单一工况下进行优化，本文采用DoE全因子法，此方法比其他方法获得信息更多。通过对该发动机进排气过程计算后，在上文进气持续期优化的基础下，选取最优进气持续期角度倍增器系数为1时，不改变进、排气气门升程曲线，只改变进、排气相位的情况下，最终确定优化范围为表1所示。

表1  变量因子初始值和优化范围

变量因子	初始值	优化范围
排气凸轮正时角/oCA	125	110-135
进气凸轮正时角/oCA	336	321-346
压缩比	12	12-14

    最终得出在原机压缩比为12，进气凸轮正时角为326oCA，排气凸轮正时角为120oCA时，得到最优配气相位方案，相比原机配气相位功率提升了0.44kW，燃气消耗率下降了0.6g/ (kW·h)，动力性以及经济性提升的幅度都较小。通过将原机的压缩比提高到13和14，同样在进气凸轮正时角为326oCA，排气凸轮正时角为120oCA时，得到最优配气相位方案，功率分别提升了1.88kW, 2.75kW燃气消耗率下降了2.1g/(kW·h), 3.0g/(kW·h)。从中可以看出压缩比增大，发动机的功率高效率区越大，燃气消耗率低消耗率区越大。这是因为压缩比增大，在发动机活塞行程不变的条件下缸内做功过程中燃烧容积变小，从而缸内最大爆发压力和温度变高，因此发动机的动力性越大，经济性越好。

（四）点火提前角的影响

    发动机燃烧损失主要与点火提前角的控制有关，不同工况都对应着不同的最佳点火时刻。点火提前角提前过早和推迟过后都会导致发动机达不到最佳性能，过早会使缸内最大爆发压力过高产生爆震，过后会导致涡前排气温度过高影响发动机可靠性。对于1500rpm单工况下，需要找到对应最佳合适的点火提前角来提高发动机性能在不同压缩比下，随着点火提前角的推迟，内燃机的功率不断增大，燃气消耗率不断减小，随着点火提前角的推迟，缸内最大爆发压力不断减小，涡前排温不断增大。根据最终分析，说明适当的推迟点火提前角，可使发动机每循环所做的机械功最多，还可以降低缸内爆发压力过大导致缸内爆震的风险。

    三、结论

综上所述，本文基于一维三维仿真理论进行发动机性能仿真建模，利用GT Power软件开展一维建模，并对两种压缩比改变方式进行了研究，明确了对整机性能来说，增压匹配、点火提前角、排气相位、进气相位、进气持续期的实际情况，分析了发动机进气不均匀度和进气歧管进气压力差，并提出了优化方案。

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