孔龍，李軍銀，王景麗，游凱，王迎迎，李連升

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

以天然氣為清潔能源的氣體機(jī)，具備污染小、運(yùn)行靈活、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，在世界上獲得了廣泛的應(yīng)用，我國也非常重視天然氣能源的利用[1]。隨著氣體機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究人員研究和探索了各種提升氣體機(jī)性能的相關(guān)技術(shù)[2-4]，這些研究對于推動(dòng)氣體機(jī)的應(yīng)用有著重要的意義[5]。隨著世界各國對環(huán)境污染治理的重視，更為嚴(yán)格的排放法規(guī)也相繼面世。美國環(huán)境保護(hù)署(U.S environmental protection agency, EPA)排放法規(guī)是當(dāng)前世界最為嚴(yán)格的排放法規(guī)之一，尤其是針對非道路發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的排放要求相當(dāng)嚴(yán)格，這對產(chǎn)品開發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。我國雖然對提升氣體機(jī)排放性能進(jìn)行了許多研究[6-8]，但是針對滿足EPA排放法規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究相對較少，現(xiàn)有研究主要集中在柴油機(jī)或移動(dòng)式非道路氣體機(jī)[9-12]，缺乏對固定發(fā)電用氣體機(jī)的研究,因此，研究滿足EPA排放法規(guī)的非道路用氣體機(jī)技術(shù)具有重要的意義。

1 美國EPA排放法規(guī)分析

針對非道路發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，EPA詳細(xì)規(guī)定了相關(guān)排放污染物的指標(biāo)[13-14]，相應(yīng)的排放指標(biāo)如表1所示。

表1 EPA排放法規(guī)排放污染物指標(biāo) g·(kW·h)-1

表1中工程指標(biāo)是通過考慮EPA限值、劣化系數(shù)以及產(chǎn)品試驗(yàn)技術(shù)條件造成的數(shù)據(jù)差別而得到。在進(jìn)行排放認(rèn)證中，只有排放試驗(yàn)排放污染物小于工程指標(biāo)才能通過認(rèn)證。

2 滿足EPA排放要求的非道路用氣體機(jī)產(chǎn)品開發(fā)方案

2.1 技術(shù)路線

當(dāng)前的氣體機(jī)開發(fā)中主要采用稀薄燃燒和當(dāng)量燃燒兩種技術(shù)路線。稀薄燃燒的技術(shù)路線，主要采用開式火花塞點(diǎn)火的方式，若結(jié)合采用高能點(diǎn)火和米勒循環(huán)，過量空氣系數(shù)λ最大可達(dá)1.8左右，超過該限制就很難保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行了。當(dāng)過量空氣系數(shù)λ為1.8左右時(shí)，相應(yīng)的NOx的極限排放約為0.65 g/kW·h[15-16]。很顯然采用稀薄燃燒技術(shù)NOx最低限值不能滿足EPA的NOx排放限值要求，還需要采用后處理裝置降低NOx排放。

當(dāng)前降低NOx排放的后處理技術(shù)路線主要有兩種：選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)催化器和三元催化器(three way catalyst，TWC)。SCR僅能處理NOx，并且還需要使用尿素，選擇SCR還需要柴油機(jī)氧化型催化器(diesel oxidation catalyst, DOC)處理CO和HC類污染物，而選擇TWC則可以同時(shí)處理CO、HC和NOx，因此TWC更適合滿足EPA法規(guī)的氣體機(jī)開發(fā)。

圖1 TWC轉(zhuǎn)化效率與空燃比關(guān)系圖

TWC的處理效率與空燃比有著密切的關(guān)系，如圖1所示，只有在理論空燃比附近很窄的范圍內(nèi)TWC才能達(dá)到最高的處理效率，因此，滿足EPA排放要求的非道路用氣體機(jī)需要采用當(dāng)量燃燒和三元催化器技術(shù)路線。

2.2 開發(fā)方案

在當(dāng)量燃燒氣體機(jī)開發(fā)中需要做針對性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下。

1)增壓器的要求

相對于稀薄燃燒氣體機(jī)，當(dāng)量燃燒的氣體機(jī)當(dāng)量比為1，通常稀薄燃燒的氣體機(jī)空燃比在1.4以上，這就要求重新選配增壓器，需要減小壓氣機(jī)的規(guī)格，滿足當(dāng)量燃燒進(jìn)氣量和增壓的要求。

