天燃氣發動機排氣管優化分析

李國紅 王亮

摘要：本文圍繞市場的一款天燃氣發動機出現故障的排氣管進行結構設計優化和仿真分析，通過仿真分析表明，加大排氣管的壁厚。增加法蘭厚度以及在排氣管上布置筋條，均可有效的提高排氣管的可靠性，文中所優化的兩款排氣管都可滿足設計目標，能有效的解決市場出現的問題。

關鍵詞：天然氣;排氣管;應力分析;最高溫度

中圖分類號：U464.174? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0091-03

0? 引言

近年來，我國的經濟高速發展，對石油的需求越來越大，由此產生了能源短缺和環境污染問題。中國石油集團經濟技術研究院發布的《2018年國內外油氣行業發展報告》稱，2018年中國的石油進口量為4.4億噸，同比增長 11%，石油對外依存度升至69.8%，已嚴重影響到我國的能源安全。作為用油大戶的汽車行業，近幾年也獲得快速發展。到2018年底，我國的汽車保有量已達到2.4億輛，汽車消耗了大量的石油，同時也排放了大量的污染物。為緩解石油短缺帶來的問題，改善大氣環境，發展天然氣汽車和發動機是一個有效的替代方案[1]。

滿足國六排放標準的天然氣發動機在采用當量燃燒路線后，缸內溫度比稀燃路線下的溫度高，爆燃邊界變窄;高增壓、降轉速使其向高功率密度和高負荷方向發展[2]。在升功率提升的同時，天然氣的發動機的熱負荷會越來越大，這勢必會對排氣管的結構設計帶來巨大的挑戰，本文作者圍繞市場出現的一款發動機排氣管斷裂的故障現象，針對現有故障件進行結構優化，排氣管的結構參數差異如表1所示，同時開展CAE仿真分析，以便需求更優的結構。

1? 計算模型

有限元模型包括氣缸蓋、排氣管、渦后接管、渦后接管支架、排氣管墊片、增壓器底座、螺栓。氣缸蓋、排氣管、增壓器座、墊片用SimLab劃分網格，螺栓用HyperMesh劃分網格，在FIRE中計算內流場的溫度，通過映射程序獲取熱邊界，在Abaqus里施加邊界條件，最后用Abaqus求解。

進行溫度場計算時，墊片采用DC3D6單元，實體采用DC3D10單元。進行強度計算時，墊片采用GK3D12M單元，實體采用C3D10M單元。其有限元模型如圖1所示。

2? 計算邊界

2.1 溫度場分析

排氣管內壁及缸蓋排氣道內壁由流體CFD計算提供映射邊界。水套、缸蓋油道、缸蓋進氣道、缸蓋火力岸、排氣管和缸蓋外壁面的溫度和換熱系數按照經驗施加;同時設置輻射溫度和系數。

2.2 帶熱負荷的靜力分析

①溫度場分析結果作為溫度邊界輸入;

②螺栓軸力：根據工藝試驗可知，M10的排氣管螺栓擰緊力矩為60～70N·m，強度計算取上限值;增壓器螺栓為M12螺栓，擰緊力矩為110N·m，則對應的螺栓軸力為：

③增壓器質量為13.8kg，在增壓器質心處按照上下左右前后方向分別施加一定倍數的重力加速度。

2.3 約束施加

溫度場分析不施加位移約束，靜力分析時，缸蓋封火圈位置、機體頂面缸套安裝臺階面約束上下方向（Y向）;缸蓋截面Z方向采用對稱約束;機體頂面左右分割線上若干點約束左右方向（Z向）;缸蓋底面前后中間分割線、機體頂面前后中間分割線上若干點約束前后方向（X向）。

3? 計算結果與分析

3.1 溫度場計算結果

從溫度場云圖圖2-圖4可以看出，高溫區域主要分布在增壓器到EGR取氣口之間，對應是故障位置，兩種方案最高溫值區別不大，方案1稍小于方案2，但兩種結構的排氣管最高溫度均滿足設計目標要求。

3.2 應力計算結果

從應力云圖圖5對比，大板筋附近的應力值方案1稍小于方案2。

3.3 高周疲勞計算結果

將應力分析結果文件導入到FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進行高周疲勞求解。

從圖6排氣管高周疲勞結果對比來看，大板筋附近安全系數相當，兩種結構的差異不大，疲勞安全系數均滿足設計要求。

4? 結論

通過對兩個排氣管進行最高溫度、應力分析，高周疲勞分析，最終結果如表2所示。

①兩個方案最高溫度相差很小，均合格;②三個方案最小安全系數也相差很小，均合格;③從應力云圖上分析，五六缸大板筋及周圍的應力對比，SF1優于SF2。

參考文獻：

[1]陳本林，等.國六排放天然氣發動機開發[J].汽車工程學報，2021，11（1）.

[2]蔣德明.內燃機燃燒與排放學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[3]曾麗麗，等.天然氣發動機爆燃仿真分析與試驗研究[J].汽車與新動力，2020.