LNG/柴油雙燃料發動機混合器的設計與優化研究

趙小興，潘志翔,李 遲

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

LNG/柴油雙燃料發動機燃氣的供給是關鍵技術[1]。對于單點噴射的雙燃料發動機和燃氣發動機混合器的優化設計是至關重要的，若天然氣與空氣混合不均勻，經進氣管分配進各缸的燃氣量也不一樣，甚至同一缸不同循環間燃氣量也不一樣，造成發動機循環變動率大，引起異常燃燒、熱負荷升高、排放差、相應零部件壽命降低等問題[2]。

美國IMPCO公司最先進行混合器的深度設計，最早研發出的膜片式混合器能夠完美匹配發動機，但是該混合器導致發動機的排氣溫度較高[3]。Xu Boyan和MikioFuruyama利用紋影技術研究空氣、甲烷混合機理得到了2種氣體的流動情況，氣體流道和節流口對氣體混合的影響，并得到了2種氣體均勻混合的條件。在國內，湖北武漢東風商用車技術中心的賈李水、張宏飛利用仿真軟件得到以下結論：增加混合距離、混合擾動在改善混合均勻度的同時也增加了壓力損失；增加混合擾動在保證混合均勻度滿足要求下可以縮短混合距離，通過臺架試驗證明混合氣的均勻性直接影響發動機各缸排氣溫度一致性，是燃氣發動機循環變動量大小的重要因子[4]。

圖1為原機混合器，圖2為發動機在不同的轉速下各缸排氣溫度變化曲線。從圖2可以看出在不同的轉速下發動機的各缸排氣溫度有所差異，尤其是在低轉速下發動機的各缸排氣溫度差異較大，1缸、2缸排氣溫度明顯高于其它缸，這就說明混合器混合不均勻，更多的燃氣進入前兩缸，造成發動機燃燒異常，使得發動機整體性能下降，因此優化混合器的設計使燃氣更均勻的分配到各個缸是有必要的。

圖1 原機混合器

圖2 原機混合器發動機各缸排氣溫度

1 混合器的設計

本文擬針對Z6170ZLCZ-19設計一動態混合器，結合圖3、圖4介紹其工作原理。該混合器由7部分組成。混合器的空氣流道接渦輪增壓器的排氣端，混合氣體流道接發動機進氣道。具有壓力的天然氣從天然氣進氣管進入整流總管，之后在整流支管的小孔處噴入混合器內部腔室。該混合器設有3根整流支管，相互夾角為120°，由于整流支管的小孔是單側開孔，天然氣噴出后會產生相反的作用力，帶動整個整流總管轉動，整流總管的兩端有軸承相連，軸承安置在軸承座內，軸承座用3根支架支撐，天然氣進氣管和整流管連接處有凸臺，用于連接軸承座和進氣管。當整流支管開始轉動后，一方面能夠使噴入到混合器腔室內的天然氣更加均勻，另外一方面，整流管的轉動會對氣體有一定的攪拌作用，防止空氣和天然氣密度不同而產生分層，影響混合氣體的混合效果。

圖3 混合器結構示意圖

圖4 混合器實物圖

2 混合器的氣體混合功能仿真分析

混合器計算模型是對實物模型的簡化模型，如圖5所示。本文中的混合器主要考慮其混合性能，因此混合器的計算模型可以只考慮混合器的混合腔室和整流管，其他部分結構可以省略[5]。由于該混合器的設計思路是將混合器安裝在渦輪增壓器后，發動機進氣道前，因此將混合器的出口拉伸500 mm，用于模擬發動機進氣道內燃氣的分布。

圖5 混合器仿真模型處理

混合器混合腔室內，涉及到整流管的轉動攪拌，流動比較復雜，天然氣和空氣的流速較大，2種氣體在流動的過程中發生劇烈的混合。其雷諾數Re為：

(1)

式中：ρ為流體密度；v為流體的速度；d為管道直徑；μ為黏性系數，其中氣體黏性系數μ可以通過薩瑟蘭公式求得：

(2)

