进气流态对天然气发动机性能影响的试验研究.pdf
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1、第 41 卷(2023)第 5 期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE Vol.41(2023)No.5 收稿日期:2022-05-03;修回日期:2022-11-27 基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0211301).作者简介:唐志刚,博士,工程师,E-mail:.DOI:10.16236/ki.nrjxb.202305051 进气流态对天然气发动机性能影响的试验研究 唐志刚1,潘永传1,李 卫1,李 哲2,李 亮2,刘洪哲1(1.潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 261061;2.潍柴西港新能源动力股份有限公司,山东 潍坊 261041)摘要:
2、对原涡流进气道进行了改制,设计了具有滚流特征的进气道,在试验台架上分别对匹配这两种进气道的天然气发动机进行了性能测试结果显示:相同工况和控制参数下,与涡流进气道相比,匹配滚流进气道涡前压力和涡前温度更低,燃气消耗率降低 12 g/(kWh),并且缸内压力更高、循环变动更低,燃烧始点(AI 05)和燃烧中心(AI 50)提前 23 CA,但燃烧持续期整体长 57 CA进一步分析发现,滚流进气道的性能优势在于可以实现更好的火花塞扫气,但滚流进气道加速燃烧的效果不明显,并且爆震倾向增加明显,这与其点火滞燃期短和设计滚流强度较弱有关此外,滚流进气道循环变动低、燃烧稳定性好,这种特性使得滚流进气道对废气
3、再循环(EGR)率的耐受度更高,对降低排气温度有利 关键词:天然气发动机;涡流;滚流;进气道;性能测试 中图分类号:TK411 文献标志码:A 文章编号:1000-0909(2023)05-0435-07 Investigation on the Influence of Intake Port Flow Pattern on the Performance of a NG Engine Tang Zhigang1,Pan Yongchuan1,Li Wei1,Li Zhe2,Li Liang2,Liu Hongzhe1(1.Weichai Power Company Limited,Weif
4、ang 261061,China;2.Weichai Westport Power Company Limited,Weifang 261041,China)Abstract:The intake port was re-designed for a natural gas(NG)engine in order to change the swirl flow into the tumble flow.A performance test was then implemented on the NG engine bench which matched the original and the
5、 new intake port respectively.The result shows that,compared with the original intake port under the same operat-ing conditions and control parameters,the new port has lower pre-turbine pressure and temperature,and the brake specific fuel consumption is decreased by 12 g/(kWh).It also has higher cyl
6、inder pressure and lower cyclic variation.Both the start of combustion phase angle(AI 05)and the combustion center phase angle(AI 50)are ad-vanced by 23 CA,but the combustion duration is prolonged by 57 CA.Further investigation founds that the reason for the advantage of the new intake port is that
7、the spark plug can be better scavenging.However,the new intake port cannot accelerate combustion and therefore induces a more seriously knocking event,which is as-cribed to its shorter ignition delay and weaker designed tumble strength.In addition,the characteristic of better combustion stability ma
8、kes the new intake port to have higher exhaust gas recirculation(EGR)tolerance,which is beneficial for lower exhaust temperature.Keywords:natural gas engine;swirl flow;tumble flow;intake port;performance test 天然气储量丰富、排放清洁、使用成本低以及存储安全等优点,使得天然气发动机成为商用车领域的重要发展方向1 目前,天然气发动机多采用当量燃烧废气再循环(EGR)三元催化器(TWC)的技术
9、路线,以应对国排放法规要求,由于天然气不易着火、燃烧速度慢的特征,导致国天然气发动机出现燃烧不稳定、气耗高和排温高等问题2 解决上述问题,改善天然气发动机的点火与燃烧过程是关键 掺混氢气,采用离子体点火、激光诱导点火和电晕点火等新型点火系方式可改善天然气的 436 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 5 期 着火过程3-6,改善燃烧过程重点则在于进气流的组织和利用7 进气强滚流运动,压缩冲程存在滚流崩塌效应,可提高点火时刻缸内的湍流强度,强化火焰传播速度8-9,因而点燃式发动机组织合适的滚流是关键 李浩冉等10和张晓彬等11研究了可变滚流系统对燃烧的影响;为了获得最优的滚流进气道,文献121
