天然气发动机排气管优化分析

2020-07-01刘清

装备维修技术 2020年29期

刘清

摘要：天然气主要成分为甲烷，海陆储量丰富，同时也可以通过沼气等生物发酵方式进行再生制备。天然气发动机作为重型车辆清洁高效的动力来源之一，日益受到产业链相关各方的密切关注。本文围绕市场的一款天燃气发动机出现故障的排气管进行结构设计优化和仿真分析，通过仿真分析表明，加大排气管的壁厚。增加法兰厚度以及在排气管上布置筋条，均可有效的提高排气管的可靠性，文中所优化的两款排气管都可满足设计目标，能有效的解决市场出现的问题。

关键词：天然气;发动机;排气管

引言

近年来，我国的经济高速发展，对石油的需求越来越大，由此产生了能源短缺和环境污染问题。满足欧五排放标准的天然气发动机在采用当量燃烧路线后，缸内温度比稀燃路线下的温度高，爆燃边界变窄;高增压、降转速使其向高功率密度和高负荷方向发展。在升功率提升的同时，天然气的发动机的热负荷会越来越大，这势必会对排气管的结构设计带来巨大的挑战。

1.欧5排放要求的特殊性

1.1 I型排放测试

2020年1月1日起开始执行的欧5排放限值如表1。欧盟准备执行的发动机欧5排放限值比欧四限值加严很多。发动机产品要想达到欧5排放限值，需要改进和提高发动机的排放控制策略，如调整触媒的贵金属含量等。

1.2测试循环

在欧4阶段，对于L3e类发动机，I型排放测试时使用WMTC1阶段循环，即第2号UNECE全球技术法规（1）规定的全球统一的发动机测试循环。L3e、L4e、L5e-A及L7e-A（子）类车辆使用WMTC2阶段循环，即第2号UNECE全球技术法规（2）内规定的全球统一的发动机测试。在欧5阶段，发动机排放测试需要使用WMTC3循环，即第2号UNECE全球技术法规（3）内规定的全球统一的发动机测试循环，适用于最高设计车速较低的车辆，这是L类车辆进行认证时强制使用的I型排放测试循环。

1.3车载诊断（OBD）

欧4阶段，L类发动机执行OBD第I阶段要求，按照测试程序进行测试并满足欧4阶段环境试验阈值。到欧5阶段，需要满足加严的试验阈值，见表3。同时欧5阶段还需要进行催化转化器监测、EGR（废气再循环系统）系统监测、失火监测、NOx后处理系统监测及车载诊断（OBD）欧4阶段，L类发动机执行OBD第I阶段要求，按照测试程序进行测试并满足欧4阶段环境试验阈值。到欧5阶段，需要满足加严的试验阈值。同时欧5阶段还需要进行催化转化器监测、EGR（废气再循环系统）系统监测、失火监测、NOx后处理系统监测及氧传感器劣化监测等系统功能和相关要求的测试。

1.4污染物控制装置耐久性

欧5阶段，排放耐久方式和耐久里程与欧4阶段一样。耐久方式也可以采取全里程耐久试验方法、部分里程耐久测试方法及数学计算方法。在采取数学计算方法时，需要用到给定的劣化系数。在欧5阶段，给定的劣化系数与欧4阶段有些差异。

2.排放技术方案

2.1稀薄燃烧-DOC-SCR-ASC

当发动机空燃比大于17.2时，称为稀薄燃烧。稀薄燃烧技术可降低发动机油耗和排放。天然气发动机采用稀薄燃烧技术时，单纯使用机内净化技术已经无法使NOx排放降至排放限值以下，需要增加SCR进一步降低NOx排放，并且需要配合ASC对使用SCR后发动机尾气中的NH3进行控制，满足欧五排放的要求。排放控制技术可最大限度提高天然气发动机的动力性和经济性，同时又能获得较好的排放性能，是柴油发动机中应用最广泛、技术最成熟、综合效果最好的技术方案。但该技术方案在天然气发动机的应用中存在诸多问题：1）根据发动机原排计算，需要天然气发动机排放后处理系统催化转化效率保持在90%以上;2）使用该技术后，天然气发动机排温比柴油机高且产生大量的H2O，对发动机排放耐久带来了挑战;3）在增加SCR系统后，后处理系统以及整车运行成本均增加较多。因此，该技术方案在天然气发动机中应用较少。

