劉清

摘 要：天然氣主要成分為甲烷，海陸儲(chǔ)量豐富，同時(shí)也可以通過沼氣等生物發(fā)酵方式進(jìn)行再生制備。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為重型車輛清潔高效的動(dòng)力來(lái)源之一，日益受到產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)各方的密切關(guān)注。本文圍繞市場(chǎng)的一款天燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的排氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)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(yōu)化的兩款排氣管都可滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，能有效的解決市場(chǎng)出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：天然氣;發(fā)動(dòng)機(jī);排氣管

引言

近年來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對(duì)石油的需求越來(lái)越大，由此產(chǎn)生了能源短缺和環(huán)境污染問題。滿足歐五排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在采用當(dāng)量燃燒路線后，缸內(nèi)溫度比稀燃路線下的溫度高，爆燃邊界變窄;高增壓、降轉(zhuǎn)速使其向高功率密度和高負(fù)荷方向發(fā)展。在升功率提升的同時(shí)，天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷會(huì)越來(lái)越大，這勢(shì)必會(huì)對(duì)排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

1.歐5排放要求的特殊性

1.1 I型排放測(cè)試

2020年1月1日起開始執(zhí)行的歐5排放限值如表1。歐盟準(zhǔn)備執(zhí)行的發(fā)動(dòng)機(jī)歐5排放限值比歐四限值加嚴(yán)很多。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品要想達(dá)到歐5排放限值，需要改進(jìn)和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制策略，如調(diào)整觸媒的貴金屬含量等。

1.2測(cè)試循環(huán)

在歐4階段，對(duì)于L3e類發(fā)動(dòng)機(jī)，I型排放測(cè)試時(shí)使用WMTC1階段循環(huán)，即第2號(hào)UNECE全球技術(shù)法規(guī)（1）規(guī)定的全球統(tǒng)一的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試循環(huán)。L3e、L4e、L5e-A及L7e-A（子）類車輛使用WMTC2階段循環(huán)，即第2號(hào)UNECE全球技術(shù)法規(guī)（2）內(nèi)規(guī)定的全球統(tǒng)一的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。在歐5階段，發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試需要使用WMTC3循環(huán)，即第2號(hào)UNECE全球技術(shù)法規(guī)（3）內(nèi)規(guī)定的全球統(tǒng)一的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試循環(huán)，適用于最高設(shè)計(jì)車速較低的車輛，這是L類車輛進(jìn)行認(rèn)證時(shí)強(qiáng)制使用的I型排放測(cè)試循環(huán)。

1.3車載診斷（OBD）

歐4階段，L類發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行OBD第I階段要求，按照測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試并滿足歐4階段環(huán)境試驗(yàn)閾值。到歐5階段，需要滿足加嚴(yán)的試驗(yàn)閾值，見表3。同時(shí)歐5階段還需要進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測(cè)、EGR（廢氣再循環(huán)系統(tǒng)）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、失火監(jiān)測(cè)、NOx后處理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及車載診斷（OBD）歐4階段，L類發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行OBD第I階段要求，按照測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試并滿足歐4階段環(huán)境試驗(yàn)閾值。到歐5階段，需要滿足加嚴(yán)的試驗(yàn)閾值。同時(shí)歐5階段還需要進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測(cè)、EGR（廢氣再循環(huán)系統(tǒng)）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、失火監(jiān)測(cè)、NOx后處理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及氧傳感器劣化監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)功能和相關(guān)要求的測(cè)試。

1.4污染物控制裝置耐久性

歐5階段，排放耐久方式和耐久里程與歐4階段一樣。耐久方式也可以采取全里程耐久試驗(yàn)方法、部分里程耐久測(cè)試方法及數(shù)學(xué)計(jì)算方法。在采取數(shù)學(xué)計(jì)算方法時(shí)，需要用到給定的劣化系數(shù)。在歐5階段，給定的劣化系數(shù)與歐4階段有些差異。

2.排放技術(shù)方案

2.1稀薄燃燒-DOC-SCR-ASC

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比大于17.2時(shí)，稱為稀薄燃燒。稀薄燃燒技術(shù)可降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒技術(shù)時(shí)，單純使用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已經(jīng)無(wú)法使NOx排放降至排放限值以下，需要增加SCR進(jìn)一步降低NOx排放，并且需要配合ASC對(duì)使用SCR后發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NH3進(jìn)行控制，滿足歐五排放的要求。排放控制技術(shù)可最大限度提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)又能獲得較好的排放性能，是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟、綜合效果最好的技術(shù)方案。但該技術(shù)方案在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中存在諸多問題：1）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原排計(jì)算，需要天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放后處理系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化效率保持在90%以上;2）使用該技術(shù)后，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排溫比柴油機(jī)高且產(chǎn)生大量的H2O，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放耐久帶來(lái)了挑戰(zhàn);3）在增加SCR系統(tǒng)后，后處理系統(tǒng)以及整車運(yùn)行成本均增加較多。因此，該技術(shù)方案在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較少。