式中：B為常數，110.4 K；T0和μ0為參考溫度和參考黏性系數；T為室溫參數。

求得雷諾數：

雷諾數較高，可以選擇工程流體計算中適用最廣泛、經濟且有一定精度的standard k-epsilon模型[6]。

選取發動機負荷特性90%工況點，觀察該工況下混合器的混合功能。此時在不考慮壓力損失的情況下天然氣進口的壓力設定為0.50 MPa，空氣的進口壓力設置為0.19 MPa，參數設定完成后進行計算。

2.1 網格無關性驗證

由于混合器模擬關注的是甲烷濃度分布情況，因此選定混合器出口截面的甲烷濃度分布進行網格無關性驗證。在混合器的出口截面沿著半徑方向選取3個點，其坐標分別為P1(0，-32，40)，P2(0，-34，40)，P3(0，-36，40)，通過仿真計算觀察不同網格數量下，各個點的甲烷濃度值的變化，計算網格數見表1。

表1 計算網格數

通過計算得到混合器出口截面3個點在4種網格數量下的濃度值，如圖6所示。

圖6 網格無關性驗證結果

從圖6可以看出，當網格的數量由31萬個增加到65萬個時，出口截面上選取的3個點濃度值變化很小，說明所設置的網格數量對計算結果影響很小，可以認為31萬個網格已經通過網格無關性驗證，因此可以取35萬個網格作為計算結果。

2.2 與原機混合器對比分析

本文所設計的新型混合器，改變了原混合器的結構以及工作原理，其空氣流道、混合氣體流道、天然氣進氣管尺寸與原機混合器相同。選取同樣的工況點對2種不同的混合器的混合功能進行仿真分析，新型混合器的混合效果更好。2種混合器有一些共同特點，越遠離噴孔其甲烷分布越均勻，越靠近內壁面甲烷濃度越高。由此可以得出結論，天然氣在管道內逐漸從四周向管道中心擴散，且距離噴孔越遠擴散越充分。

2種混合器都選取500 mm截面，在此截面上對天然氣在混合器腔室內的分布情況進行研究。在500 mm截面沿半徑方向選取A、B2個參考點，沿A(0,0,500)與B(0,38,500)作一條參考線，在參考線AB上等距離選取5個點，計算每個點的甲烷濃度值如圖7。

圖7 2種混合器在500 mm截面沿半徑方向甲烷質量分數對比

從圖7可以看出，本文所設計的新型混合器其混合功能在仿真計算上要優于原機混合器。在500 mm截面處新型混合器的腔室中心到腔室內壁，其甲烷質量分數變化范圍約為0.035 0～0.052 0，波動率為33%；原機混合器其質量分數變化范圍約為0.001 5～0.071 0，波動率高達98%，遠大于新型混合器的濃度波動范圍。

3 發動機臺架試驗

圖8為新型混合器發動機各缸排氣溫度，圖9為原機混合器與新型混合器排氣溫度極差對比，圖10為原機混合器與新型混合器發動機外特性曲線對比。

圖8 新型混合器發動機各缸排氣溫度

圖9 2種混合器排氣溫度極差對比

圖10 2種混合器發動機外特性曲線對比

由圖9可得，各缸排氣溫度極差隨著發動機轉速的增大而降低。新型混合器比原機混合器的排氣溫度更均勻，且能夠提升發動機的動力。新型混合器在低轉速時能縮小各缸排氣溫度極差，使各缸排氣溫度更加均勻。由圖10可得，動力性方面，新型混合器在發動機低轉速時與原機混合器相差不大，但是在發動機高轉速時能夠提高發動機的動力性能，使發動機在相同轉速下輸出更大的功率。

4 結束語

混合器是燃氣發動機與雙燃料發動機中的關鍵部件，混合器的性能直接影響發動機的整體性能。研究表明，燃氣在發動機進氣道是由四周向中心擴散，且進氣道越長擴散效果越好，燃氣分布越均勻。新型混合器與原機混合器相比，能夠提高發動機的動力性、經濟性、可靠性，降低污染物的排放等。新型混合器通過整流支管將燃氣輸送到進氣道的中心，進而使燃氣在進氣道截面分布更均勻。

在發動機低轉速時，2種混合器動力性相差不大，可能是由于發動機低轉速下燃氣和空氣有更長的時間混合；在發動機高轉速下，新型混合器對發動機的動力性影響更大。

整流支管上噴射孔的數量以及噴射孔的尺寸大小對混合效果及發動機動力性的影響還有待進一步研究。