不同工況下進氣模式對燃氣機性能的影響研究

寧德忠, 張松,劉志治, 徐行軍, 譚舒然, 闕文帥, 周曉蓉, 官維*

(1.廣西玉柴機器股份有限公司, 廣西 玉林 537005;2.廣西大學 機械工程學院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

中共中央、國務院在《國家綜合立體交通網規劃綱要》中明確指出:加快推進綠色低碳發展,交通領域二氧化碳排放盡早達峰,因此,交通運輸部門的節能減排將是我國“碳達峰、碳中和”戰略的重要發力點,對我國達成“雙碳”目標有著重要的意義[1]。內燃機是交通運輸、工程機械、農業機械、船舶及軍用車輛等裝置的主要動力源,也是石油的消耗大戶和CO2排放的重要來源。隨著能源的日益枯竭和排放法規的日趨嚴格,尋找清潔的發動機替代能源已迫在眉睫。天然氣因具有含碳低、燃燒清潔度高、儲量大、成本低等特點而一直受到國內外發動機行業的廣泛關注[2-4],是助推發動機行業支撐“雙碳”目標的重要清潔能源。

當前為滿足國六排放標準要求,車用重型天然氣發動機采用當量燃燒與廢氣再循環(exhaust gas recirculation, EGR)組合的排放技術路線已成為天然氣重型卡車市場的主流[5-7]。由于當量燃燒增加了發動機缸內熱負荷和爆震風險,采用高壓冷卻EGR技術后,可以有效降低熱負荷和爆震傾向[8-9],改善發動機關鍵燃燒部件的可靠性同時提升發動機的燃油經濟性。但由于EGR的引入會出現各缸EGR率分配不均勻的現象[10-11],特別是在高EGR率的工況下,當進氣溫度偏低且相對濕度偏大時,進氣系統中的水蒸氣容易形成冷凝水,跟隨混合氣進入各缸缸內燃燒,影響缸內燃燒質量和燃燒均勻性,增加了缸內燃燒惡化的風險[12-13],因此,對于采用當量燃燒與EGR組合排放技術路線的天然氣發動機,需通過對進氣方式的優化來提升發動機的各缸混合均勻性和分配均勻性,最終實現對發動機各缸燃燒均勻性的改善。

目前國內外研究者對發動機各缸進氣均勻性和分配一致性進行了大量的仿真計算和試驗研究。文獻[14]通過運用數值模擬方法對總管和支管2種進氣方式進行分析,結果表征,總管進氣相比支管進氣更容易實現EGR廢氣的均勻分配和2種氣體的混合。文獻[15]對重型天然氣發動機進行了數值模擬計算方法的分析,研究發現,通過將原有的EGR取氣位置變更為總管取氣,同時對進氣腔和混合氣間進氣總管進行了優化,各缸EGR均勻性得到了明顯提高?？梢?EGR系統的優化對EGR氣體的混合均勻性具有重要影響,從而影響發動機各缸均勻性。文獻[16]對天然氣發動機某缸爆壓偏低的問題進行了仿真計算,通過對進氣均勻性和進水均勻性的研究,發現新優化的進氣方案可改善各缸的缸壓均勻性。文獻[17]針對一臺國六天然氣發動機各缸燃燒均勻性差異過大的問題進行了流體力學分析,研究結果表明,EGR從第1缸至第3缸單側引入是造成各缸EGR率分配不均勻的原因,通過對進氣管路的優化,能夠使各缸EGR率均勻性得到有效提高,EGR率相對偏差可控制在5%以內,因此,進氣管路優化對多缸天然氣發動機的各缸燃燒一致性的提升起到關鍵作用。同時,文獻[17]通過開展CFD仿真計算對柴油機EGR分布均勻性影響進行了研究,發現進氣管路的優化設計對EGR分布均勻性影響顯著。上述研究主要針對某一發動機運行工況點或基于仿真計算來分析EGR的分布均勻性和燃燒的一致性,缺乏進氣系統的設計優化對多缸發動機多工況運行區域的燃燒一致性、性能及排放影響的綜合試驗研究,難以判定方案對實際發動機工作過程的影響有效性,因此,本文針對天然氣發動機采用當量燃燒和EGR組合的燃燒排放技術路線存在的各缸燃燒不均勻性問題,開展進氣方式對燃燒過程和性能的影響研究,探討在當量燃燒和EGR組合的技術路線下進氣方式對各缸燃燒均勻性的影響。該研究對國六商用重型天然氣發動機進氣系統開發和對解決當量燃燒帶來的各缸燃燒一致性差問題具有一定的工程指導意義。

