劉志治，黃林，韋鉆國(guó)

廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005

0 引言

天然氣是我國(guó)當(dāng)前重型載貨車市場(chǎng)中最主要的柴油替代燃料，天然氣的開(kāi)采、運(yùn)輸和存儲(chǔ)技術(shù)成熟，配套產(chǎn)業(yè)鏈完善[1-2]；同時(shí)天然氣熱值高，辛烷值高，抗爆性好，碳、氫元素的質(zhì)量比為3∶1，而柴油的碳、氫元素質(zhì)量比接近7∶1，盡管天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比柴油機(jī)低，但同等功率下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的碳排放僅為柴油機(jī)的80%，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要技術(shù)路線之一[3-4]。

當(dāng)量燃燒、廢氣再循環(huán)(exhaust gas re-circulation,EGR)、三效催化是當(dāng)前滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的重型載貨車輛天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的技術(shù)路線[5-7]。我國(guó)從2019年7月1日起針對(duì)重型天然氣載貨車輛實(shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)[8]，之后絕大部分新生產(chǎn)銷售的天然氣重型載貨車輛搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)都帶有EGR系統(tǒng)[9]。由于天然氣燃燒產(chǎn)物中含有大量的水，發(fā)動(dòng)機(jī)采用EGR技術(shù)方案后，EGR氣體內(nèi)的水會(huì)流入進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)車輛運(yùn)行在高寒環(huán)境時(shí)，受到外界低溫的影響,進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的氣態(tài)水會(huì)冷凝成液態(tài)水，進(jìn)而凍結(jié)為冰，并附著在進(jìn)氣管道內(nèi)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足、性能惡化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火及無(wú)法起動(dòng)[10-12]。

本文中依托ANSYS Fluent軟件，基于K13N發(fā)動(dòng)機(jī)建立天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR混合器仿真模型，分析帶加熱水流道的EGR混合器結(jié)構(gòu)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)EGR混合氣體的溫度以及均勻度的影響，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試相同環(huán)境條件和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下有、無(wú)加熱水流道的EGR混合器使用情況。

1 EGR混合器模型建立及研究

1.1 EGR混合器模型建立

基于K13N當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR混合器實(shí)物UG模型，增加一套水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)，將EGR混合器氣體出口管道延長(zhǎng)80 mm、EGR氣體入口管道延長(zhǎng)60 mm，以獲得最佳計(jì)算收斂速度和求解精度。

建模完成后，使用Hypermesh軟件建立面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，再將帶有網(wǎng)格的模型導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件進(jìn)行仿真[13]。計(jì)算過(guò)程中，采用多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，同步計(jì)算循環(huán)水、空氣、EGR氣體、天然氣4種流體。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算用混合器內(nèi)流道模型

模型采用不可壓縮穩(wěn)態(tài)耦合隱式壓力基求解器，忽略重力影響，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型，Courant number(庫(kù)朗數(shù))取1[14]，輸運(yùn)項(xiàng)選擇methane/air(甲烷和空氣)，EGR入口氣體設(shè)為純二氧化碳(CO2)，燃?xì)馊肟诮M分設(shè)為純甲烷(CH4)，其余邊界條件設(shè)定如表1所示。

表1 模型計(jì)算邊界條件

1.2 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置好邊界條件后，軟件即可自動(dòng)求解，輸出溫度、壓力、速度的計(jì)算結(jié)果。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

由圖2可知：溫度約為-40 ℃的空氣與70 ℃的EGR混合器加熱水道充分換熱后，空氣溫度可升高到30 ℃，EGR混合器加熱水道的溫度由70 ℃下降到60 ℃，之后空氣依次和溫度為-40 ℃的EGR氣體和天然氣接觸并充分混合，最終EGR混合器出口氣體的溫度保持在6.5 ℃左右，該溫度能夠保證EGR混合器在最惡劣工況下不結(jié)冰。

EGR混合器的壓力云圖如圖3所示，速度云圖如圖4所示。

由圖3、4可知：氣體通過(guò)EGR混合器內(nèi)的混合器芯和擾流板后，壓力和速度都會(huì)下降，這是因?yàn)榛旌掀餍竞蛿_流板會(huì)對(duì)氣流形成阻力和擾流，使得氣體壓力和流速均下降，擾流的加強(qiáng)使得空氣和EGR氣體的混合均勻度得到提升[15-16]。

