鄧彪

（上海新動(dòng)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(guó)全面實(shí)施重型車國(guó)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(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)分別降低77%和67%［1］。目前市場(chǎng)上滿足國(guó)六排放要求的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)”）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(dòng)機(jī)的燃油耗，而且開發(fā)成本遠(yuǎn)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(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒溫度。但是各缸的EGR率差異大會(huì)導(dǎo)致各缸燃燒存在較大差異，增加失火和爆燃的風(fēng)險(xiǎn)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)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(jìn)氣側(cè)缸外預(yù)混，即將空氣、循環(huán)廢氣和燃?xì)庠谶M(jìn)氣側(cè)進(jìn)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(jì)有關(guān)，而且與進(jìn)氣歧管至各缸的進(jìn)氣均勻性有關(guān)。本文以某國(guó)六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對(duì)全速全負(fù)荷下各缸的EGR 率進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，并分析各缸EGR 率的均勻性，利用瞬態(tài)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真分析各缸進(jìn)氣均勻性；對(duì)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提升各缸進(jìn)氣的均勻性；基于優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管進(jìn)行各缸EGR率均勻性測(cè)試，以期為后期天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 EGR率均勻性測(cè)試

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

表1為本文選用的重型國(guó)六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用當(dāng)量燃燒＋EGR+TWC 后處理技術(shù)路線。本文臺(tái)架測(cè)試通過確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸進(jìn)氣歧管進(jìn)行打孔，在全速全負(fù)荷工況下測(cè)量各缸EGR 率，并分析各缸EGR 率的均勻性。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.2 EGR率計(jì)算

針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR率計(jì)算，主要方法是通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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?jǐn)?shù)來確定，其計(jì)算公式［6］如下：

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

1.3 臺(tái)架測(cè)試結(jié)果分析

臺(tái)架測(cè)試主要采用MEXA-7200DEGR型廢氣分析排放測(cè)量?jī)x記錄發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的ERG率情況，測(cè)試臺(tái)架如圖1所示。在進(jìn)氣歧管上打孔，連接排放設(shè)備，分別測(cè)試各缸EGR率；在確保發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)正常時(shí)，分別記錄全速全負(fù)荷工況下各缸EGR 率情況，對(duì)比分析特定轉(zhuǎn)速1 900 r/min（額定功率轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)）、1 600 r/min（外特性點(diǎn)工況點(diǎn)）、1 200 r/min（最大扭矩轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)）下。對(duì)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(dòng)機(jī)EGR率測(cè)試臺(tái)架

圖2 全負(fù)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200 r/min 時(shí)，各缸EGR 率均勻性較差，其中2 缸、3 缸的EGR 率均勻性相對(duì)偏差超過9%。由此可見該發(fā)動(dòng)機(jī)各缸均勻性較差，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)各缸燃燒存在差異，使發(fā)動(dòng)機(jī)各缸存在失火和爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 CFD仿真分析

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

圖4 進(jìn)氣歧管三維流體域模型

圖5 各缸進(jìn)氣歧管的CFD模型

發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣測(cè)試情況見表2。計(jì)算分析6 個(gè)氣缸進(jìn)氣歧管的流速，對(duì)各缸進(jìn)氣過程中存在的壓力損失、氣體流動(dòng)狀態(tài)，以及壓力損失部位進(jìn)行詳細(xì)的模擬分析，以此對(duì)整個(gè)進(jìn)氣歧管的流暢狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；通過各支管的平均流量系數(shù)來判斷是否滿足進(jìn)氣壓損要求；通過計(jì)算氣體在各進(jìn)氣歧管里的分布狀態(tài)來判斷是否滿足新鮮空氣進(jìn)氣均勻性要求。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的3缸平均流量系數(shù)相對(duì)偏差大于2.5%，因此，這款發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)偏差≤±2.5%的要求。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣測(cè)試情況

2 改進(jìn)措施

2.1 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真

為增強(qiáng)混合氣體之間的相互擾動(dòng)，對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)進(jìn)氣總管進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)氣彎管（與進(jìn)氣歧管連接）的角度以及進(jìn)氣歧管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（如圖6 所示），以增強(qiáng)進(jìn)入各缸氣體的穩(wěn)態(tài)均勻性。優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管CFD仿真模型如圖7所示。

圖6 進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖7 優(yōu)化后各缸進(jìn)氣歧管的CFD仿真模型

優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣測(cè)試情況見表3。由表3可知，優(yōu)化后的進(jìn)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(duì)偏差≤±2.5 %的要求。

表3 優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣測(cè)試情況

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)行全速全負(fù)荷臺(tái)架試驗(yàn)，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(dòng)較小，優(yōu)化后的進(jìn)氣總管各缸EGR率均勻性控制在≤2.0%，相比原發(fā)動(dòng)機(jī)有較大的提升。

圖8 優(yōu)化后全負(fù)荷下各缸EGR率

圖9 優(yōu)化后各缸EGR率均勻性

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某國(guó)六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例，臺(tái)架測(cè)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(fù)荷工況下差異>9%。

通過STAR CCM+軟件對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行三維CFD穩(wěn)態(tài)均勻性模擬分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣穩(wěn)態(tài)均勻性不滿足要求，平均流量系數(shù)相對(duì)偏差應(yīng)≤±2.5%。

對(duì)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管仿真分析可知，平均流量系數(shù)相對(duì)偏差滿足≤±2.5%的要求。將新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管搭載在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各缸的EGR率波動(dòng)較小，優(yōu)化后的進(jìn)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(dòng)機(jī)相比更具有優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果可為后期同類發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。