某重型天然气发动机混合器芯优化研究

吴宇波

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某重型天然气发动机混合器芯优化研究

吴宇波

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

作为天然气发动机的重要零部件，混合器在很大程度上影响着发动机的使用性能，其中，混合器芯的设计是关键。针对某重型天然气发动机的混合器芯开展优化研究，通过仿真计算天然气与空气的混合效果，以及通过发动机试验，比较了原混合器芯设计方案和3种优化方案的差异。最后，通过综合评价4款混合器芯的优势和劣势，得出最终优化方案。

天然气发动机混合器芯仿真性能试验

1　引言

发展清洁能源已成为国家战略，而天然气以清洁、安全、高效、储藏量大、排放性能优异的特点，被越来越多地应用于发动机领域。在天然气发动机的控制系统中，混合器作为重要零部件，在很大程度上决定了发动机的使用性能。本文针对某重型天然气发动机的混合器现状，结合仿真计算与试验研究，对混合器的核心组成——混合器芯开展优化研究，通过分析混合器芯对爆震的影响，并结合混合器芯的气体流动阻力、制造成本等因素，选出最佳方案。

2　天然气混合器的现状及存在问题

顾名思义，天然气混合器是将天然气与空气进行混合的装置。天然气发动机混合器分为两种：比例式混合器和Venturi式混合器。比例式混合器内有膜片和弹簧，能够根据空气的压力和流量，自动调节天然气的进气量，比例式混合器结构复杂、成本高、价格贵。而Venturi式混合器由混合器体和混合器芯两部分构成，如图1所示。Venturi式混合器结构简单，价格便宜，越来越多地应用在闭环控制系统的天然气发动机上。Venturi式混合器，设计的核心在混合器芯，其决定了天然气与空气的混合效果。

图1　Venturi式混合器的结构示意图

2.1发动机主要技术参数

某重型天然气发动机，排量11.8 L，主要用于匹配最大总质量为55 t的重型卡车，其主要技术参数如表1所示。

表1　某重型天然气发动机主要技术参数

2.2目前存在的问题

该重型天然气发动机采用了Venturi式混合器，在开展发动机全速全负荷工况下的可靠性试验过程中，某缸活塞发生了熔顶。通过对故障的分析，认为活塞燃烧室存在设计隐患，但不排除因天然气与空气混合不均匀，使得该气缸天然气偏浓、爆震倾向明显，最终导致活塞熔顶的可能性。

预混合式的天然气发动机，天然气与空气在进气歧管上游混合后，通过进气歧管进入各气缸。当天然气与空气混合良好时，虽然各缸的充气效率不同，存在个别气缸进气量大、个别气缸进气量小的差异，但是各气缸的天然气浓度几乎相同。由于发动机ECU对每缸的点火提前角标定是相同的，在确定的工况下，各气缸火花塞的点火时刻是相同的。倘若天然气与空气混合不均匀，会导致有些气缸天然气偏浓，有些气缸天然气偏稀。对于天然气偏浓的气缸，在点火提前角不改变的前提下，该气缸的爆震倾向加剧，加大活塞熔顶的风险，尤其是发动机在重负荷工况下长时间运行时。

因此，为了改善天然气与空气的混合效果、提高天然气与空气混合均匀性、降低发动机发生爆震的风险、提高发动机的可靠性，十分有必要针对Venturi式混合器的混合器芯的结构开展优化研究，从而设计出一款适合该重型天然气发动机的混合器芯。原混合器芯参数如表2所示，结构如图2中方案A所示。

3　Venturi式混合器芯的优化设计

基于原混合器芯（方案A）在发动机台架试验中获取的试验数据，设计了3种优化改进方案，分别为方案B、方案C和方案D，如图2所示。这4款混合器芯的主要参数如表3所示。

4　仿真计算

本文利用STAR-CCM+软件，对4款混合器芯的混合效果进行仿真计算。STAR-CCM+软件是一款采用最先进的连续介质力学数值技术开发的新一代CFD求解器［1］，具有界面友好、灵活的3D-CAD建模和CAE集成功能、对几何结构可自动和手动修复、可接受多面网格、具有包面功能、大规模并行计算能力等特点。

4.1建立模型及边界条件

图24　款混合器芯方案

表3　混合器芯主要参数

根据发动机结构特点，将混合器体与发动机进气弯管设计为一体，混合器芯直接安装于进气弯管内，如图3所示。

图3　混合器芯安装于进气弯管的结构示意图

根据发动机实际运行中的电子节气门开度，对电子节气门进行模型简化，并针对发动机最大扭矩工况和额定工况，建立混合器芯、进气弯管以及电子节气门的仿真模型。开展气体混合效果仿真计算时，边界条件如表4所示。混合器芯仿真模型如图4所示，方案B、方案C和方案D对应的仿真模型基于图4的基础上替换相应的混合器芯。