1 試驗裝置及研究方法

1.1 試驗裝置

試驗在一臺直列六缸當量比燃燒的國六天然氣發動機上進行,發動機采用單點噴射預混合的燃料供給系統,同時配備有增壓系統和EGR系統。發動機主要技術參數見表1。

表1 發動機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of engine

發動機試驗臺架如圖1所示。試驗裝置主要由發動機、電渦流測功機、臺架測控系統、進排氣系統、燃氣供給系統、傳感器、電子控制單元(electronic control unit, ECU)等部分組成。

圖1 發動機試驗臺架Fig.1 Engine test bench

試驗過程所采用的主要儀器設備及技術參數見表2。

試驗測試過程中測功機、排放分析儀、瞬態質量氣耗儀及溫度壓力采集系統通過控制器局域網(controller area network, CAN)和網線接入自主編寫的數據采集系統,使得各系統的數據上傳周期均為100 ms。ECU可以對EGR、臨界流量文氏管、點火時刻、節氣門進行閉環控制,同時記錄發動機電控系統的各傳感器和執行器的狀態參數。數據采集時間為3 min,為保證數據的可靠性和準確性,取數據的平均值作為試驗結果。通過Kibox燃燒分析儀實時監測缸內壓力、燃燒相位、循環變動以及爆震強度等,Indimodul-612記錄250個循環的缸壓曲線,曲軸轉角每間隔0.5°采集一次缸壓數據。

1.2 研究方法

本研究在一臺點燃式當量比燃燒的天然氣發動機中進行了進氣方式對燃燒特征和性能的影響研究。發動機研究工況為1 100、1 700 r/min轉速下的100%負荷,通過對端面進氣和中置進氣2種進氣狀態進行燃燒過程分析,對比了2種進氣方式下的各缸缸內壓力、燃燒放熱率、缸內燃燒溫度、燃燒相位等燃燒特征參數和性能參數,分析了進氣方式對缸內燃燒均勻性的影響。端面進氣和中置進氣方式結構對比如圖2所示。

(a) 端面進氣

此外,缸內氣體平均溫度可通過理想氣體狀態方程計算獲得

PV=mRT,

式中:P、V分別為發動機氣缸內壓力、容積;m為缸內充量的質量;R為指示氣體常量;T為缸內氣體平均溫度。

2 試驗結果分析

2.1 不同工況下進氣模式對燃燒特征影響

2.1.1 對缸內壓力的影響

圖3、4為端面進氣和中置進氣2種進氣方式分別在低轉速(1 100 r/min)和高轉速(1 700 r/min),100%負荷工況下的缸內壓力變化曲線圖。從圖3、4中可見,端面進氣方式下對應的各缸缸壓差異較大,說明各缸工質混合氣的分配均勻性較差,特別是在高轉速工況下,氣流運動速度快,端面進氣方式容易使混合氣中的水蒸氣更多地被吹掃進入最靠近進氣總管的第6個氣缸中,導致該缸的燃燒速度變慢,燃燒壓力下降明顯,最終造成高轉速下各缸缸內壓力最大偏差達到31 bar。與之相比,中置進氣方式的各缸缸內壓力值比較一致,最大偏差只有9 bar,這主要是因為中置進氣方式的布置有利于混合氣在各缸的均勻分配,特別是水蒸氣的分配,從而改善各缸燃燒差異性。