10、4分析了不同进气结构参数下的滚流组织;为改善当量天然气发动机的燃烧,王献泽15采用仿真手段对进气道和燃烧室结构进行了协同优化,韩志16仿真分析了燃烧室顶部起脊,并匹配切向气道实现高滚流的方式 这些研究都表明,进气道优化对于组织滚流运动的重要作用 商用车天然气发动机大都由柴油机改制而来,进气通常具有明显的涡流特征,通过对进气道进行适当改制,提高滚流比,可兼顾改善燃烧和控制开发成本的要求 鉴于目前缺乏改制气道相关的性能试验,笔者展开对某天然气发动机匹配涡流进气道和改制滚流进气道的性能试验,探究进气流态对天然气发动机性能的影响规律 相关研究结论对重型天然气发动机燃烧性能提升具有理论指导意义 1 进气
11、道设计 为实现滚流进气,对原涡流进气道进行了改制,改制前、后进气道特征对比如图 1 所示 通过弱化涡流进气道的螺旋特征(虚线处),并将进气口改成了渐缩形式(实线处),同时增加了鱼肚形设计(点线处),以此增加进气滚流强度 通过涡流比测试台架进行进气道稳流试验,对比了不同流态进气道差异,涡流比通过 AVL 方法予以评价17,试验结果见表 1 可以看出,采用滚流进气道设计后,涡流强度减弱,并且伴随流量系数的降低 由于缺乏滚流比测试设备,采用了Converge 软件对不同进气道进行了流动分析,湍流模型选用燃烧仿真推荐模型 RNG k-epsilon,基础网格尺寸为 2mm,气门锥角附近设置有两层加密网
12、格,网格尺寸为 (a)涡流进气道 (b)滚流进气道 图 1 不同流态进气道设计对比 Fig.1 Comparison of intake port design for differentflow patterns 表 1 涡流比与流量系数对比 Tab.1 Comparison of swirl ratio and flow coefficient 进气道形式 涡流比 流量系数 涡流进气道 1.60 0.35 滚流进气道 1.38 0.32 0.5mm,并添加了基于温度和速度的网格自适应策略,最小网格尺寸为 0.5mm 不同进气道采用相同的温度边界,转速设为 1200r/min,进气温度和压力
13、(采用绝对压力)分别设为 50 和 178kPa,工质为空气 图 2 为不同进气道流动特征对比 涡流比和滚流比定义分别为涡流角速度(绕 Z 轴旋转)和滚流角速度(绕 X 或 Y 轴旋转)与曲轴角速度的比值,通用公式见式(1)X 方向为主滚流方向(Y 方向不同气道滚流比差别小,不予讨论),方向正、负基于右手定则判定 与涡流进气道相比,滚流进气道涡流比有所下降,趋势与稳流试验结果一致,同时 X 方向滚流比增加,进气初期最大滚流比接近 1.3(0CA为压缩上止点),而涡流进气道不足 0.5 随着进气的进行,滚流进气道滚流衰减明显,但仍保持一定滚流优势,直至压缩行程在 60CA BTDC 左右,进一步
14、压缩时,滚流形态开始破碎,滚流比降低,上止点时两种进气道滚流比趋于一致 整体上,设计的滚流进气道满足预期要求 flowcran=/(1)式中:为涡流(滚流)比;flow、cran分别为绕坐标轴旋转的流动角速度和曲轴角速度 (a)涡流比 (b)滚流比 图 2 不同进气道流动特征 Fig.2 Flow characteristics for different intake ports 2023 年 9 月 唐志刚等:进气流态对天然气发动机性能影响的试验研究 437 2 性能测试台架配置 试验样机为天然气发动机,基本参数见表 2 发动 机 测 控 系 统 为 湘 仪 普 联 FC2000,主 要
15、包 括Siemens KTY84-130 型交流电力测功机、艾默生公司CMF010 科里奥利燃气质量流量计、ABB 公司FMT700 热膜式空气质量流量计、同圆进气中冷器以及湘仪普联 FC2110B 油门控制仪等,可以实现发动机定油门、定转速和定转矩等控制 缸内压力由Kistler 6118CF 传感器进行测量,并通过 Kistler 燃烧分析仪 KiBox 2893B121 对 6 个缸的缸内压力信号进行监测,曲轴转角信号由 Kistler 2614C 型角标仪进行采集,精度为 0.1CA 选用 HORIBA MEXA-ONE对 EGR 率进行测量,EGR 率EGR由式(2)进行计算 试验测
16、控系统见图 3 表 2 发动机配置参数 Tab.2 Engine specifications 参数 数值 气缸数 6 缸径/mm 127 活塞行程/mm 165 压缩比 11.5 标定功率/kW 338 最大转矩/(Nm)2 300 最大转矩转速/(rmin-1)1 1001 300 标定转速/(rmin-1)1 900 2222CO,inCO,BkgEGRCO,exCO,Bkg=100%(2)式中:2CO,in、2CO,ex和2CO,Bkg分别为进气 CO2体积分数、排气 CO2体积分数以及大气 CO2体积分数 图 3 试验测控系统示意 Fig.3 Schematic diagram of
17、 test and control system 3 试验结果与分析 3.1 基本性能对比 为分析不同流态进气道发动机在常用工况区的表现,基于实际路谱选择了工况 1(1100r/min,1000 Nm)、工况 2(1 100 r/min,1 600 Nm)、工况 3(1 200 r/min,1 400 Nm)和工况 4(1 300 r/min,1 200 Nm)进行研究,进气中冷后温度控制为 50,发动机出水温度控制为 95 在发动机转速、转矩、点火角度和 EGR 率等基础运行数据基本一致的情况下,不同流态进气道发动机性能见表 3,滚流进气道与涡流进气道性能参数差值见图 4 可以看出,表 3
18、不同流态进气道发动机性能对比 Tab.3 Performance comparison under different intake ports 进气道 工况 节气门开度/%点火角/()CA BTDCEGR 率/%涡前压力/kPa涡前温度/燃气消耗率/(gkW-1h-1)1 21.6 27 12 177.9 668 208.4 2 31.5 27 12 214.4 688 193.2 3 30.0 30 15 208.7 686 197.1 涡流 4 27.2 31 15 214.4 691 204.4 1 21.4 27 12 174.0 663 206.9 2 31.8 27 12 210
19、.5 682 191.8 3 30.1 30 15 204.1 680 195.9 滚流 4 27.3 31 15 206.2 686 202.5 图 4 滚流进气道与涡流进气道性能参数的差值 Fig.4 Difference of performance parameters betweentumble intake port and swirl intake port 采用滚流进气道后,涡前温度(各缸排温均值)降低近6,涡前压力降低 49kPa,而燃气消耗率降低 12g/(kWh)3.2 燃烧性能对比 进行 3.1 节试验的同时,对 6 个缸的缸内压力数据进行了采集,每个工况采集燃烧循环
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