文丘里式混合器的结构差异对发动机性能的影响

邓彪，李朝阳

(上海新动力汽车科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

本文根据项目需求，对比2款不同的文丘里管式混合器差异，进行计算流体力学(CFD)仿真分析，最后基于某天然气发动机试验平台，验证2款混合器对燃气发动机的性能影响，为后续燃气发动机开发提供技术支撑。

1 文丘里式混合器

要实现燃气发动机的起动、怠速、加速及功率控制等功能，需要良好的燃气空气混合，这种混合器为文丘里式，其结构简单，且易实现电子控制[2]。

根据燃料与空气混合的方式，文丘里式混合器分为2类：文丘里直流式混合器和文丘里旋流式混合器。这2类混合器的最大区别是：旋流式混合器添加了旋流器，增强了进气扰动，提高了进气混合均匀性，但是成本和机构复杂程度均高于直流式混合器[3]。

1.1 工作原理

文丘里式混合器的基本原理是当流体在缩放喷管时，在喉口即管道最小截面处的速度达到最大值。根据伯努利定律，由于此处动压最大、静压最小，压差使燃料进入管内，达到混合的目的。将空气通道设计为缩放喷管形状，由于在最小截面处空气流速较大、静压力较低，与燃气腔内的燃气形成压差，使燃气喷入空气通道内[4]。这种混合器结构比较简单，但其结构参数对混合气的形成及空燃比影响较大，因此对发动机的工作过程有显著影响[5]。

1.2 工作特性

本文对比的混合器均为直流式混合器，其最大差异是进气孔径差异及混合器本身的长度差异。其中，A款混合器的长度为280 mm，其进气侧的喉口直径为31.0 mm；B款混合器的长度为204 mm，其进气侧喉口由4个喉口组成，直径为16.5 mm。2款混合器的三维模型半剖视图如图1所示。

图1 2款混合器三维模型

1.3 流体分析

充分混合空气有利于改善进气混合侧的混合均匀性。可以通过先进的测试仪器明确发动机内部气体的流量过程，但是其成本高，测试过程较复杂，且无法得到详细的气流过程[6]。相较于测试仪器，本文采用的CFD模拟能够获得更好的效果，且具有成本低、周期短、实用性强等优势。因此，本文利用Fluent软件建立文丘里混合器模型，对其稳态工作过程进行CFD模拟分析[7]。

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1.3.1 仿真参数设置

将2款文丘里混合器在同一工况下进行流场计算分析，仿真参数设置见表1。分析2款文丘里混合器内部压力和速度场分布情况[8]，混合器前后管道长度对混合均匀度具有一定影响。混合器仿真时，在其进出口处预留50 mm直管。通过已知参数，计算求得喉口压力，以及仿真求解加长后出口端面的天然气、废气再循环(EGR)混合均匀性。

表1 仿真参数设置

1.3.2 2款混合器CFD模型

将2款混合器的三维模型模导入gambit模块进行网格处理，再导入Fluent软件设定边界条件。分别标记2款混合器的空气、燃气和EGR入口，如图2所示。

图2 2款混合器CFD模型

1.3.3 压力场分布

A款混合器压力场主要集中分布在EGR入口和燃气入口，而B款混合器压力场分布较均匀，如图3所示。

图3 2款混合器压力场分布

1.3.4 速度场分布

A款混合器的速度场明显更加集中在混合器中间部位，如图4所示。说明A款混合器的混合均匀性劣于B款混合器。

图4 2款混合器速度场分布

1.3.5 喉口压力

通过仿真分析测得2款混合器的喉口压力，A款混合器为207.40 kPa，B款混合器为216.05 kPa，B款混合器的喉口压力略大。

1.3.6 混合均匀性

通过测试分析可得，2款混合器的混合均匀性差异不大，B款混合器的喉口压力大于A款混合器，见表2。

表2 2款混合器混合气均匀性

2 性能试验

2.1 试验用发动机

目前，重型天然气发动机主要采用的技术路线为当量燃烧、三元催化及高压冷却EGR，以满足国六排放限值标准。同时，高压冷却EGR具有降低热负荷和爆燃倾向，以及降低燃油耗的技术优势[9]。因此，通过混合器提前预混合空气、再循环废气和燃气十分必要。

