某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)混合器芯優(yōu)化研究

吳宇波

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)混合器芯優(yōu)化研究

吳宇波

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

作為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，混合器在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能，其中，混合器芯的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。針對(duì)某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的混合器芯開展優(yōu)化研究，通過仿真計(jì)算天然氣與空氣的混合效果，以及通過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，比較了原混合器芯設(shè)計(jì)方案和3種優(yōu)化方案的差異。最后，通過綜合評(píng)價(jià)4款混合器芯的優(yōu)勢和劣勢，得出最終優(yōu)化方案。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)混合器芯仿真性能試驗(yàn)

1　引言

發(fā)展清潔能源已成為國家戰(zhàn)略，而天然氣以清潔、安全、高效、儲(chǔ)藏量大、排放性能優(yōu)異的特點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中，混合器作為重要零部件，在很大程度上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。本文針對(duì)某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的混合器現(xiàn)狀，結(jié)合仿真計(jì)算與試驗(yàn)研究，對(duì)混合器的核心組成——混合器芯開展優(yōu)化研究，通過分析混合器芯對(duì)爆震的影響，并結(jié)合混合器芯的氣體流動(dòng)阻力、制造成本等因素，選出最佳方案。

2　天然氣混合器的現(xiàn)狀及存在問題

顧名思義，天然氣混合器是將天然氣與空氣進(jìn)行混合的裝置。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)混合器分為兩種：比例式混合器和Venturi式混合器。比例式混合器內(nèi)有膜片和彈簧，能夠根據(jù)空氣的壓力和流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)天然氣的進(jìn)氣量，比例式混合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、價(jià)格貴。而Venturi式混合器由混合器體和混合器芯兩部分構(gòu)成，如圖1所示。Venturi式混合器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，越來越多地應(yīng)用在閉環(huán)控制系統(tǒng)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上。Venturi式混合器，設(shè)計(jì)的核心在混合器芯，其決定了天然氣與空氣的混合效果。

圖1　Venturi式混合器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，排量11.8 L，主要用于匹配最大總質(zhì)量為55 t的重型卡車，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2目前存在的問題

該重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Venturi式混合器，在開展發(fā)動(dòng)機(jī)全速全負(fù)荷工況下的可靠性試驗(yàn)過程中，某缸活塞發(fā)生了熔頂。通過對(duì)故障的分析，認(rèn)為活塞燃燒室存在設(shè)計(jì)隱患，但不排除因天然氣與空氣混合不均勻，使得該氣缸天然氣偏濃、爆震傾向明顯，最終導(dǎo)致活塞熔頂?shù)目赡苄浴?/p>

預(yù)混合式的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣與空氣在進(jìn)氣歧管上游混合后，通過進(jìn)氣歧管進(jìn)入各氣缸。當(dāng)天然氣與空氣混合良好時(shí)，雖然各缸的充氣效率不同，存在個(gè)別氣缸進(jìn)氣量大、個(gè)別氣缸進(jìn)氣量小的差異，但是各氣缸的天然氣濃度幾乎相同。由于發(fā)動(dòng)機(jī)ECU對(duì)每缸的點(diǎn)火提前角標(biāo)定是相同的，在確定的工況下，各氣缸火花塞的點(diǎn)火時(shí)刻是相同的。倘若天然氣與空氣混合不均勻，會(huì)導(dǎo)致有些氣缸天然氣偏濃，有些氣缸天然氣偏稀。對(duì)于天然氣偏濃的氣缸，在點(diǎn)火提前角不改變的前提下，該氣缸的爆震傾向加劇，加大活塞熔頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)在重負(fù)荷工況下長時(shí)間運(yùn)行時(shí)。

因此，為了改善天然氣與空氣的混合效果、提高天然氣與空氣混合均勻性、降低發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的風(fēng)險(xiǎn)、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，十分有必要針對(duì)Venturi式混合器的混合器芯的結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化研究，從而設(shè)計(jì)出一款適合該重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的混合器芯。原混合器芯參數(shù)如表2所示，結(jié)構(gòu)如圖2中方案A所示。

3　Venturi式混合器芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于原混合器芯（方案A）在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了3種優(yōu)化改進(jìn)方案，分別為方案B、方案C和方案D，如圖2所示。這4款混合器芯的主要參數(shù)如表3所示。