圖3 壓力云圖 圖4 速度云圖

采用面積加權(quán)的氣體體積分?jǐn)?shù)分布均勻度(以下簡(jiǎn)稱均勻度)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定氣體與氣體之間完全混合的均勻度為1。

均勻度

式中：i為截面上的某小塊區(qū)域編號(hào)，i=1，2，…，n；Si為截面上第i塊區(qū)域的面積，mm2；ai為截面上第i塊區(qū)域上的氣體體積分?jǐn)?shù)。

計(jì)算時(shí)通過(guò)統(tǒng)計(jì)各截面不同區(qū)域的均勻度，得到天然氣和EGR的整體均勻度。天然氣和EGR的均勻度計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

a)天然氣 b)EGR

由圖5可知：EGR混合器出口的天然氣混合均勻度為0.985，EGR氣體混合均勻度為0.992，EGR氣體混合均勻性比天然氣混合均勻性提高了0.007。這是因?yàn)镋GR氣體在流出EGR混合器時(shí)經(jīng)過(guò)了EGR和天然氣2級(jí)擾流，天然氣在流出EGR混合器時(shí)只經(jīng)過(guò)了天然氣1級(jí)擾流，因此EGR氣體的均勻度優(yōu)于天然氣氣體。

2 整車臺(tái)架試驗(yàn)

計(jì)算結(jié)果表明，EGR混合器增加水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)后可有效提升出口的混合氣體溫度?；谟?jì)算結(jié)果制作帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器樣件，安裝到搭載K13N天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的重型牽引車進(jìn)行整車環(huán)境艙臺(tái)架試驗(yàn)，設(shè)定環(huán)境溫度為-25 ℃。

2.1 試驗(yàn)方案

在EGR混合器增加加熱水道的目的是提高EGR混合器出口氣體的溫度，解決天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在冬季使用時(shí)遇到的EGR混合器結(jié)冰問(wèn)題，因此試驗(yàn)工況應(yīng)盡量模擬車輛在正常使用過(guò)程中可能遇到的極端條件。根據(jù)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)EGR混合器結(jié)冰通常出現(xiàn)在長(zhǎng)怠速、長(zhǎng)下坡間歇工作工況。

2.1.1 長(zhǎng)怠速工況

低溫環(huán)境下，車輛冷機(jī)起動(dòng)后，如果長(zhǎng)期運(yùn)行在怠速工況，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水溫度低，機(jī)體熱輻射小，EGR混合器主要受外部環(huán)境溫度的影響，當(dāng)EGR閥有輕微泄漏時(shí)，泄漏的EGR氣體含有大量水分，氣態(tài)水在較低的環(huán)境溫度下極易冷凝成冰。

2.1.2 長(zhǎng)下坡間歇工作工況

車輛正常行駛過(guò)程中，當(dāng)遇到長(zhǎng)下坡路段時(shí)，駕駛員往往會(huì)松開(kāi)油門讓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入減速停噴工況(fuel shut-off，F(xiàn)SO)，即燃料供給裝置停止供氣，同時(shí)開(kāi)啟節(jié)氣門，保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的燃料經(jīng)濟(jì)性和制動(dòng)功能，駕駛員踩下油門踏板時(shí)控制系統(tǒng)立刻恢復(fù)噴射天然氣。車輛在低溫地區(qū)頻繁在減速停噴和駕駛工況切換時(shí)，EGR混合器得不到充分輻射加熱升溫，EGR氣體與低溫空氣混合后其內(nèi)部的氣態(tài)水析出，在EGR混合器內(nèi)部表面迅速冷凝、結(jié)冰。

2.1.3 綜合工況

充分模擬車輛從起動(dòng)到上路行駛，直到最終進(jìn)站停車的完整駕駛循環(huán)。綜合工況包含長(zhǎng)怠速工況、長(zhǎng)下坡工況以及常用轉(zhuǎn)速和負(fù)荷區(qū)間的自由加速工況。

2.2 整車長(zhǎng)怠速試驗(yàn)

