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(jī)器股份有限公司, 廣西 玉林 537005;2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

中共中央、國務(wù)院在《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中明確指出:加快推進(jìn)綠色低碳發(fā)展,交通領(lǐng)域二氧化碳排放盡早達(dá)峰,因此,交通運(yùn)輸部門的節(jié)能減排將是我國“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的重要發(fā)力點(diǎn),對我國達(dá)成“雙碳”目標(biāo)有著重要的意義[1]。內(nèi)燃機(jī)是交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶及軍用車輛等裝置的主要?jiǎng)恿υ?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(guī)的日趨嚴(yán)格,尋找清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)而一直受到國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-4],是助推發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)支撐“雙碳”目標(biāo)的重要清潔能源。

當(dāng)前為滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求,車用重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用當(dāng)量燃燒與廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)組合的排放技術(shù)路線已成為天然氣重型卡車市場的主流[5-7]。由于當(dāng)量燃燒增加了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)熱負(fù)荷和爆震風(fēng)險(xiǎn),采用高壓冷卻EGR技術(shù)后,可以有效降低熱負(fù)荷和爆震傾向[8-9],改善發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵燃燒部件的可靠性同時(shí)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。但由于EGR的引入會出現(xiàn)各缸EGR率分配不均勻的現(xiàn)象[10-11],特別是在高EGR率的工況下,當(dāng)進(jìn)氣溫度偏低且相對濕度偏大時(shí),進(jìn)氣系統(tǒng)中的水蒸氣容易形成冷凝水,跟隨混合氣進(jìn)入各缸缸內(nèi)燃燒,影響缸內(nèi)燃燒質(zhì)量和燃燒均勻性,增加了缸內(nèi)燃燒惡化的風(fēng)險(xiǎn)[12-13],因此,對于采用當(dāng)量燃燒與EGR組合排放技術(shù)路線的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī),需通過對進(jìn)氣方式的優(yōu)化來提升發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸混合均勻性和分配均勻性,最終實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)各缸燃燒均勻性的改善。

目前國內(nèi)外研究者對發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣均勻性和分配一致性進(jìn)行了大量的仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[14]通過運(yùn)用數(shù)值模擬方法對總管和支管2種進(jìn)氣方式進(jìn)行分析,結(jié)果表征,總管進(jìn)氣相比支管進(jìn)氣更容易實(shí)現(xiàn)EGR廢氣的均勻分配和2種氣體的混合。文獻(xiàn)[15]對重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算方法的分析,研究發(fā)現(xiàn),通過將原有的EGR取氣位置變更為總管取氣,同時(shí)對進(jìn)氣腔和混合氣間進(jìn)氣總管進(jìn)行了優(yōu)化,各缸EGR均勻性得到了明顯提高?？梢?EGR系統(tǒng)的優(yōu)化對EGR氣體的混合均勻性具有重要影響,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)各缸均勻性。文獻(xiàn)[16]對天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)某缸爆壓偏低的問題進(jìn)行了仿真計(jì)算,通過對進(jìn)氣均勻性和進(jìn)水均勻性的研究,發(fā)現(xiàn)新優(yōu)化的進(jìn)氣方案可改善各缸的缸壓均勻性。文獻(xiàn)[17]針對一臺國六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)各缸燃燒均勻性差異過大的問題進(jìn)行了流體力學(xué)分析,研究結(jié)果表明,EGR從第1缸至第3缸單側(cè)引入是造成各缸EGR率分配不均勻的原因,通過對進(jìn)氣管路的優(yōu)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(nèi),因此,進(jìn)氣管路優(yōu)化對多缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸燃燒一致性的提升起到關(guān)鍵作用。同時(shí),文獻(xiàn)[17]通過開展CFD仿真計(jì)算對柴油機(jī)EGR分布均勻性影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)對EGR分布均勻性影響顯著。上述研究主要針對某一發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)或基于仿真計(jì)算來分析EGR的分布均勻性和燃燒的一致性,缺乏進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化對多缸發(fā)動(dòng)機(jī)多工況運(yùn)行區(qū)域的燃燒一致性、性能及排放影響的綜合試驗(yàn)研究,難以判定方案對實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響有效性,因此,本文針對天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用當(dāng)量燃燒和EGR組合的燃燒排放技術(shù)路線存在的各缸燃燒不均勻性問題,開展進(jìn)氣方式對燃燒過程和性能的影響研究,探討在當(dāng)量燃燒和EGR組合的技術(shù)路線下進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)和對解決當(dāng)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(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)裝置及研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在一臺直列六缸當(dāng)量比燃燒的國六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行,發(fā)動(dòng)機(jī)采用單點(diǎn)噴射預(yù)混合的燃料供給系統(tǒng),同時(shí)配備有增壓系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of engine

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架如圖1所示。試驗(yàn)裝置主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、電渦流測功機(jī)、臺架測控系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、傳感器、電子控制單元(electronic control unit, ECU)等部分組成。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架Fig.1 Engine test bench