2.2理论空燃比-三元催化-EGR

理论空燃比技术指控制天然气发动机在所有运行工况下的过量空气系数为1，即将缸内参与燃烧的新鲜空气量与天然气之比控制在17.2左右。在采用理论空燃比技术后，发动机在经济性、热负荷、热效率等方面均劣于稀薄燃烧技术，但是在动力性、后处理使用、排放耐久方面优勢明显，可以满足欧五甚至更严格的排放限值要求。为降低天然气发动机采用理论空燃比后带来的劣势，提升竞争力，国内开发的满足欧五排放标准的天然气发动机普遍配备EGR系统。使用EGR系统后，可有效降低天然气发动机的最高燃烧温度、关键零部件的热负荷和爆震倾向，降低NOx排放，同时一定程度上提升发动机的经济性。

2.3天然气发动机排放技术方案对比

在对当前国内外天然气发动机主流排放控制技术和满足欧五排放标准的技术调研分析基础上，以排放控制和发动机经济性为主要评价指标，兼顾成本、系统复杂度、对未来发动机技术发展的适应性，多维度、多角度、多尺度地建立面向欧五排放标准的天然气发动机排放控制技术方案评价体系，为欧五天然气发动机开发提供参考。通过对天然气发动机常用排放技术方案进行对比，稀燃-DOC-SCR-ASC的技术方案在成本和经济性方面存在较明显的劣势。当前发动机排放标准日益严格，理论空燃比-TWC（-EGR）成为当前天然气发动机的主流技术方案。

3.计算模型

有限元模型包括气缸盖、排气管、涡后接管、涡后接管支架、排气管垫片、增压器底座、螺栓。气缸盖、排气管、增压器座、垫片用SimLab划分网格，螺栓用HyperMesh划分网格，在FIRE中计算内流场的温度，通过映射程序获取热边界，在Abaqus里施加边界条件，最后用Abaqus求解。进行温度场计算时，垫片采用DC3D6单元，实体采用DC3D10单元。进行强度计算时，垫片采用GK3D12M单元，实体采用C3D10M单元。

4.计算边界

4.1温度场分析

排气管内壁及缸盖排气道内壁由流体CFD计算提供映射边界。水套、缸盖油道、缸盖进气道、缸盖火力岸、排气管和缸盖外壁面的温度和换热系数按照经验施加;同时设置辐射温度和系数。

4.2带热负荷的静力分析

①温度场分析结果作为温度边界输入;②螺栓轴力：根据工艺试验可知，M10的排气管螺栓拧紧力矩为60～70N·m，强度计算取上限值;增压器螺栓为M12螺栓，拧紧力矩为110N·m。③增压器质量为13.8kg，在增压器质心处按照上下左右前后方向分别施加一定倍数的重力加速度。

4.3约束施加

温度场分析不施加位移约束，静力分析时，缸盖封火圈位置、机体顶面缸套安装台阶面约束上下方向（Y向）;缸盖截面Z方向采用对称约束;机体顶面左右分割线上若干点约束左右方向（Z向）;缸盖底面前后中间分割线、机体顶面前后中间分割线上若干点约束前后方向（X向）。

5.计算结果与分析

5.1温度场计算结果

高温区域主要分布在增压器到EGR取气口之间，对应是故障位置，两种方案最高温值区别不大，方案1稍小于方案2，但两种结构的排气管最高温度均满足设计目标要求。

5.2高周疲劳计算结果

将应力分析结果文件导入到FEMFAT软件中，使用TransMAX方法进行高周疲劳求解。大板筋附近安全系数相当，两种结构的差异不大，疲劳安全系数均满足设计要求。