2)缸內(nèi)熱負(fù)荷的變化

傳統(tǒng)的汽、柴油液體燃料，燃油在進(jìn)氣過程中的蒸發(fā)和汽化會(huì)吸收熱量，天然氣作為氣體燃料無此作用，相對于柴油機(jī)氣體機(jī)的熱負(fù)荷會(huì)更高，采用稀薄燃燒，過量的空氣會(huì)增加缸內(nèi)參與燃燒的工質(zhì)，比熱容也會(huì)增加，就能夠降低缸內(nèi)溫度，降低熱負(fù)荷。而當(dāng)量燃燒氣體機(jī)過量空氣系數(shù)為1，會(huì)導(dǎo)致熱負(fù)荷更高，因此，在氣體機(jī)開發(fā)中就需要考慮熱負(fù)荷的影響，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)相應(yīng)的部件滿足應(yīng)用要求。

3)排氣溫度的變化

隨著熱負(fù)荷的變化，當(dāng)量燃燒氣體機(jī)的排溫會(huì)進(jìn)一步增加。由于當(dāng)量燃燒氣體機(jī)熱效率要比稀薄燃燒熱效率更低，這樣會(huì)進(jìn)一步增加排氣溫度，因此，排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足排氣溫度增高的要求。

4)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的要求

當(dāng)量燃燒氣體機(jī)需要保持總體當(dāng)量比為1，這就要求保持總體的空氣進(jìn)氣量和燃?xì)膺M(jìn)氣量保持固定比例。同時(shí)，三元催化器進(jìn)行處理時(shí),NOx為還原反應(yīng)，處理CO和CH為氧化反應(yīng)，在還原反應(yīng)中要求微貧氧環(huán)境，在氧化反應(yīng)中要求微富氧環(huán)境，這就要求當(dāng)量比需要在較小的范圍內(nèi)變化，因此，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)需要滿足當(dāng)量比的控制要求。

5)呼吸系統(tǒng)的選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，混合氣及燃燒產(chǎn)物會(huì)通過活塞環(huán)進(jìn)入曲軸箱,根據(jù)試驗(yàn)測試曲軸箱的排放物時(shí)發(fā)現(xiàn)NMHC含量較高,因此需要通過閉式呼吸系統(tǒng)讓這部分排放物重新進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行燃燒，避免采用開式呼吸系統(tǒng)將廢氣直接排入空氣導(dǎo)致對環(huán)境的污染。

3 滿足EPA排放要求的非道路用氣體機(jī)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 增壓器的選配

針對非道路用氣體機(jī)氣源壓力較低，需選用增壓器前預(yù)混的方案，即在增壓器前空氣與燃?xì)膺M(jìn)行混合，再經(jīng)過增壓器壓氣機(jī)增壓進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，因此增壓器的性能將會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著重要的影響。

在增壓器的選配中，按照發(fā)動(dòng)機(jī)功率及進(jìn)氣量預(yù)估，從增壓器現(xiàn)有的方案中進(jìn)行選配。通過在AVL Boost軟件建立仿真模型，針對3種增壓器方案進(jìn)行計(jì)算評估，通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)3種方案性能相差不大,均能滿足動(dòng)力性指標(biāo)，方案2經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，故選用方案2。

表2 增壓器選配仿真計(jì)算結(jié)果

圖2 增壓器運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果圖

3.1.2 增壓器的應(yīng)用驗(yàn)證

對選配的增壓器進(jìn)行增壓器的負(fù)荷特性試驗(yàn)，相應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)如圖2所示(圖中標(biāo)尺為增壓器效率)。根據(jù)圖中運(yùn)行點(diǎn)可知，仿真計(jì)算的200 kW和240 kW工況點(diǎn)的增壓器運(yùn)行效率與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)80%～100%負(fù)荷點(diǎn)的增壓器效率處于同一區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率滿足匹配要求，可以驗(yàn)證增壓器的選配滿足應(yīng)用要求。

3.1.3增壓進(jìn)氣旁通閥的應(yīng)用

圖3 進(jìn)氣旁通閥布置設(shè)計(jì)圖

進(jìn)氣旁通閥的作用就是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門在短時(shí)間關(guān)閉或環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，防止增壓器出現(xiàn)喘振損壞增壓器壓氣機(jī)葉輪。當(dāng)節(jié)氣門前的壓力大于進(jìn)氣旁通閥的開啟壓力，進(jìn)氣旁通閥打開，增壓后的混合氣回流到增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣前，從而實(shí)現(xiàn)了壓力釋放。所選用的進(jìn)氣旁通閥為機(jī)械式結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部設(shè)置彈簧，當(dāng)進(jìn)氣壓力超出彈簧彈力就會(huì)打開旁通口，具體如圖3所示。

