鄧彪

（上海新動力汽車科技股份有限公司，上海 200438）

0 前言

自2021年7月1日起，我國全面實施重型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)氮氧化物（NOx）排放質(zhì)量濃度限值和顆粒物（PM）含量限值比國五排放標(biāo)準(zhǔn)分別降低77%和67%［1］。目前市場上滿足國六排放要求的天然氣發(fā)動機（以下簡稱“國六天然氣發(fā)動機”）主流技術(shù)路線是采用當(dāng)量燃燒＋廢氣再循環(huán)（EGR）＋三元催化（TWC）后處理技術(shù)［2］，不僅可以降低發(fā)動機的燃油耗，而且開發(fā)成本遠低于稀薄燃燒技術(shù)路線［3］。

EGR 技術(shù)能夠有效抑制NOx的產(chǎn)生，同時降低發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒溫度。但是各缸的EGR率差異大會導(dǎo)致各缸燃燒存在較大差異，增加失火和爆燃的風(fēng)險，影響發(fā)動機的排放性能、可靠性及經(jīng)濟性［4］，因此各缸EGR率的均勻性至關(guān)重要。

為保證各缸EGR 率的均勻性，進氣側(cè)缸外預(yù)混，即將空氣、循環(huán)廢氣和燃氣在進氣側(cè)進行充分混合是非常必要的［5］。各缸EGR的均勻性不僅與系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)，而且與進氣歧管至各缸的進氣均勻性有關(guān)。本文以某國六天然氣發(fā)動機為例，對全速全負荷下各缸的EGR 率進行臺架測試，并分析各缸EGR 率的均勻性，利用瞬態(tài)計算流體力學(xué)（CFD）仿真分析各缸進氣均勻性；對進氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，提升各缸進氣的均勻性；基于優(yōu)化后的進氣歧管進行各缸EGR率均勻性測試，以期為后期天然氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 EGR率均勻性測試

1.1 發(fā)動機基本參數(shù)

表1為本文選用的重型國六天然氣發(fā)動機的基本參數(shù)，該發(fā)動機采用當(dāng)量燃燒＋EGR+TWC 后處理技術(shù)路線。本文臺架測試通過確認發(fā)動機狀態(tài)，對發(fā)動機的各缸進氣歧管進行打孔，在全速全負荷工況下測量各缸EGR 率，并分析各缸EGR 率的均勻性。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 EGR率計算

針對天然氣發(fā)動機的EGR率計算，主要方法是通過測量發(fā)動機進氣總管（中冷后）中的CO2、排氣管中的CO2，以及大氣環(huán)境中的CO2的體積分數(shù)來確定，其計算公式［6］如下：

式中：REGR為EGR率；φCO2，in為中冷后進氣歧管中的CO2氣體體積分數(shù)；φCO2，en為環(huán)境中CO2的體積分數(shù)；φCO2，out是排氣測排氣管中的CO2體積分數(shù)。

1.3 臺架測試結(jié)果分析

臺架測試主要采用MEXA-7200DEGR型廢氣分析排放測量儀記錄發(fā)動機各缸的ERG率情況，測試臺架如圖1所示。在進氣歧管上打孔，連接排放設(shè)備，分別測試各缸EGR率；在確保發(fā)動機狀態(tài)正常時，分別記錄全速全負荷工況下各缸EGR 率情況，對比分析特定轉(zhuǎn)速1 900 r/min（額定功率轉(zhuǎn)速工況點）、1 600 r/min（外特性點工況點）、1 200 r/min（最大扭矩轉(zhuǎn)速工況點）下。對應(yīng)的各缸EGR率均勻性情況結(jié)果如圖2和圖3所示，其中各缸EGR率均勻性為各缸EGR率與平均EGR率的比值。

圖1 發(fā)動機EGR率測試臺架

圖2 全負荷下各缸EGR率

圖3 各缸EGR率均勻性

由圖2和圖3可知：發(fā)動機各缸EGR率均勻性較差，其中4缸EGR率相比其他缸較低；尤其是發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 200 r/min 時，各缸EGR 率均勻性較差，其中2 缸、3 缸的EGR 率均勻性相對偏差超過9%。由此可見該發(fā)動機各缸均勻性較差，這會導(dǎo)致發(fā)動機各缸燃燒存在差異，使發(fā)動機各缸存在失火和爆燃的風(fēng)險。

