基于压前管路的某V型天然气发动机燃气混合均匀性优化
2024-06-09杨鹏孙放侯岩舒李德华高坤
杨鹏 孙放 侯岩舒 李德华 高坤
摘要：为解决某V型天然气发动机两侧气缸燃气混合不均匀的问题，采用计算流体动力学软件建立压气机前、后管路模型，分析混合不均匀原因，优化混合器安装角度、压前管路结构，并进行仿真和发动机性能试验验证。仿真结果表明：混合气在流体运动产生的离心作用下向压前弯管内侧聚集，导致两侧气缸混合气不均匀；将混合器安装角度旋转45°，两侧气缸天然气质量分数偏差由压前管路的0.195降为0.129，说明混合均匀性有改善，但幅度不大；将压前管路光滑过渡弯头改为直角弯头，两侧压气机入口处天然气质量分数偏差由优化前的0.195降为-0.005，混合均匀性明显得到改善。改进前、后的发动机性能试验结果表明：优化后，两侧缸内平均爆发压力相对偏差由14.5%降为9.0%。两侧缸内平均爆发压力偏差与天然气质量分数偏差有较好的吻合性，说明优化压前管路结构可明显提高发动机混合均匀性。
关键词：天然气；混合器；混合均匀性；计算流体动力学；压前管路
中图分类号：TK436文献标志码：A文章编号：1673-6397（2024）02-0065-07
引用格式：杨鹏，孙放，侯岩舒，等.基于压前管路的某V型天然气发动机燃气混合均匀性优化［J］.内燃机与动力装置，2024，41（2）：65-71.
YANG Peng，SUN Fang，HOU Yanshu，et al.Optimization of gas mixing uniformity for a V-type natural gas engine based on the pipeline in front of the compressor［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（2）：65-71.
0 引言
天然氣与空气的混合均匀性对天然气发动机动力性和排放性有重要影响。进气混合不均匀，可造成各缸爆发压力不一致、热负荷不均匀、排放控制困难，严重时导致发动机爆震、拉缸等[1-2]。对大多数气体机，天然气与空气通过混合器初次混合，合理设计混合器结构可提高混合均匀性[3-4]。目前大功率发动机通常采用涡轮增压器提高发动机热力循环效率，高速旋转的压气机可提高进入发动机的空气压力，增加进气量，同时提高发动机气缸内燃气混合均匀性[5-6]；利用压气机前、后管路结构进行天然气与空气的二次混合，可进一步提高燃气混合均匀性。
随着计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）数值模拟技术的应用，通过CFD仿真分析进气管路流体运动，可提高结构优化效率[7-8]。张强等[9]利用CFD数值模拟方法模拟沼气发动机进气流动，分析了流动区域的压力场、速度场等参数并评价了各缸进气均匀性，同时分析了进气系统流动阻力，优化了发动机进气系统结构参数，研究结果表明采用两级谐振系统可改善沼气发动机进气均匀性，提高了发动机性能；杨书乔等[10]利用CFD软件对比分析了大缸径天然气发动机不同燃气喷嘴结构对应的混合气均匀性，并对喷嘴结构进行优化。针对发动机进气均匀性的相关研究较多，但评估天然气浓度偏差与V型发动机机两侧爆发压力偏差的相关研究较少。
某V型天然气增压发动机，天然气（主要成分是甲烷）与空气通过布置在压气机前的单混合器混合，造成发动机两侧混合气中天然气质量分数偏差过大，本文中采用CFD分析天然气与空气的混合均匀性，确定燃气混合不均匀的原因，提出优化方案并进行验证。
1 模拟理论与仿真模型
1.1 控制方程
根据物理守恒定律，气体流动系统应遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。此外，流动气体若包含不同成分，还要符合组分守恒定律；如果流动处于湍流状态，流动系统还应满足湍流输运方程[11-12]。
由于文中涉及的流动均为稳态不可压缩，气体密度不随时间变化。系统质量守恒方程[11]为：
?（ρu）/?x+?（ρv）/?y+?（ρw）/?z=0，
式中：ρ为气体密度，u、v和w分别为气体在x、y和z方向的速度分量。
对于黏性为常数的不可压流体，x方向动量守恒方程为：
式中：μ为动力黏度，t为时间，p为该方向的流体压力，Su为广义源项。
天然气与空气2种组分都符合组分质量守恒定律，每个组分的质量守恒方程是一个质量分数传输方程，空气流动过程中夹带天然气，天然气传输过程包括对流和分子扩散2部分，天然气质量分数随时间和空间发生变化，各组分对应的质量守恒方程
?（ρc）/?t+divρuc=divdgradρc+Ss，
