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        LNG/柴油雙燃料發(fā)動機混合器的設(shè)計與優(yōu)化研究

        2019-06-13 09:16:20趙小興潘志翔
        中國修船 2019年3期
        關(guān)鍵詞:原機混合器甲烷

        趙小興,潘志翔,李 遲

        (武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

        LNG/柴油雙燃料發(fā)動機燃氣的供給是關(guān)鍵技術(shù)[1]。對于單點噴射的雙燃料發(fā)動機和燃氣發(fā)動機混合器的優(yōu)化設(shè)計是至關(guān)重要的,若天然氣與空氣混合不均勻,經(jīng)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(huán)間燃氣量也不一樣,造成發(fā)動機循環(huán)變動率大,引起異常燃燒、熱負荷升高、排放差、相應(yīng)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(shè)計,最早研發(fā)出的膜片式混合器能夠完美匹配發(fā)動機,但是該混合器導(dǎo)致發(fā)動機的排氣溫度較高[3]。Xu Boyan和MikioFuruyama利用紋影技術(shù)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(jié)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(nèi),湖北武漢東風商用車技術(shù)中心的賈李水、張宏飛利用仿真軟件得到以下結(jié)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(fā)動機各缸排氣溫度一致性,是燃氣發(fā)動機循環(huán)變動量大小的重要因子[4]。

        圖1為原機混合器,圖2為發(fā)動機在不同的轉(zhuǎn)速下各缸排氣溫度變化曲線。從圖2可以看出在不同的轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的各缸排氣溫度有所差異,尤其是在低轉(zhuǎn)速下發(fā)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(fā)動機燃燒異常,使得發(fā)動機整體性能下降,因此優(yōu)化混合器的設(shè)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(fā)動機各缸排氣溫度

        1 混合器的設(shè)計

        本文擬針對Z6170ZLCZ-19設(shè)計一動態(tài)混合器,結(jié)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(fā)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(nèi)部腔室。該混合器設(shè)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(cè)開孔,天然氣噴出后會產(chǎn)生相反的作用力,帶動整個整流總管轉(zhuǎn)動,整流總管的兩端有軸承相連,軸承安置在軸承座內(nèi),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(zhuǎn)動后,一方面能夠使噴入到混合器腔室內(nèi)的天然氣更加均勻,另外一方面,整流管的轉(zhuǎn)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(chǎn)生分層,影響混合氣體的混合效果。

        圖3 混合器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以省略[5]。由于該混合器的設(shè)計思路是將混合器安裝在渦輪增壓器后,發(fā)動機進氣道前,因此將混合器的出口拉伸500 mm,用于模擬發(fā)動機進氣道內(nèi)燃氣的分布。

        圖5 混合器仿真模型處理

        混合器混合腔室內(nèi),涉及到整流管的轉(zhuǎn)動攪拌,流動比較復(fù)雜,天然氣和空氣的流速較大,2種氣體在流動的過程中發(fā)生劇烈的混合。其雷諾數(shù)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(shù),其中氣體黏性系數(shù)μ可以通過薩瑟蘭公式求得:

        (2)

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

        求得雷諾數(shù):

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

        選取發(fā)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(shè)定為0.50 MPa,空氣的進口壓力設(shè)置為0.19 MPa,參數(shù)設(shè)定完成后進行計算。

        2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

        由于混合器模擬關(guān)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(wǎng)格無關(guān)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(wǎng)格數(shù)量下,各個點的甲烷濃度值的變化,計算網(wǎng)格數(shù)見表1。

        表1 計算網(wǎng)格數(shù)

        通過計算得到混合器出口截面3個點在4種網(wǎng)格數(shù)量下的濃度值,如圖6所示。

        圖6 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

        從圖6可以看出,當網(wǎng)格的數(shù)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(shè)置的網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果影響很小,可以認為31萬個網(wǎng)格已經(jīng)通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證,因此可以取35萬個網(wǎng)格作為計算結(jié)果。

        2.2 與原機混合器對比分析

        本文所設(shè)計的新型混合器,改變了原混合器的結(jié)構(gòu)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(nèi)壁面甲烷濃度越高。由此可以得出結(jié)論,天然氣在管道內(nèi)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(nèi)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(zhì)量分數(shù)對比

        從圖7可以看出,本文所設(shè)計的新型混合器其混合功能在仿真計算上要優(yōu)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(nèi)壁,其甲烷質(zhì)量分數(shù)變化范圍約為0.035 0~0.052 0,波動率為33%;原機混合器其質(zhì)量分數(shù)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(fā)動機臺架試驗

        圖8為新型混合器發(fā)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(fā)動機外特性曲線對比。

        圖8 新型混合器發(fā)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(fā)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(fā)動機轉(zhuǎn)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(fā)動機的動力。新型混合器在低轉(zhuǎn)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(fā)動機低轉(zhuǎn)速時與原機混合器相差不大,但是在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時能夠提高發(fā)動機的動力性能,使發(fā)動機在相同轉(zhuǎn)速下輸出更大的功率。

        4 結(jié)束語

        混合器是燃氣發(fā)動機與雙燃料發(fā)動機中的關(guān)鍵部件,混合器的性能直接影響發(fā)動機的整體性能。研究表明,燃氣在發(fā)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(fā)動機的動力性、經(jīng)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(fā)動機低轉(zhuǎn)速時,2種混合器動力性相差不大,可能是由于發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下燃氣和空氣有更長的時間混合;在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速下,新型混合器對發(fā)動機的動力性影響更大。

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

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