4　仿真計(jì)算

本文利用STAR-CCM+軟件，對(duì)4款混合器芯的混合效果進(jìn)行仿真計(jì)算。STAR-CCM+軟件是一款采用最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)開發(fā)的新一代CFD求解器［1］，具有界面友好、靈活的3D-CAD建模和CAE集成功能、對(duì)幾何結(jié)構(gòu)可自動(dòng)和手動(dòng)修復(fù)、可接受多面網(wǎng)格、具有包面功能、大規(guī)模并行計(jì)算能力等特點(diǎn)。

4.1建立模型及邊界條件

圖24　款混合器芯方案

表3　混合器芯主要參數(shù)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將混合器體與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣彎管設(shè)計(jì)為一體，混合器芯直接安裝于進(jìn)氣彎管內(nèi)，如圖3所示。

圖3　混合器芯安裝于進(jìn)氣彎管的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電子節(jié)氣門開度，對(duì)電子節(jié)氣門進(jìn)行模型簡化，并針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況和額定工況，建立混合器芯、進(jìn)氣彎管以及電子節(jié)氣門的仿真模型。開展氣體混合效果仿真計(jì)算時(shí)，邊界條件如表4所示。混合器芯仿真模型如圖4所示，方案B、方案C和方案D對(duì)應(yīng)的仿真模型基于圖4的基礎(chǔ)上替換相應(yīng)的混合器芯。

4.2仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型以及邊界條件，4款混合器芯（如圖2所示）的天然氣與空氣混合效果的仿真計(jì)算結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖4　混合器芯仿真模型

表4　邊界條件

圖5　b-b截面氣體混合效果圖

比較b-b、c-c、d-d截面的混合效果圖可知，通過設(shè)計(jì)徑向天然氣進(jìn)氣通道、可以促進(jìn)空氣流中心區(qū)域的天然氣進(jìn)氣，能夠增強(qiáng)天然氣與空氣的混合效果。從進(jìn)氣彎管的出口處（d-d截面）看，原方案A和方案D氣體混合較為均勻，尤其是方案A、方案B和方案C混合均勻性比較差。

圖6　c-c截面氣體混合效果圖

圖7　d-d截面氣體混合效果圖

圖8　最大扭矩工況下f-f截面氣體混合效果

圖9　額定工況下f-f截面氣體混合效果

分析f-f截面的混合效果圖（圖8和圖9），由于節(jié)氣門蝶閥開度的不同，造成了節(jié)氣門后空氣擾流程度差異：額定工況下，節(jié)氣門蝶閥開度小，節(jié)氣門后空氣擾流劇烈，而最大扭矩工況下，節(jié)氣門蝶閥開度大，節(jié)氣門后空氣擾流減弱。在空氣擾流程度劇烈的工況下，天然氣與空氣混合得較好，反之亦然。因此，比較最大扭矩工況和額定工況下各截面的氣體混合效果圖可知，額定工況下的天然氣與空氣混合效果優(yōu)于最大扭矩工況，在額定工況下，天然氣與空氣混合得更為均勻。

通過天然氣與空氣的混合效果仿真可知，通過增強(qiáng)混合氣體的擾流程度，可以提高天然氣與空氣的混合效果。

通過仿真，還計(jì)算了混合器芯入口和出口的壓力損失（a-a截面和b-b截面），如表5所示。

表5　混合器入口處與出口處的壓力損失

5　試驗(yàn)研究

5.1試驗(yàn)條件

將4款混合器芯（原混合器芯和三種優(yōu)化方案）安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)行爆震對(duì)比試驗(yàn)，如圖10所示。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)受進(jìn)氣溫度的變化影響較大，當(dāng)進(jìn)氣溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的趨勢也加劇，尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度超過75℃以后，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的風(fēng)險(xiǎn)大幅度增加、扭矩明顯降低、燃料經(jīng)濟(jì)惡化。因此要求天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度一般不超過65℃。

為了更客觀地反映發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的爆震程度，將爆震程度分為4個(gè)等級(jí)，具體如表6所示。

圖10　混合器芯安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上

表6　爆震程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了較全面地評(píng)估不同的混合器芯對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的影響，利用現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備，在進(jìn)氣溫度分別為50℃和55℃條件下、利用燃燒分析儀，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的第1缸和第5缸進(jìn)行爆震檢測。試驗(yàn)時(shí)，分別將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況設(shè)定為額定工況和最大扭矩工況。