試驗(yàn)過程所采用的主要儀器設(shè)備及技術(shù)參數(shù)見表2。

試驗(yàn)測試過程中測功機(jī)、排放分析儀、瞬態(tài)質(zhì)量氣耗儀及溫度壓力采集系統(tǒng)通過控制器局域網(wǎng)(controller area network, CAN)和網(wǎng)線接入自主編寫的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),使得各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳周期均為100 ms。ECU可以對EGR、臨界流量文氏管、點(diǎn)火時(shí)刻、節(jié)氣門進(jìn)行閉環(huán)控制,同時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的各傳感器和執(zhí)行器的狀態(tài)參數(shù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為3 min,為保證數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,取數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。通過Kibox燃燒分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測缸內(nèi)壓力、燃燒相位、循環(huán)變動(dòng)以及爆震強(qiáng)度等,Indimodul-612記錄250個(gè)循環(huán)的缸壓曲線,曲軸轉(zhuǎn)角每間隔0.5°采集一次缸壓數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本研究在一臺點(diǎn)燃式當(dāng)量比燃燒的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了進(jìn)氣方式對燃燒特征和性能的影響研究。發(fā)動(dòng)機(jī)研究工況為1 100、1 700 r/min轉(zhuǎn)速下的100%負(fù)荷,通過對端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣2種進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)行燃燒過程分析,對比了2種進(jìn)氣方式下的各缸缸內(nèi)壓力、燃燒放熱率、缸內(nèi)燃燒溫度、燃燒相位等燃燒特征參數(shù)和性能參數(shù),分析了進(jìn)氣方式對缸內(nèi)燃燒均勻性的影響。端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣方式結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。

(a) 端面進(jìn)氣

此外,缸內(nèi)氣體平均溫度可通過理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算獲得

PV=mRT,

式中:P、V分別為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壓力、容積;m為缸內(nèi)充量的質(zhì)量;R為指示氣體常量;T為缸內(nèi)氣體平均溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同工況下進(jìn)氣模式對燃燒特征影響

2.1.1 對缸內(nèi)壓力的影響

圖3、4為端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣2種進(jìn)氣方式分別在低轉(zhuǎn)速(1 100 r/min)和高轉(zhuǎn)速(1 700 r/min),100%負(fù)荷工況下的缸內(nèi)壓力變化曲線圖。從圖3、4中可見,端面進(jìn)氣方式下對應(yīng)的各缸缸壓差異較大,說明各缸工質(zhì)混合氣的分配均勻性較差,特別是在高轉(zhuǎn)速工況下,氣流運(yùn)動(dòng)速度快,端面進(jìn)氣方式容易使混合氣中的水蒸氣更多地被吹掃進(jìn)入最靠近進(jìn)氣總管的第6個(gè)氣缸中,導(dǎo)致該缸的燃燒速度變慢,燃燒壓力下降明顯,最終造成高轉(zhuǎn)速下各缸缸內(nèi)壓力最大偏差達(dá)到31 bar。與之相比,中置進(jìn)氣方式的各缸缸內(nèi)壓力值比較一致,最大偏差只有9 bar,這主要是因?yàn)橹兄眠M(jìn)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(jìn)氣

2.1.2 對放熱率的影響

圖5、6為端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣2種進(jìn)氣方式分別在低轉(zhuǎn)速(1 100 r/min)和高轉(zhuǎn)速(1 700 r/min)時(shí),100%負(fù)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(jìn)氣時(shí),對應(yīng)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(dǎo)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(jìn)氣方式中進(jìn)氣口非常接近第6缸的進(jìn)氣道入口,進(jìn)氣中攜帶的水蒸氣很容易被吹掃進(jìn)到缸內(nèi),水蒸汽的增加抑制了燃燒的速度,導(dǎo)致燃燒放熱緩慢。當(dāng)采用中間進(jìn)氣方式時(shí),對應(yīng)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(xiàn)在同一曲軸轉(zhuǎn)角下,主要是因?yàn)橹虚g進(jìn)氣方式下進(jìn)氣入口設(shè)計(jì)在第3缸與第4缸之間,處于進(jìn)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(jìn)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(dǎo)致各缸燃燒放熱特征的一致性顯著得到改善。

(a) 端面進(jìn)氣

2.1.3 對累積放熱量影響

圖7、8為端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣2種進(jìn)氣方式分別在低轉(zhuǎn)速(1 100 r/min)和高轉(zhuǎn)速(1 700 r/min)時(shí),100%負(fù)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(jìn)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(jìn)氣方式下各缸的累積放熱量基本相當(dāng),差異性較小,各缸燃燒均勻性較好。這主要是由于端面進(jìn)氣方式各缸燃燒放熱速率差異性較大,導(dǎo)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(jìn)氣方式時(shí),由于各缸分配不均勻現(xiàn)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(jìn)氣時(shí)高轉(zhuǎn)速的差異性要比低轉(zhuǎn)速的大,而采用中間進(jìn)氣后高低轉(zhuǎn)速的各缸燃燒放熱累積放熱量均較小。