4.2仿真计算结果

根据模型以及边界条件，4款混合器芯（如图2所示）的天然气与空气混合效果的仿真计算结果如图5～图9所示。

图4　混合器芯仿真模型

表4　边界条件

图5　b-b截面气体混合效果图

比较b-b、c-c、d-d截面的混合效果图可知，通过设计径向天然气进气通道、可以促进空气流中心区域的天然气进气，能够增强天然气与空气的混合效果。从进气弯管的出口处（d-d截面）看，原方案A和方案D气体混合较为均匀，尤其是方案A、方案B和方案C混合均匀性比较差。

图6　c-c截面气体混合效果图

图7　d-d截面气体混合效果图

图8　最大扭矩工况下f-f截面气体混合效果

图9　额定工况下f-f截面气体混合效果

分析f-f截面的混合效果图（图8和图9），由于节气门蝶阀开度的不同，造成了节气门后空气扰流程度差异：额定工况下，节气门蝶阀开度小，节气门后空气扰流剧烈，而最大扭矩工况下，节气门蝶阀开度大，节气门后空气扰流减弱。在空气扰流程度剧烈的工况下，天然气与空气混合得较好，反之亦然。因此，比较最大扭矩工况和额定工况下各截面的气体混合效果图可知，额定工况下的天然气与空气混合效果优于最大扭矩工况，在额定工况下，天然气与空气混合得更为均匀。

通过天然气与空气的混合效果仿真可知，通过增强混合气体的扰流程度，可以提高天然气与空气的混合效果。

通过仿真，还计算了混合器芯入口和出口的压力损失（a-a截面和b-b截面），如表5所示。

表5　混合器入口处与出口处的压力损失

5　试验研究

5.1试验条件

将4款混合器芯（原混合器芯和三种优化方案）安装在发动机上，进行爆震对比试验，如图10所示。天然气发动机受进气温度的变化影响较大，当进气温度升高，发动机发生爆震的趋势也加剧，尤其是当发动机进气温度超过75℃以后，发动机发生爆震的风险大幅度增加、扭矩明显降低、燃料经济恶化。因此要求天然气发动机的进气温度一般不超过65℃。

为了更客观地反映发动机出现的爆震程度，将爆震程度分为4个等级，具体如表6所示。

图10　混合器芯安装在发动机上

表6　爆震程度评价指标

为了较全面地评估不同的混合器芯对发动机爆震的影响，利用现有的试验设备，在进气温度分别为50℃和55℃条件下、利用燃烧分析仪，对发动机的第1缸和第5缸进行爆震检测。试验时，分别将发动机运行工况设定为额定工况和最大扭矩工况。

在最大扭矩工况下，发动机中冷后温度分别设定为50℃和55℃，第1缸和第5缸各款混合器芯的爆震情况如图11和图12所示。在额定工况下，发动机中冷后温度分别设定为50℃和55℃，第1缸和第5缸各款混合器芯的爆震情况如图13和图14所示。

5.2试验结果分析

（1）爆震风险分析

图11　最大扭矩工况时第1缸爆震情况

图14　额定工况时第5缸爆震情况

对图11～图14进行分析，可以得出不同工况、不同进气温度下，不同混合器芯对发动机爆震的影响程度，如表7所示。

为了定量评估各混合器芯对发动机爆震倾向的影响，将表6定义的各爆震等级，分别用数值0、1、3、5表示：无爆震对应0，偶发爆震对应1，较少爆震对应3，严重爆震对应5。统计表7中各爆震等级，可以得到每一款混合器芯的总爆震倾向，如表8所示。数值越高，使用该款混合器芯的发动机出现的总体爆震倾向就越显著，爆震风险也就越大。

表84　款混合器芯的总爆震倾向

由表8可知，方案C的爆震倾向最严重，发动机最容易发生爆震；方案B的爆震倾向次之；原方案A的爆震倾向再次之；方案D的爆震倾向最小，使用方案D混合器芯，发动机最不容易发生爆震。

（2）气体流动阻力分析

为了提高气缸内的空气进气量、增加发动机输出功率，要求空气进入气缸前的阻力越小越好。对于天然气发动机，天然气供气控制模式往往采用闭环控制，天然气喷射量严格按照标定的空燃比喷射。当空气进气量减小时，天然气喷射量也相应减小，发动机功率明显下降。因此，在评价混合器芯时，混合器芯的阻力也是关注环节之一。

受试验条件的限制，在试验过程中，未能测量混合器芯入口处的压力。开展混合器芯的流动阻力分析时，采用了仿真计算方式，对混合器芯的入口处空气与出口处混合燃气的压力差进行了计算，如表5所示。可见，方案C的阻力最大，方案A次之，方案D再次之，方案B的阻力最小。

（3）对喷嘴使用寿命的影响分析

发动机的燃气喷射控制是受闭环控制，相同工况下，四种方案的混合器芯安装在发动机上，发动机的燃气消耗量几乎相同。由于混合器芯结构的差异，导致了发动机的燃气喷射装置出口的体积流量差异。为了便于比较和分析，将发动机天然气的质量流量换算成混合器入口处的天然气体积流量，如图15所示。