式中：c为某组分体积分数，?（ρc）/?t为对应组分时间变化率，div（ρuc）为组分对流项，d为某方向组分扩散因数，grad为对目标项进行梯度运算，div（dgrad（ρc））为组分扩散项，Ss为组分生产率。
湍流模型采用最广泛的湍动能与耗散度模型，湍流模型控制方程为：
式中：k为湍动能；xi、xj表示不同方向上的位移；μi为不同方向的黏度系数；μt为湍动黏度；Prk为与湍动能对应的普朗特数；Prε为湍动能耗散率的湍流普朗特数；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项；Gb为浮力引起的湍动能产生项；ε为湍动能耗散率；YM为可压湍流脉动扩张带来的影响；Sk、Sε为用户定义的源项；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，其中C3ε为与浮力相关的经验常数。
1.2 仿真模型
某V型天然气增压发动机采用单混合器，两侧气缸分别记为A、B，每侧气缸对应相应的压气机和进气管。混合器、压气机前端管路、中冷器前端盖等结构对A、B两侧天然气混合均匀性产生影响，影响发动机两侧气缸爆发压力均匀性。压气机前管路完成空气与天然气的初次混合，若A、B侧压气机入口处天然气质量分数偏差大，降低燃气混合均匀性；A、B侧压气机入口处天然气质量分数偏差与压气机后模型结合，可评估中冷器前端盖混合效果。V型气体机进气管路结构如图1所示。
由图1可知：空气、天然气在混合器混合后经过对应的A、B两侧压气机，在中冷器前端盖进行二次混合，由发动机A、B两侧进气管进入两侧气缸。
压气机结构复杂，对天然气混合效果影响较小，对压气机模型进行简化处理[13-14]。CFD仿真模型设为定常模式，流动状态为湍流，湍流模型采用k-ε，近壁面处采用壁面函数法，流体介质为包含空气和甲烷的多组分介质。空气管入口采用质量流量边界，根据新鲜空气与天然气的质量，空气管入口空气质量分数设为1，天然气质量分数设为0；天然气管入口空气质量分数设为0，天然气质量分数设为1。采用CFD软件仿真压气机前、后管路模型如图2所示。
2 混合均匀性分析及改进
2.1 混合均匀性评价
管路截面中天然气质量分数分布可反映不同截面位置空气与天然气混合均匀性，天然气质量分数一致性[15]
式中：f为任意单元面，?f为监控流动截面对应的天然气质量分数，?—为天然气表面平均質量分数，Af为监控流动截面对应的面积。d′=0～1，当d′ =1，表明天然气与空气完全混合均匀。
天然气质量分数偏差
w′= wA/wB-1，（2）
式中：wA、wB分别为A、B两侧压气机入口对应的天然气质量分数。w′越小，质量分数偏差小，混合越均匀。
2.2 原方案压前管路混合均匀性
天然气质量分数越大，单位体积内有更多的天然气与氧气混合，燃烧反应更加剧烈，产生的热量和压力更高，缸压越大，因此A、B两侧压气机入口处天然气质量分数偏差导致缸内爆发压力不同。原方案压前管路内天然气质量分数及混合气流速分布分别如图3、4所示。
图3 原方案压前管路天然气质量分数分布 图4 压前管路混合气流速分布
由图3可知：天然气与空气在混合器初始混合，但并未完全混合；靠近混合器位置，部分天然气质量分数较高；混合气流经弯头位置（图3中虚线圆圈所示）时，由于离心作用，密度大的空气流向外侧，密度相对较小的天然气聚集在内侧，由于A侧压气机对应的压前管路靠近混合器内侧，质量分数更大的天然气进入A侧压气机。根据式（1）计算分流前截面C天然气质量分数一致性为0.940；随着混合气体的流动，天然气与空气混合均匀，根据式（2），计算额定工况下A、B两侧的天然气质量分数偏差为0.195。
由图4可知：天然气与空气混合后，流速分布不均匀；混和器内流速较高，气流湍流掺混效果较好，有利于天然气与空气混合；混和器弯管部位流速均匀，考虑到弯管离心作用，A侧压气机入口天然气质量分数高于B侧压气机入口处。
2.3 原方案压后中冷器端盖混合均匀性
将A、B 两侧压气机入口处天然气质量分数偏差作为压气机后中冷器端盖入口边界条件。经过中冷器端盖混合后，中冷器端盖天然气质量分数分布如图5所示。
根据式（2），中冷器出口A、B两侧的天然气质量分数偏差为0.125，混合均匀性有一定提升，但偏差仍较大，中冷器端盖提高天然气混合均匀性的作用有限。
结合以上分析，压前管路结构不合理是造成发动机A、B两侧天然气质量分数偏差的主要原因。根据发动机性能试验，A侧缸内平均爆发压力与B侧缸内平均爆发压力相对偏差（A侧缸内平均爆发压力与B侧缸内平均爆发压力的差与B侧缸内平均爆发压力的比）为14.6%。与A、B两侧天然气质量分数偏差呈现较好的吻合度，可根据缸压变化分析天然气质量分数。
2.4 优化方案混合均匀性分析