(a) 端面進氣

2.1.2 對放熱率的影響

圖5、6為端面進氣和中置進氣2種進氣方式分別在低轉速(1 100 r/min)和高轉速(1 700 r/min)時,100%負荷工況下的的燃燒放熱率變化曲線圖。從圖5、6中可知,采用端面進氣時,對應的各缸滯燃期一致性較差,特別是第6缸滯燃期相比其他缸較長,導致燃燒放熱速率偏慢、燃燒放熱率峰值靠后,主要是由于端面進氣方式中進氣口非常接近第6缸的進氣道入口,進氣中攜帶的水蒸氣很容易被吹掃進到缸內,水蒸汽的增加抑制了燃燒的速度,導致燃燒放熱緩慢。當采用中間進氣方式時,對應的各缸滯燃期基本保持在一致的水平,各缸燃燒放熱率峰值幾乎出現在同一曲軸轉角下,主要是因為中間進氣方式下進氣入口設計在第3缸與第4缸之間,處于進氣總管的中部且避免了直接與某一缸相連接,使混合氣及其攜帶的水蒸汽進入各缸的混合距離差異不會過大,從而確保各缸混合氣及水蒸汽分配更加均勻,導致各缸燃燒放熱特征的一致性顯著得到改善。

(a) 端面進氣

2.1.3 對累積放熱量影響

圖7、8為端面進氣和中置進氣2種進氣方式分別在低轉速(1 100 r/min)和高轉速(1 700 r/min)時,100%負荷工況下的累積放熱量變化曲線圖。從圖7、8中可知,各缸燃燒放熱的累積放熱量的變化趨勢與圖6中的燃燒放熱率變化趨勢相一致,端面進氣方式下的各缸燃燒放熱的累積放熱量分布差異較大,說明各缸燃燒差異較大,中間進氣方式下各缸的累積放熱量基本相當,差異性較小,各缸燃燒均勻性較好。這主要是由于端面進氣方式各缸燃燒放熱速率差異性較大,導致各缸燃燒放熱過程不一致,造成各缸累積放熱量差異大;而采用中間進氣方式時,由于各缸分配不均勻現象得到了明顯的改善,燃燒放熱率曲線基本保持一致,提高了各缸燃燒均勻性,因此各缸的燃燒放熱累積放熱量分布較一致。同樣地,采用端面進氣時高轉速的差異性要比低轉速的大,而采用中間進氣后高低轉速的各缸燃燒放熱累積放熱量均較小。

(a) 端面進氣

2.1.4 對缸內燃燒溫度影響

圖9、10為端面進氣和中置進氣2種進氣方式分別在低轉速(1 100 r/min)和高轉速(1 700 r/min)時,100%負荷工況下的缸內燃燒溫度變化曲線圖。從圖9、10中可知,端面進氣方式下的各缸缸內燃燒溫度有較大差異,最大溫差達到430 ℃,但中間進氣方式下的各缸缸內燃燒溫度差異較小,最大溫差僅為150 ℃。主要是因為采用端面進氣時各缸燃燒放熱過程差異較大,特別是第6缸的放熱重心明顯靠后,造成了缸內燃燒溫度曲線差異大的現象,特別是在高轉速工況。

(a) 端面進氣

2.2 不同工況下進氣模式對各缸一致性影響

2.2.1 對各缸平均指示有效壓力影響

圖11為端面進氣和中置進氣2種進氣方式分別在高、低轉速時100%負荷工況下的平均指示有效壓力(indlicated mean effective pressure, IMEP)變化規律圖。從圖11中可見,與端面進氣方式對比,中置進氣方式下的各缸平均IMEP更高,且各缸IMEP分布更均勻,一致性較好。這主要是因為中置進氣方式下各缸混合氣的燃燒質量得到明顯改善,燃燒均勻性更好,大大提高了發動機的做功能力,特別是高轉速下的第6缸,IMEP提升幅度較大。