2.2.1 原EGR混合器

首先使用原機(jī)的EGR混合器進(jìn)行低溫環(huán)境測(cè)試，在溫度為-25 ℃的環(huán)境艙內(nèi)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速會(huì)隨水溫的上升而緩慢下降；固定EGR閥開(kāi)度為3%，用于模擬EGR發(fā)生輕微泄漏的狀態(tài)。試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)并在怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，約300 s后發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火。此時(shí)立即拆開(kāi)進(jìn)氣管路取出EGR混合器，檢查EGR混合器狀態(tài)，如圖6所示。由圖6可知，EGR混合器芯的擾流板葉片已經(jīng)附著大量的冰，嚴(yán)重影響氣體流通能力。

圖6 原機(jī)自動(dòng)熄火后EGR混合器狀態(tài)

可見(jiàn)原機(jī)EGR混合器在環(huán)境溫度極低、并引入EGR氣體的工況下，EGR氣體內(nèi)的氣態(tài)水會(huì)迅速結(jié)冰并附著在EGR混合器內(nèi)壁。EGR混合器的主流道流通截面積隨著結(jié)冰體積的增大而減小，通過(guò)的可燃混合氣體流量也相應(yīng)減小，最終因?yàn)檫M(jìn)入缸內(nèi)可供燃燒的混合氣不足而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[17]。

2.2.2 帶加熱水流道的EGR混合器

在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝帶有加熱水流道的EGR混合器，并在EGR混合器的入口、出口、EGR閥出口、EGR孔板處安裝溫度傳感器，與原EGR混合器進(jìn)行相同工況的長(zhǎng)怠速試驗(yàn)。長(zhǎng)怠速工況下試驗(yàn)采集到的加熱水流道EGR混合器各位置溫度變化如圖7所示。

由圖7可知：發(fā)動(dòng)機(jī)各位置采集的溫度隨時(shí)間逐漸上升；當(dāng)?shù)∷龠\(yùn)行700 s左右時(shí)，EGR混合器出口溫度即可達(dá)到0 ℃以上；當(dāng)?shù)∷龠\(yùn)行2000 s時(shí)，EGR混合器前的溫度也達(dá)到0 ℃以上；此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體已經(jīng)充分加熱，EGR混合器不再出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。最終通過(guò)主動(dòng)關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)束試驗(yàn)。

圖7 加熱水流道EGR混合器各位置溫度變化曲線

此時(shí)使用內(nèi)窺鏡觀測(cè)EGR混合器，如圖8所示。由圖8可知：EGR混合器的擾流板葉片表面附著有少量液態(tài)水，未發(fā)現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

圖8 長(zhǎng)怠速工況后帶加熱水道的混合器外觀

2.3 長(zhǎng)下坡間歇工況試驗(yàn)

由于原機(jī)EGR混合器在長(zhǎng)怠速工況會(huì)存在結(jié)冰問(wèn)題，因此只在長(zhǎng)下坡間歇工況對(duì)帶加熱水流道的EGR混合器進(jìn)行試驗(yàn)。

長(zhǎng)下坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相比怠速轉(zhuǎn)速更高，并且為了保證燃料經(jīng)濟(jì)性，在FSO狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)將停止燃料噴射和各缸點(diǎn)火，同時(shí)增大節(jié)氣門開(kāi)度。和長(zhǎng)怠速工況相比，此時(shí)流經(jīng)EGR混合器的冷空氣流量更大，對(duì)EGR混合器本體和EGR氣體的冷卻效應(yīng)更快、更強(qiáng)。試驗(yàn)中，在-25 ℃的環(huán)境艙內(nèi)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，之后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定為1200 r/min，同時(shí)通過(guò)更改發(fā)動(dòng)機(jī)電控程序反復(fù)進(jìn)入和退出FSO狀態(tài)，研究車輛在常規(guī)行駛以及長(zhǎng)下坡間歇工作時(shí)EGR混合器前、后溫度的變化規(guī)律。試驗(yàn)采集到的EGR混合器前后、溫度變化曲線如圖9所示。

由圖9可知：當(dāng)進(jìn)入長(zhǎng)下坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開(kāi)度較大，此時(shí)引入了大量和外部環(huán)境溫度相同的空氣，EGR混合器前的溫度迅速下降到-20 ℃左右；EGR混合器后的溫度下降速度相對(duì)較慢，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)確認(rèn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入長(zhǎng)下坡工況10 s后，EGR混合器后的溫度下降到-20 ℃左右；當(dāng)退出長(zhǎng)下坡工況后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)恢復(fù)點(diǎn)火燃燒，中冷器后的空氣溫度以及EGR氣體溫度上升，此時(shí)EGR混合器前后的溫度會(huì)迅速上升到0 ℃以上，EGR混合器結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)消除。