图15　混合器入口处天然气体积流量

由图15可知，在4款混合器芯中，方案B对应的混合器入口处天然气体积流量小；方案A、方案C和方案D的混合器入口处天然气体积流量几乎相同。

发动机燃气喷射控制装置采用电磁喷嘴，流经喷嘴的天然气体积流量越大，喷嘴开启脉宽就越长，反之亦然。从喷嘴使用寿命看，基于相同的燃气消耗量，在发动机正常工作时，喷嘴开启脉宽长不利于喷嘴的使用寿命。

（4）制造难易程度及成本分析

混合器芯的制造难易程度决定了其成本和价格。由表3和图2可知，4款混合器芯，方案B结构最简单，制造难度最小，成本和价格最低；方案D次之；方案A和方案C结构最复杂，制造难度最大，成本和价格最高。

通过分析爆震风险、气体流动阻力、对喷嘴使用寿命的影响、制造难易程度及成本这5种属性可知，4款混合器芯各有优劣。

采用因果矩阵图比较4款混合器芯的综合性能，如表9所示。在这5种属性中，爆震风险对发动机影响最大，会影响到发动机的可靠性，其重要性最高；气体流动阻力的重要性次之，发动机低转速时输出的扭矩或功率常常决定了车辆在使用过程中的低速性能，在设计混合器芯时也是需要考虑混合器芯的气体流动阻力；发动机在匹配燃气喷射装置时，往往已经考虑了电磁喷嘴的使用寿命，且电磁喷嘴的开启脉宽均有较大的余量，电磁喷嘴开启脉宽的重要性再次之；混合器芯的制造难易程度通常决定着零件在生产过程中是否容易出错及其制造周期，其重要性与电磁喷嘴的开启脉宽相当；由于4款混合器芯均采用普通的铝件材料，体积小巧，在发动机整体价格中，混合器芯的成本可忽略不计，因此成本属性的重要性很小。

表94　款混合器芯的因果矩阵图

利用因果矩阵图，从五个方面进行分析，根据表9可知，方案D为最佳设计方案。

另外，通过爆震检测试验可知：该发动机的第1缸与第5缸的燃烧情况差异较大，第1缸的燃烧剧烈程度高于第5缸。在发动机额定工况下，无论是第1缸还是第5缸，其燃烧剧烈程度均小于最大扭矩工况。随着燃烧剧烈程度增加，发动机发生爆震的风险也随之增加。燃烧剧烈程度和爆震风险受天然气混合效果影响明显，与仿真计算的结果非常吻合。

6　结论

针对某重型天然气发动机，通过对不同混合器芯进行了天然气与空气混合效果的仿真计算，了解了天然气与空气在发动机混合器壳体（即进气弯管）内的流场分布，并通过试验研究，得到如下结论：

（1）天然气与空气混合后，进入进气歧管，靠近发动机自由端的混合气体中天然气偏浓，而靠近飞轮端的混合气体中天然气偏稀，使得第1缸的爆震风险高于第5缸。

（2）节气门蝶阀对空气产生扰流作用明显，节气门开度越大，扰流程度就越低，天然气与空气混合效果越差，天然气与空气混合越不均匀。

（3）可以通过增强天然气与空气的扰流，促进天然气与空气的混合，使得进入各气缸的混合气更加均匀。

（4）设计混合器芯时，最好有径向天然气的进气通道，以加强天然气从空气气流中心区域进气，促进天然气与空气的混合。

（5）设计混合器芯时，不但要考虑天然气与空气的混合效果，也应该考虑混合器芯的气体流动阻力、制造成本等因素。

针对本文得出的混合器芯的最佳方案，在混合器芯出口处下游，设计扰流机构，加强天然气与空气的混合，再开展发动机台架试验，评估发动机第1缸与第5缸的燃烧剧烈程度和发生爆震的风险，从而使天然气与空气的混合效果达到最优。

［1］邱静，王国志，李玉辉.基于STAR-CCM+的简单流体模型CFD研究［J］.液压气动与密封，2010（10）.

The Optimization and Reseach of Mixer Core for Heavy-duty Natural Gas Engine

Wu Yubo
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.Shanghai 200438，China）

As an important element for nat ure gas engine，mixer a large extent affects the use performance of natural gas engine，and mixer core as design key.This paper researches to optimize the mixer core for a heavy-duty natural gas engine，by simulating the mixing effect of natural gas and air，engine test，and comparing the differences between the original mixer core and three new solutions.At last，the best choice comes out，after estimating the advantages and disadvantages of each mixer core comprehensive.

natural gas engine，mixer core，simulation，performance test

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.003

来稿日期：2016-05-26

吴宇波（1982.10-），男，工程师，主要研究方向为天然气发动机的开发与应用。