3.2 缸蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.2.1 缸蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對當(dāng)量燃燒技術(shù)路線，由于為當(dāng)量比為1，燃燒溫度比稀燃更高，這就會(huì)導(dǎo)致缸蓋的溫度更高，甚至超出材料許用溫度。因此，針對當(dāng)量比燃燒的氣體機(jī)開發(fā)需要優(yōu)化氣缸蓋。

缸蓋底板銑薄技術(shù)就是針對缸蓋底板高溫區(qū)域進(jìn)行銑薄加工，其中高溫區(qū)域主要集中在排氣門及排氣門、進(jìn)氣門和排氣門的鼻梁區(qū)域，需要針對該區(qū)域進(jìn)行銑削。通過銑削減薄缸蓋底板，就能夠減小缸蓋水套至缸蓋底板高溫區(qū)域的距離，增強(qiáng)冷卻，提升冷卻效果。同時(shí)，通過銑薄還可以增大缸蓋底板至燃燒室距離，從而降低缸蓋的溫度。

仿真計(jì)算顯示，缸蓋底板銑薄后缸蓋最高溫度可降低18 ℃。確定最優(yōu)銑薄尺寸，是在滿足缸蓋強(qiáng)度前提下盡可能銑薄，保證最優(yōu)的冷卻性能，具體如圖4所示(圖中標(biāo)尺為溫度,單位℃)。

a)缸蓋底板銑薄前溫度計(jì)算結(jié)果 b)缸蓋底板銑薄后溫度計(jì)算結(jié)果圖4 缸蓋底板銑薄前后溫度計(jì)算結(jié)果對比圖

3.2.2缸蓋設(shè)計(jì)驗(yàn)證

針對缸蓋進(jìn)行測溫試驗(yàn)。測溫方法主要是在缸蓋底平面鉆孔，預(yù)埋熱電偶進(jìn)行測試，相應(yīng)的測點(diǎn)位置根據(jù)有限元仿真確定，具體如圖5所示。

圖5 缸蓋測溫點(diǎn)分布圖

在試驗(yàn)前，將試驗(yàn)機(jī)1、3、5缸更換為測溫缸蓋進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至標(biāo)定點(diǎn)，進(jìn)行各缸溫度測試。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，銑薄底板后的缸蓋最高溫度出現(xiàn)在排氣門與排氣門之間的2#測點(diǎn)，最高溫度滿足缸蓋許用溫度，即小于最大許用溫度380 ℃。

3.3 排氣管設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.3.1 排氣管設(shè)計(jì)

稀燃?xì)怏w機(jī)由于排氣溫度往往低于650 ℃，通常采用干式排氣管。而針對當(dāng)量燃燒的氣體機(jī)，通過對干式排氣管溫度仿真計(jì)算可知，排氣管出氣溫度已達(dá)到877 ℃，排氣管最高溫度已達(dá)到860 ℃，在高溫狀態(tài)下，排氣管材料力學(xué)性能會(huì)大幅下降，這就對排氣管提出了更高的要求。同時(shí)，若排氣管出氣溫度達(dá)到877 ℃，將會(huì)對增壓器的蝸殼耐溫提出更高要求，具體計(jì)算如圖6、7所示(圖中標(biāo)尺為溫度,單位 ℃)。

圖6 干式排氣管出氣溫度 圖7 排氣管溫度場計(jì)算結(jié)果

水套排氣管能夠通過內(nèi)部冷卻液冷卻排氣，從而降低排氣溫度和對增壓器蝸殼及后續(xù)管路耐溫要求，降低溫度還能夠防止由于排氣管表面過熱引發(fā)的著火風(fēng)險(xiǎn)。為了保證水套排氣管的冷卻能力，選用串聯(lián)式冷卻方式，即發(fā)動(dòng)機(jī)所有冷卻水流經(jīng)缸蓋后，冷卻液都經(jīng)過水套排氣管后流出。