在最大扭矩工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)中冷后溫度分別設(shè)定為50℃和55℃，第1缸和第5缸各款混合器芯的爆震情況如圖11和圖12所示。在額定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)中冷后溫度分別設(shè)定為50℃和55℃，第1缸和第5缸各款混合器芯的爆震情況如圖13和圖14所示。

5.2試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）爆震風(fēng)險(xiǎn)分析

圖11　最大扭矩工況時(shí)第1缸爆震情況

圖14　額定工況時(shí)第5缸爆震情況

對(duì)圖11～圖14進(jìn)行分析，可以得出不同工況、不同進(jìn)氣溫度下，不同混合器芯對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的影響程度，如表7所示。

為了定量評(píng)估各混合器芯對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向的影響，將表6定義的各爆震等級(jí)，分別用數(shù)值0、1、3、5表示：無爆震對(duì)應(yīng)0，偶發(fā)爆震對(duì)應(yīng)1，較少爆震對(duì)應(yīng)3，嚴(yán)重爆震對(duì)應(yīng)5。統(tǒng)計(jì)表7中各爆震等級(jí)，可以得到每一款混合器芯的總爆震傾向，如表8所示。數(shù)值越高，使用該款混合器芯的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的總體爆震傾向就越顯著，爆震風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

表84　款混合器芯的總爆震傾向

由表8可知，方案C的爆震傾向最嚴(yán)重，發(fā)動(dòng)機(jī)最容易發(fā)生爆震；方案B的爆震傾向次之；原方案A的爆震傾向再次之；方案D的爆震傾向最小，使用方案D混合器芯，發(fā)動(dòng)機(jī)最不容易發(fā)生爆震。

（2）氣體流動(dòng)阻力分析

為了提高氣缸內(nèi)的空氣進(jìn)氣量、增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，要求空氣進(jìn)入氣缸前的阻力越小越好。對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣供氣控制模式往往采用閉環(huán)控制，天然氣噴射量嚴(yán)格按照標(biāo)定的空燃比噴射。當(dāng)空氣進(jìn)氣量減小時(shí)，天然氣噴射量也相應(yīng)減小，發(fā)動(dòng)機(jī)功率明顯下降。因此，在評(píng)價(jià)混合器芯時(shí)，混合器芯的阻力也是關(guān)注環(huán)節(jié)之一。

受試驗(yàn)條件的限制，在試驗(yàn)過程中，未能測量混合器芯入口處的壓力。開展混合器芯的流動(dòng)阻力分析時(shí)，采用了仿真計(jì)算方式，對(duì)混合器芯的入口處空氣與出口處混合燃?xì)獾膲毫Σ钸M(jìn)行了計(jì)算，如表5所示。可見，方案C的阻力最大，方案A次之，方案D再次之，方案B的阻力最小。

（3）對(duì)噴嘴使用壽命的影響分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鈬娚淇刂剖鞘荛]環(huán)控制，相同工況下，四種方案的混合器芯安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀牧繋缀跸嗤Ｓ捎诨旌掀餍窘Y(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鈬娚溲b置出口的體積流量差異。為了便于比較和分析，將發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣的質(zhì)量流量換算成混合器入口處的天然氣體積流量，如圖15所示。

圖15　混合器入口處天然氣體積流量

由圖15可知，在4款混合器芯中，方案B對(duì)應(yīng)的混合器入口處天然氣體積流量小；方案A、方案C和方案D的混合器入口處天然氣體積流量幾乎相同。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚淇刂蒲b置采用電磁噴嘴，流經(jīng)噴嘴的天然氣體積流量越大，噴嘴開啟脈寬就越長，反之亦然。從噴嘴使用壽命看，基于相同的燃?xì)庀牧浚诎l(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，噴嘴開啟脈寬長不利于噴嘴的使用壽命。

（4）制造難易程度及成本分析

混合器芯的制造難易程度決定了其成本和價(jià)格。由表3和圖2可知，4款混合器芯，方案B結(jié)構(gòu)最簡單，制造難度最小，成本和價(jià)格最低；方案D次之；方案A和方案C結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，制造難度最大，成本和價(jià)格最高。

通過分析爆震風(fēng)險(xiǎn)、氣體流動(dòng)阻力、對(duì)噴嘴使用壽命的影響、制造難易程度及成本這5種屬性可知，4款混合器芯各有優(yōu)劣。