本文选择1款量产燃气发动机进行混合器的混合均匀性试验，该发动机的技术参数见表3。为对比2款混合器的差异，分别进行发动机外特性试验和排放试验[10]。

表3 燃气发动机主要技术参数

2.2 试验设备以及试验条件

为确保本次试验有序进行，保证数据准确性，本次试验采用的主要设备见表4，设定的边界条件见表5。进行试验时，分别记录外特性点各参数情况，对比功率和燃气耗等参数差异，试验场景如图5所示。

图5 发动机试验场景

表4 试验设备

表5 试验条件

2.3 发动机性能比较分析

将2款混合器分别与发动机匹配，在相同的试验边界条件下完成发动机外特性试验。

2.3.1 功率和扭矩对比

2款混合器分别进行外特性试验，功率对比和扭矩对比如图6、7所示。试验结果显示，功率点和扭矩点均满足设计要求，但A款混合器的功率和扭矩在1 200～1 900 r/min转速区间略高于B款混合器。

图6 2款混合器的功率对比

图7 2款混合器的扭矩对比

2.3.2 其他性能对比

2款混合器的燃气流量、空气流量和EGR率对比如图8-10所示。试验结果显示，B款混合器对应的燃气流量、空气流量小于A款混合器。

图8 2款混合器燃气流量对比

图9 2款混合器空气流量对比

图10 2款混合器EGR率对比

2款混合器的进气歧管压力、增压压力、EGR压力和混合气喉口压力对比如图11-14所示。试验结果显示，B款混合器在1 200～1 900 r/min转速区间的进气歧管压力、EGR压力和EGR压力基本一致，但B款混合器对应的增压压力和喉口压力小于A款混合器。

图11 2款混合器进气歧管压力对比

图12 2款混合器的增压压力对比

图13 2款混合器的EGR压力对比

图14 2款混合器喉口压力对比

2.4 排放试验

按照GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》标准要求，分别在冷热和双热2种工况下进行瞬态全球重型发动机认证程序(WHTC)排放试验，对比2款混合器对燃气发动机排放性能影响的差异。该排放试验包含CO、氮氧化物(NOx)、CH4、非甲烷碳氢化合物(NMHC)气体，以及NH3排放结果。将试验结果与排放标准限值进行了对比，见表6。

表6 各项排放指标

由排放试验结果分析可知：2款混合器的排放结果均满足排放要求。其中，A款混合器的NOx排放值稍低，B款混合器的NH3排放值较低，其余排放指标均接近。

3 结论

本文对2款文丘里式混合器进行了结构差异性分析和CFD仿真。通过某款天然气发动机平台试验，比对了2款混合器对发动机性能的影响，得出以下结论。

(1)B款混合器的喉口由4个喉口组成，其直径变化同时影响扩压角和压缩角。较小的喉口直径会改善燃气和空气的混合均匀度，压力损失随喉口直径的减小而增大。

(2)2款混合器的喉口压力不同。B款混合器的喉口压力小于A款，不利于再循环废气导入。但B款混合器的压降较小。

(3)外特性试验和排放试验结果显示，相较于A款混合器，B款混合器的优势并不明显，其功率和扭矩表现比A款混合器差。一方面，这与进气侧的管路布置有关；另一方面，在试验过程中，进气歧管压力、EGR率，以及EGR压力基本一致，但B款混合器对应的燃气流量、空气流量、增压压力和混合器喉口压力值小于A款混合器。这2款混合器均能满足发动机的性能设计要求。

综上所述，2款混合器各有优劣势，应根据实际使用情况和性能件匹配选择合适的混合器。目前，发动机的整体布置要求结构紧凑，由于B款混合器在性能上可以满足设计要求，因此选择结构更加紧凑的B款混合器将成为混合器技术发展的趋势。