(a) 轉速為1 700 r/min,100%負荷

2.2.2 對各缸燃燒參數影響

圖12—14為端面進氣和中置進氣2種進氣方式分別在高、低轉速時100%負荷工況下的燃燒特征變化圖,其中包括CA10、CA50、CA90的偏差變化規律,CA10、CA50、CA90是燃燒放熱量分別達到總放熱量的10%、50%、90%時對應的曲軸轉角。從圖12-14中可知,保證相同的點火提前角,端面進氣的各缸CA10、CA50、CA90對應的曲軸轉角偏差較大,各缸CA10、CA50、CA90最大正負偏差分別達到約7°、9°和12°,說明各缸燃燒放熱時刻有明顯差異,各缸燃燒均勻性差。而中置進氣方式的CA10、CA50、CA90偏差明顯縮小,最大正負偏差基本均控制在3°以內,這是由于中置進氣方式下的各缸燃燒均勻性相比偏置得到大幅度改善,放熱速率、放熱時刻基本一致,提高了各缸燃燒一致性。高轉速和低轉速工況下各缸燃燒參數的變化趨勢基本一致。

(a) 轉速為1 700 r/min,100%負荷

2.3 不同工況下進氣模式對性能和排放特征影響

通過對端面進氣和中置進氣的燃燒特征分析,可知中置進氣方式可明顯改善各缸分配均勻性和燃燒均勻性,以及第6缸的燃燒質量獲得了大幅度提升,為了更好地闡述中置進氣方式對發動機性能和排放影響,對端面進氣和中置進氣的比氣耗、排氣溫度和排放進行了對比,如圖15、16所示。從圖15、16中可知,相比端面進氣方式,中置進氣方式由于燃燒均勻性得到顯著改善,燃燒相位更加接近上止點,燃燒持續期更短,使得燃燒釋放的熱量大部分集中在上止點附近,燃燒等容度提升,燃燒放熱做功能力增強,導致發動機比氣耗更低,更加高效的燃燒也導致廢氣帶走的能量下降,排氣溫度降低。

(a) 比氣耗

此外,由于中間進氣對應的燃燒更加接近上止點,缸內最高燃燒溫度提高,造成了NOx排放有所增加,特別是低轉速工況下,NOx排放的增加幅度更加顯著,但燃燒完全度的提升和燃燒持續期的縮短導致CH4排放略微降低。

3 結論

① 相比端面進氣方式,采用中置進氣方式后各缸的燃燒均勻性得到大幅度改善,各缸缸壓差異明顯減小,特別是在高轉速工況,最大缸壓偏差值從端面進氣方式的22.0%減小到6.0%,各缸燃燒放熱率曲線基本一致,同時顯著提升了第6缸的燃燒質量。

② 與偏置進氣方式相比,采用中置進氣方式后各缸燃燒相位特征參數如CA10、CA50、CA90分布更均勻,各缸CA10、CA50、CA90最大正負偏差分別由約7°、9°和12°均降低至3°以內,同時各缸燃燒溫度最大偏差值由端面進氣方式的26.0%減小為7.0%,這有利于缸蓋表面的受熱均勻,有助于提高缸蓋可靠性。

③ 中置進氣方式由于各缸分配均勻性和燃燒均勻性相比偏置進氣方式獲得了比較大的改善,燃燒等容度和燃燒質量提升,發動機比氣耗和CH4排放低于端面進氣方式,而缸內最高燃燒溫度的提高造成了NOx增多。

④ 相比低轉速工況,高轉速工況的各缸燃燒特征改善更加明顯,導致高轉速的性能改善幅度最大,比氣耗和排溫降幅分別達到1.5%和2.6%。