1.4 CFD仿真分析

根據(jù)發(fā)動機各缸實測EGR率，對發(fā)動機的進氣歧管進行CFD建模仿真分析。圖4為該款天然氣發(fā)動機的進氣歧管三維流體域模型圖，通過采用STAR CCM+軟件對該發(fā)動機進氣歧管進行了三維CFD穩(wěn)態(tài)均勻性模擬分析。設(shè)定進氣口與進氣歧管壓降固定（?p=2.5 kPa），同時一個氣缸的進氣門完全打開，其他氣缸保持關(guān)閉（例如，當(dāng)1 缸的進氣門全開，2缸至6缸的進氣門全部關(guān)閉）。因此，有6個不同出口的CFD模型［7］，如圖5所示。

圖4 進氣歧管三維流體域模型

圖5 各缸進氣歧管的CFD模型

發(fā)動機各缸進氣測試情況見表2。計算分析6 個氣缸進氣歧管的流速，對各缸進氣過程中存在的壓力損失、氣體流動狀態(tài)，以及壓力損失部位進行詳細的模擬分析，以此對整個進氣歧管的流暢狀態(tài)進行評估；通過各支管的平均流量系數(shù)來判斷是否滿足進氣壓損要求；通過計算氣體在各進氣歧管里的分布狀態(tài)來判斷是否滿足新鮮空氣進氣均勻性要求。結(jié)果表明，發(fā)動機的3缸平均流量系數(shù)相對偏差大于2.5%，因此，這款發(fā)動機的新鮮空氣穩(wěn)態(tài)均勻性不滿足與平均流量系數(shù)相對偏差≤±2.5%的要求。

表2 發(fā)動機各缸進氣測試情況

2 改進措施

2.1 進氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真

為增強混合氣體之間的相互擾動，對原發(fā)動機機進氣總管進行重新設(shè)計，對進氣彎管（與進氣歧管連接）的角度以及進氣歧管道進行優(yōu)化設(shè)計（如圖6 所示），以增強進入各缸氣體的穩(wěn)態(tài)均勻性。優(yōu)化后的進氣歧管CFD仿真模型如圖7所示。

圖6 進氣歧管的優(yōu)化設(shè)計

圖7 優(yōu)化后各缸進氣歧管的CFD仿真模型

優(yōu)化后發(fā)動機各缸進氣測試情況見表3。由表3可知，優(yōu)化后的進氣歧管的新鮮空氣穩(wěn)態(tài)均勻性滿足平均流量系數(shù)相對偏差≤±2.5 %的要求。

表3 優(yōu)化后發(fā)動機各缸進氣測試情況

2.2 臺架試驗驗證

將設(shè)計優(yōu)化后的進氣歧管安裝在發(fā)動機上，進行全速全負荷臺架試驗，分別記錄分析1 900 r/min、1 600 r/min、1 200 r/min各缸的EGR率均勻性情況［8］，結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，各缸的EGR率波動較小，優(yōu)化后的進氣總管各缸EGR率均勻性控制在≤2.0%，相比原發(fā)動機有較大的提升。

圖8 優(yōu)化后全負荷下各缸EGR率

圖9 優(yōu)化后各缸EGR率均勻性

3 結(jié)語

本文以某國六天然氣發(fā)動機為例，臺架測量各缸EGR 率，發(fā)現(xiàn)各缸EGR 率有較大的差異，其中2缸、3缸、4缸在1 200 r/min 全速全負荷工況下差異>9%。

通過STAR CCM+軟件對該發(fā)動機進氣歧管進行三維CFD穩(wěn)態(tài)均勻性模擬分析，發(fā)現(xiàn)進氣穩(wěn)態(tài)均勻性不滿足要求，平均流量系數(shù)相對偏差應(yīng)≤±2.5%。

對進氣歧管設(shè)計進行優(yōu)化，通過優(yōu)化后的進氣歧管仿真分析可知，平均流量系數(shù)相對偏差滿足≤±2.5%的要求。將新設(shè)計的進氣歧管搭載在發(fā)動機上進行臺架試驗，發(fā)現(xiàn)各缸的EGR率波動較小，優(yōu)化后的進氣總管各缸EGR 率均勻性在2.0%以內(nèi)，證明了優(yōu)化后各缸的EGR率均勻性較好，與原發(fā)動機相比更具有優(yōu)勢。研究結(jié)果可為后期同類發(fā)動機的進氣歧管設(shè)計開發(fā)提供參考。