采用因果矩陣圖比較4款混合器芯的綜合性能，如表9所示。在這5種屬性中，爆震風(fēng)險(xiǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響最大，會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，其重要性最高；氣體流動(dòng)阻力的重要性次之，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出的扭矩或功率常常決定了車輛在使用過程中的低速性能，在設(shè)計(jì)混合器芯時(shí)也是需要考慮混合器芯的氣體流動(dòng)阻力；發(fā)動(dòng)機(jī)在匹配燃?xì)鈬娚溲b置時(shí)，往往已經(jīng)考慮了電磁噴嘴的使用壽命，且電磁噴嘴的開啟脈寬均有較大的余量，電磁噴嘴開啟脈寬的重要性再次之；混合器芯的制造難易程度通常決定著零件在生產(chǎn)過程中是否容易出錯(cuò)及其制造周期，其重要性與電磁噴嘴的開啟脈寬相當(dāng)；由于4款混合器芯均采用普通的鋁件材料，體積小巧，在發(fā)動(dòng)機(jī)整體價(jià)格中，混合器芯的成本可忽略不計(jì)，因此成本屬性的重要性很小。

表94　款混合器芯的因果矩陣圖

利用因果矩陣圖，從五個(gè)方面進(jìn)行分析，根據(jù)表9可知，方案D為最佳設(shè)計(jì)方案。

另外，通過爆震檢測試驗(yàn)可知：該發(fā)動(dòng)機(jī)的第1缸與第5缸的燃燒情況差異較大，第1缸的燃燒劇烈程度高于第5缸。在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下，無論是第1缸還是第5缸，其燃燒劇烈程度均小于最大扭矩工況。隨著燃燒劇烈程度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。燃燒劇烈程度和爆震風(fēng)險(xiǎn)受天然氣混合效果影響明顯，與仿真計(jì)算的結(jié)果非常吻合。

6　結(jié)論

針對(duì)某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通過對(duì)不同混合器芯進(jìn)行了天然氣與空氣混合效果的仿真計(jì)算，了解了天然氣與空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)混合器殼體（即進(jìn)氣彎管）內(nèi)的流場分布，并通過試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）天然氣與空氣混合后，進(jìn)入進(jìn)氣歧管，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)自由端的混合氣體中天然氣偏濃，而靠近飛輪端的混合氣體中天然氣偏稀，使得第1缸的爆震風(fēng)險(xiǎn)高于第5缸。

（2）節(jié)氣門蝶閥對(duì)空氣產(chǎn)生擾流作用明顯，節(jié)氣門開度越大，擾流程度就越低，天然氣與空氣混合效果越差，天然氣與空氣混合越不均勻。

（3）可以通過增強(qiáng)天然氣與空氣的擾流，促進(jìn)天然氣與空氣的混合，使得進(jìn)入各氣缸的混合氣更加均勻。

（4）設(shè)計(jì)混合器芯時(shí)，最好有徑向天然氣的進(jìn)氣通道，以加強(qiáng)天然氣從空氣氣流中心區(qū)域進(jìn)氣，促進(jìn)天然氣與空氣的混合。

（5）設(shè)計(jì)混合器芯時(shí)，不但要考慮天然氣與空氣的混合效果，也應(yīng)該考慮混合器芯的氣體流動(dòng)阻力、制造成本等因素。

針對(duì)本文得出的混合器芯的最佳方案，在混合器芯出口處下游，設(shè)計(jì)擾流機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)天然氣與空氣的混合，再開展發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)第1缸與第5缸的燃燒劇烈程度和發(fā)生爆震的風(fēng)險(xiǎn)，從而使天然氣與空氣的混合效果達(dá)到最優(yōu)。

［1］邱靜，王國志，李玉輝.基于STAR-CCM+的簡單流體模型CFD研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2010（10）.

The Optimization and Reseach of Mixer Core for Heavy-duty Natural Gas Engine

Wu Yubo
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.Shanghai 200438，China）

As an important element for nat ure gas engine，mixer a large extent affects the use performance of natural gas engine，and mixer core as design key.This paper researches to optimize the mixer core for a heavy-duty natural gas engine，by simulating the mixing effect of natural gas and air，engine test，and comparing the differences between the original mixer core and three new solutions.At last，the best choice comes out，after estimating the advantages and disadvantages of each mixer core comprehensive.

natural gas engine，mixer core，simulation，performance test

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.003

來稿日期：2016-05-26

吳宇波（1982.10-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樘烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用。