天然气与空气混合过程可分为质扩散和质对流。质扩散指分子运动引起的质量传递，质对流指对流掺混引起的质量传递。混合气内部存在质量分数梯度时，每种组分都向对应的低质量分数方向转移，以减弱质量分数不均匀的趋势，同时混合气流动过程中始终存在对流。
2.4.1 混合器安装角度
混合器有4个叶片，每个叶片分布若干喷孔，天然气从喷孔流出与空气初始混合，混合器安装角度对混合效果产生一定影响。将混合器分别按照原角度、原角度旋转45°进行安装，对比混合效果。混合气2种安装角度示意如图6所示。
将混合器旋转45°后，经计算，A、B两侧的天然气质量分数偏差由0.195降为0.129，混合气均匀性有一定改善，但偏差仍较大。进一步分析混合器安装角度旋向对混合均匀性的影响。按照混合气流动方向，在压前管路截取4个截面，记为截面D、E、F、G，混合器4个截面位置如图7所示。
混合器原角度及旋转45°各截面天然气质量分数如图8、9所示。
由图8a）可知：在初始位置截面D处，进气管路无扰动，天然气质量分数梯度较大，分布较规则，沿流动方向逐渐扩散和掺混，混合均匀性逐渐提高。由图8b）可知：在弯管位置截面E处，由于离心作用，天然气向弯管内侧聚集。由图8c）、d）可知：天然气在截面F、G处明显靠近弯管聚集。按照原角度安装，混合器后天然气质量分数高的区域呈X型分布，且随着混合气流动，靠近弯管内侧天然气质量分数较高。
由图9可知：原安装角度旋转45°后，天然气质量分数分布趋势与原角度大致相同，初始位置截面D天然气体积分数高的区域呈十字型分布，天然气质量分数高的区域距离A侧压气机入口较远，随着混合气的流动，靠近弯管内侧天然气质量分数降低，混合均匀性更好。
2.4.2 压前管路优化
基于天然气与空气混合原理，从增加混合距离、提高混合气湍流强度2方面进行优化，为减弱分流前弯管离心作用的影响，对压前管路提出4种优化方案。方案1延长混合器后管路，增加混合距离，使混合气充分扩散；方案2在弯头中间增加导流板，避免天然气在离心作用下向管路弯头内聚集；方案3将光滑过渡弯头改为直角弯头，增強混合气在弯头位置处的湍流强度，提高天然气与空气的对流掺混；方案4在弯头前、后分别增加扰流柱，提高天然气与空气的对流掺混强度，压前管路优化方案如图10所示。
采用CFD软件对4种方案进行建模计算分析，在相同边界条件下对比天然气混合效果，不同压前管路优化方案天然气质量分数分布如图11所示。
由图11a）可知：天然气经混合器后，部分区域天然气质量分数较大，延长管路后，质量分数大的天然气在混合气中充分扩散，提高了分流前天然气混合均匀性；分流前截面C天然气质量分数一致性提高至0.980。由图11b）可知：弯管增加导流板，外侧天然气质量分数较高的红色区域在导流板作用下，无法全部向内侧聚集，A侧压气机入口处天然气质量分数比B侧高0.043，提高了混合均匀性。由图11c）、d）可知：增加直角弯头和扰流柱，加强混合气对流掺混；混合气在直角弯头处撞壁，产生较强湍流，破坏原始流动状态；混合气流过扰流柱，产生流动分离，湍流强度增强，天然气与空气的混合效果更好。
对比原方案与压前管路优化后4种方案，A、B侧压气机出口处的压差p′（A侧压气机出口处压力与B侧压气机出口处压力的差）及w′仿真分析结果如表1所示。
由表1可知：原方案与压前管路优化后4种方案的p′均较小，满足行业内两侧压差不得大于5.0 kPa的规定，压前管路结构变动对发动机性能影响不大；对比原方案，优化后4种方案的w′明显减小，方案3、4的w′低于0.01。
由于优化方案3结构改动最小，效果较明显，在发动机左、右两侧随机选取3个气缸，采用方案3进行发动机性能试验，压前管路优化前、后各缸爆发压力如表2所示。
由表2可知：压前管路优化前A、B两侧平均爆发压力分别为16.5、14.4 MPa；压前管路优化后A、B两侧平均爆发压力分别为16.0、15.4 MPa；A侧平均爆发压力与B侧平均爆发压力相对偏差由14.5%降为9.0%，提高了缸内燃气混合均匀性。
3 结论
1）原进气管路结构混合距离较短，且在分流前受弯管离心作用，使天然气向弯管内侧聚集，造成发动机两侧天然气质量分数偏差较大。
2）混合器安装角度影响V型天然气发动机两侧天然气质量分数偏差。
3）优化压前管路结构，可提高气缸两侧混合气均匀性，将压前管路光滑过渡弯头改为直角弯头，两侧压气机入口处天然气质量分数偏差由优化前的0.195降为-0.005。两侧缸内平均爆发压力相对偏差由14.5%降为9.0%。
参考文献：
[1]周保龙.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]高文静，季雅文，咸凯，等.气体发动机进气及混合均匀性研究[J].农业装备与车辆工程，2016，54（7）：38-41.