圖9 帶加熱水道的EGR混合器長(zhǎng)下坡工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

長(zhǎng)怠速工況試驗(yàn)進(jìn)行約4000 s，試驗(yàn)結(jié)束后使用內(nèi)窺鏡觀測(cè)EGR混合器，EGR混合器狀態(tài)如圖10所示。由圖10可知：長(zhǎng)怠速工況下EGR混合器無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象。但分析EGR混合器后的溫度變化趨勢(shì)，環(huán)境溫度為-25 ℃時(shí)，車輛進(jìn)入長(zhǎng)下坡工況的時(shí)間超過(guò)10 s后，EGR混合器后的溫度已經(jīng)接近-20 ℃，此時(shí)EGR混合器結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)較高?？梢?jiàn)在EGR混合器加裝循環(huán)水加熱結(jié)構(gòu)以后，雖然能有效降低EGR混合器結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)， 但是其加熱能力有限，無(wú)法應(yīng)對(duì)非常極端的工作環(huán)境。

圖10 長(zhǎng)下坡工況帶加熱水道的混合器外觀

2.4 綜合工況試驗(yàn)

由于原機(jī)EGR混合器在長(zhǎng)怠速工況會(huì)存在結(jié)冰問(wèn)題，因此只進(jìn)行帶加熱水流道的EGR混合器的綜合工況試驗(yàn)，環(huán)境溫度設(shè)定為-25 ℃。綜合工況持續(xù)3600 s，前800 s為長(zhǎng)怠速工況，800～2600 s為自由加速工況，2600～3600 s為長(zhǎng)下坡工況。采集到的EGR混合器前后溫度曲線如圖11所示。

由圖11可知：怠速熱機(jī)運(yùn)行(0～800 s)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升較慢，混合器出口的氣體溫度緩慢上升；自由加速駕駛工況時(shí)，混合器出口氣體溫度隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的變化發(fā)生顯著的交變，運(yùn)行1000 s后，氣體溫度維持在0 ℃以上；進(jìn)入長(zhǎng)下坡工況，模擬駕駛員間歇性踩油門動(dòng)作，由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量變化幅度較大，而且發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的工作時(shí)間變短，混合器出口氣體溫度在-15～5 ℃內(nèi)隨進(jìn)氣流量的變化而波動(dòng)。

圖11 帶加熱水道的EGR混合器綜合工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)束后使用內(nèi)窺鏡觀測(cè)EGR混合器，外觀如圖12所示。由圖12可知，EGR混合器無(wú)結(jié)冰跡象。

圖12 綜合工況帶加熱水道的EGR混合器外觀

綜合以上分析，安裝水循環(huán)加熱流道的EGR混合器能有效提高出口的氣體溫度，大幅降低結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

基于ANSYS Fluent軟件搭建帶加熱水流道的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)EGR混合器三維模型，進(jìn)行了EGR混合器內(nèi)混合氣體的溫度場(chǎng)、壓力和混合均勻性等仿真，根據(jù)仿真結(jié)果制作了帶有水循環(huán)加熱的混合樣件并進(jìn)行整車對(duì)比試驗(yàn)。

1)仿真計(jì)算結(jié)果表明，帶有水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器可以在環(huán)境溫度為-40 ℃、加熱水溫為70 ℃時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況EGR混合器出口的氣體溫度為6.5 ℃左右，大幅降低EGR混合器結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)；經(jīng)過(guò)2級(jí)擾流的EGR氣體均勻性比只經(jīng)過(guò)1級(jí)擾流的天然氣氣體混合均勻性提高了0.7%，更有利于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。

2)環(huán)境溫度為-25 ℃時(shí)，不帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行300 s就會(huì)大量結(jié)冰，并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

3)環(huán)境溫度為-25 ℃時(shí)，帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況、長(zhǎng)下坡工況、綜合工況下均不會(huì)結(jié)冰，相對(duì)不帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器，防結(jié)冰效果十分顯著。