(a) 端面進(jìn)氣

2.1.4 對缸內(nèi)燃燒溫度影響

圖9、10為端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣2種進(jìn)氣方式分別在低轉(zhuǎn)速(1 100 r/min)和高轉(zhuǎn)速(1 700 r/min)時(shí),100%負(fù)荷工況下的缸內(nèi)燃燒溫度變化曲線圖。從圖9、10中可知,端面進(jìn)氣方式下的各缸缸內(nèi)燃燒溫度有較大差異,最大溫差達(dá)到430 ℃,但中間進(jìn)氣方式下的各缸缸內(nèi)燃燒溫度差異較小,最大溫差僅為150 ℃。主要是因?yàn)椴捎枚嗣孢M(jìn)氣時(shí)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(nèi)燃燒溫度曲線差異大的現(xiàn)象,特別是在高轉(zhuǎn)速工況。

(a) 端面進(jìn)氣

2.2 不同工況下進(jìn)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(jìn)氣和中置進(jìn)氣2種進(jìn)氣方式分別在高、低轉(zhuǎn)速時(shí)100%負(fù)荷工況下的平均指示有效壓力(indlicated mean effective pressure, IMEP)變化規(guī)律圖。從圖11中可見,與端面進(jìn)氣方式對比,中置進(jìn)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?yàn)橹兄眠M(jìn)氣方式下各缸混合氣的燃燒質(zhì)量得到明顯改善,燃燒均勻性更好,大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的做功能力,特別是高轉(zhuǎn)速下的第6缸,IMEP提升幅度較大。

(a) 轉(zhuǎn)速為1 700 r/min,100%負(fù)荷

2.2.2 對各缸燃燒參數(shù)影響

圖12—14為端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣2種進(jìn)氣方式分別在高、低轉(zhuǎn)速時(shí)100%負(fù)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(guī)律,CA10、CA50、CA90是燃燒放熱量分別達(dá)到總放熱量的10%、50%、90%時(shí)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。從圖12-14中可知,保證相同的點(diǎn)火提前角,端面進(jìn)氣的各缸CA10、CA50、CA90對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角偏差較大,各缸CA10、CA50、CA90最大正負(fù)偏差分別達(dá)到約7°、9°和12°,說明各缸燃燒放熱時(shí)刻有明顯差異,各缸燃燒均勻性差。而中置進(jìn)氣方式的CA10、CA50、CA90偏差明顯縮小,最大正負(fù)偏差基本均控制在3°以內(nèi),這是由于中置進(jìn)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(shí)刻基本一致,提高了各缸燃燒一致性。高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速工況下各缸燃燒參數(shù)的變化趨勢基本一致。

(a) 轉(zhuǎn)速為1 700 r/min,100%負(fù)荷

2.3 不同工況下進(jìn)氣模式對性能和排放特征影響

通過對端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣的燃燒特征分析,可知中置進(jìn)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(zhì)量獲得了大幅度提升,為了更好地闡述中置進(jìn)氣方式對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響,對端面進(jìn)氣和中置進(jìn)氣的比氣耗、排氣溫度和排放進(jìn)行了對比,如圖15、16所示。從圖15、16中可知,相比端面進(jìn)氣方式,中置進(jìn)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(diǎn),燃燒持續(xù)期更短,使得燃燒釋放的熱量大部分集中在上止點(diǎn)附近,燃燒等容度提升,燃燒放熱做功能力增強(qiáng),導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)比氣耗更低,更加高效的燃燒也導(dǎo)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(jìn)氣對應(yīng)的燃燒更加接近上止點(diǎn),缸內(nèi)最高燃燒溫度提高,造成了NOx排放有所增加,特別是低轉(zhuǎn)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(xù)期的縮短導(dǎo)致CH4排放略微降低。

3 結(jié)論

① 相比端面進(jìn)氣方式,采用中置進(jìn)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(zhuǎn)速工況,最大缸壓偏差值從端面進(jìn)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(shí)顯著提升了第6缸的燃燒質(zhì)量。

② 與偏置進(jìn)氣方式相比,采用中置進(jìn)氣方式后各缸燃燒相位特征參數(shù)如CA10、CA50、CA90分布更均勻,各缸CA10、CA50、CA90最大正負(fù)偏差分別由約7°、9°和12°均降低至3°以內(nèi),同時(shí)各缸燃燒溫度最大偏差值由端面進(jìn)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(jìn)氣方式由于各缸分配均勻性和燃燒均勻性相比偏置進(jìn)氣方式獲得了比較大的改善,燃燒等容度和燃燒質(zhì)量提升,發(fā)動(dòng)機(jī)比氣耗和CH4排放低于端面進(jìn)氣方式,而缸內(nèi)最高燃燒溫度的提高造成了NOx增多。

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