[3]NAKAI S，MORIMOTO S，YAMAWAKI H，et al．The combustion improvement technologies for large natural gas engine by in-cylinder observation and prediction［C］//Proceedings of CIMAC World Congress on Combustion Engines．Vienna， Austria：CIMAC，2007.
[4]刘一鸣，刘伟，花志远，等.基于模糊PID的电喷天然气发动机空燃比控制策略研究[J].内燃机工程，2012，33（3）：14-19.
[5]郭立新，李康宁，施东晓，等.天然气发动机EGR系统优化研究[J].车用发动机，2019（6）：51-57.
[6]江楠，鹿文慧，王盼盼，等.天然气发动机混合器模块模型设计[J].内燃机与动力装置，2022，39（2）：22-27.
[7]邓彪，李朝阳.文丘里式混合器的结构差异对发动机性能的影响[J].柴油机设计与制造，2022，28（2）：19-24.
[8]朱小玄，王华，左承基.某天然气发动机的文丘里管混合器结构参数设计[J].内燃机与动力装置，2013，30（5）：13-17.
[9]张强，李娜.沼气发动机进气均匀性数值分析[J].农业工程学报，2010，26（8）：145-149.
[10]杨书乔，平涛，李翔.燃气喷嘴结构对天然气发动机混合气均匀性的影响研究[J].柴油机，2015，37（1）：13-16.
[11]MOHAMED A J，GUEORGUI K， MOHAMED S A. Influence of intake manifold design on in-cylinder flow and engine performances in a bus diesel engine converted to LPG gas fuelled，using CFD analyses and experimental investigations［J］.Energy，2011，36（5）：2701-2715.
[12]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[13]叶明辉，黄露，帅石金，等.基于一维、三维及耦合模型的汽油机进气系统优化[J].车用发动机，2007（3）：44-49.
[14]赵玥，冷建，王钰琦，等.天然气发动机进气及压缩过程三维仿真分析[J].内燃机与动力装置，2023，40（4）：73-78.
[15]姬芬竹，谷可帅.汽油机进气歧管流通性和均匀性数值模拟[J].北京航空航天大学学报，2014，40（2）：154-159.
Optimization of gas mixing uniformity for a V-type natural gas engine
based on the pipeline in front of the compressor
YANG Peng1，2，SUN Fang1，2，HOU Yanshu1，2，LI Dehua1，2，GAO Kun1，2
1.State Key Laboratory of Engine Reliability， Weifang 261061， China;
2.Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China
Abstract：In order to solve the problem of uneven gas mixing between the two cylinders of a certain V-type natural gas engine， computational fluid dynamics software is used to establish models of the front and rear pipelines of the compressor， analyze the reasons for uneven mixing， optimize the installation angle of the mixer and the structure of the intake pipeline， and conduct simulation and engine performance testing verification. The simulation results show that under the centrifugal effect generated by fluid motion， the mixture accumulates towards the inner side of the pressure front bend， resulting in uneven mixture between the two cylinders. Rotating the mixer by 45 °， and the deviation of natural gas mass fraction on both sides of the cylinder decreases from 0.195 to 0.129， indicating an improvement in mixing uniformity， but it is quite limited. The smooth transition elbow of the intake pipeline is changed to a right angle elbow， and the deviation of the natural gas mass fraction at the inlet of the two compressors on both sides is reduced from 0.195 to -0.005. The mixing uniformity is significantly improved. The performance test results of the engine before and after improvement show that after optimization， the average explosion pressure deviation in both cylinders has been reduced from 14.5% to 9.0%. There is a good agreement between the deviation of average explosion pressure on both sides of the cylinder and the deviation of natural gas mass fraction， indicating that optimizing the intake pipeline structure can significantly improve the mixing uniformity of the engine.
Keywords：gas；mixer；mixing uniformity；computational fluid dynamics；the pipeline in front of the compressor
（責任编辑：胡晓燕）