2.2理論空燃比-三元催化-EGR

理論空燃比技術(shù)指控制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在所有運(yùn)行工況下的過量空氣系數(shù)為1，即將缸內(nèi)參與燃燒的新鮮空氣量與天然氣之比控制在17.2左右。在采用理論空燃比技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、熱負(fù)荷、熱效率等方面均劣于稀薄燃燒技術(shù)，但是在動(dòng)力性、后處理使用、排放耐久方面優(yōu)勢(shì)明顯，可以滿足歐五甚至更嚴(yán)格的排放限值要求。為降低天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用理論空燃比后帶來(lái)的劣勢(shì)，提升競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)開發(fā)的滿足歐五排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)普遍配備EGR系統(tǒng)。使用EGR系統(tǒng)后，可有效降低天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃燒溫度、關(guān)鍵零部件的熱負(fù)荷和爆震傾向，降低NOx排放，同時(shí)一定程度上提升發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

2.3天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放技術(shù)方案對(duì)比

在對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主流排放控制技術(shù)和滿足歐五排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)調(diào)研分析基礎(chǔ)上，以排放控制和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，兼顧成本、系統(tǒng)復(fù)雜度、對(duì)未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的適應(yīng)性，多維度、多角度、多尺度地建立面向歐五排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)方案評(píng)價(jià)體系，為歐五天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)提供參考。通過對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)常用排放技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比，稀燃-DOC-SCR-ASC的技術(shù)方案在成本和經(jīng)濟(jì)性方面存在較明顯的劣勢(shì)。當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，理論空燃比-TWC（-EGR）成為當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主流技術(shù)方案。

3.計(jì)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(wǎng)格，螺栓用HyperMesh劃分網(wǎng)格，在FIRE中計(jì)算內(nèi)流場(chǎng)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(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，墊片采用DC3D6單元，實(shí)體采用DC3D10單元。進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，墊片采用GK3D12M單元，實(shí)體采用C3D10M單元。

4.計(jì)算邊界

4.1溫度場(chǎng)分析

排氣管內(nèi)壁及缸蓋排氣道內(nèi)壁由流體CFD計(jì)算提供映射邊界。水套、缸蓋油道、缸蓋進(jìn)氣道、缸蓋火力岸、排氣管和缸蓋外壁面的溫度和換熱系數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)施加;同時(shí)設(shè)置輻射溫度和系數(shù)。

4.2帶熱負(fù)荷的靜力分析

①溫度場(chǎng)分析結(jié)果作為溫度邊界輸入;②螺栓軸力：根據(jù)工藝試驗(yàn)可知，M10的排氣管螺栓擰緊力矩為60～70N·m，強(qiáng)度計(jì)算取上限值;增壓器螺栓為M12螺栓，擰緊力矩為110N·m。③增壓器質(zhì)量為13.8kg，在增壓器質(zhì)心處按照上下左右前后方向分別施加一定倍數(shù)的重力加速度。

4.3約束施加

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

5.計(jì)算結(jié)果與分析

5.1溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

高溫區(qū)域主要分布在增壓器到EGR取氣口之間，對(duì)應(yīng)是故障位置，兩種方案最高溫值區(qū)別不大，方案1稍小于方案2，但兩種結(jié)構(gòu)的排氣管最高溫度均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

5.2高周疲勞計(jì)算結(jié)果

將應(yīng)力分析結(jié)果文件導(dǎo)入到FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進(jìn)行高周疲勞求解。大板筋附近安全系數(shù)相當(dāng)，兩種結(jié)構(gòu)的差異不大，疲勞安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)兩個(gè)排氣管進(jìn)行最高溫度、應(yīng)力分析，高周疲勞分析：①兩個(gè)方案最高溫度相差很小，均合格;②三個(gè)方案最小安全系數(shù)也相差很小，均合格;③五六缸大板筋及周圍的應(yīng)力對(duì)比，SF1優(yōu)于SF2。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳本林，等.歐五排放天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2021，11（1）.

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