目前的串聯(lián)方式排氣管水套流量為370 L/min，基于流速與對流換熱系數(shù)的關(guān)系預(yù)估，預(yù)估排氣管冷卻水套的平均溫度為94 ℃，平均換熱系數(shù)12 000 W/m2·K，按照此水側(cè)邊界計(jì)算排氣管溫度如圖8所示(圖中標(biāo)尺為溫度,單位℃)?？梢钥闯觯着艢夤艿臏囟茸罡邊^(qū)域位于增壓器安裝法蘭處，最高溫度為369.9 ℃，明顯低于干式排氣管的材料溫度。

3.3.2 水套排氣管的應(yīng)用驗(yàn)證

通過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測量發(fā)動(dòng)機(jī)水套排氣管進(jìn)水溫度和出水溫度，可獲得水套排氣管帶走的廢氣熱量，具體計(jì)算公式如下(1)所示：

Q1=qm1·C1·(T2-T1)=370×4.2×1.6=2 486.4 kJ/min。

(1)

通過發(fā)動(dòng)機(jī)功率及試驗(yàn)測試氣耗，可估算廢氣排量qm2=16.7 kg/min,按照氣體機(jī)的燃燒產(chǎn)物，可計(jì)算求得廢氣溫度比熱值，故可計(jì)算廢氣的溫度變化ΔT，單位℃。具體如下公式(2)所示。

(2)

可以看出，應(yīng)用水套排氣管可以有效地降低排氣溫度，從而保證渦輪增壓器廢氣蝸殼的工作氣溫更低，提升發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。

3.4 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4.1 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)燃?xì)夤┙o方式，氣體機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)可以分為增壓前預(yù)混式和增壓后高壓噴射。與車載燃料形式不同，非道路氣體機(jī)往往直接采用油氣田開采氣或管道氣，燃?xì)鈮毫νǔＰ∮谠鰤汉筮M(jìn)氣壓力，若采用高壓噴射就需要增加額外的設(shè)備進(jìn)行燃料加壓，不利于氣體機(jī)應(yīng)用，因此，需采用增壓器前預(yù)混式燃?xì)夤┙o系統(tǒng)。在所開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃?xì)夤┙o及控制系統(tǒng)主要由燃?xì)夥€(wěn)壓器、電控減壓閥、比例式混合器、節(jié)氣門控制組成，具體如圖9所示。

電控調(diào)壓閥內(nèi)部采用文丘里結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有測量文丘里前后壓差的傳感器，通過控制提升閥的位置，就可以控制燃?xì)獬隹趬毫?，進(jìn)而能夠控制燃?xì)獾牧魉佟．?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求燃料發(fā)生變化，ECU通過發(fā)出指令就能夠調(diào)整提升閥的位置，由于燃?xì)馊肟趬毫Ρ３植蛔儯ㄟ^調(diào)整電控調(diào)壓閥前后壓差，就可以改變?nèi)細(xì)饬魉伲娍卣{(diào)壓閥的原理圖如圖10所示。

比例式混合器內(nèi)部是膜片式結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)空燃比在一定范圍內(nèi)變化。其中，當(dāng)燃?xì)馊肟趬毫Πl(fā)生變化，作用于彈簧膜片的壓力也會(huì)發(fā)生變化，彈簧膜片位置發(fā)生變化，也就能夠同時(shí)調(diào)整空氣及燃?xì)饬魍娣e，同步調(diào)整空氣和燃?xì)膺M(jìn)入混合器的流量，具體工作原理如圖11所示。

圖10 控調(diào)壓閥原理圖 圖11 混合器原理

圖12 燃?xì)庀到y(tǒng)空燃比圖

節(jié)氣門是進(jìn)行控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率的調(diào)控器，能夠通過調(diào)整蝶閥的位置改變節(jié)氣門前后的壓差，就能夠進(jìn)行調(diào)控燃?xì)夂涂諝饬髁?，也就能夠?qū)崿F(xiàn)對進(jìn)入缸內(nèi)混合氣量的控制。

3.4.2 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)驗(yàn)證

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量比符合開發(fā)要求,保持空燃比在0.99～1.01之間穩(wěn)定波動(dòng)，滿足當(dāng)量燃燒和三元催化器的工作要求，從而可以驗(yàn)證燃?xì)夤┙o系統(tǒng)滿足產(chǎn)品開發(fā)要求。

具體試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

3.5 呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.5.1 呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖13 呼吸系統(tǒng)布置圖

發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式呼吸系統(tǒng)，油氣分離器的出氣接入發(fā)動(dòng)機(jī)中。在油氣分離器布置設(shè)計(jì)中，曲軸箱的出氣進(jìn)入油氣分離器，經(jīng)過分離后的油氣與空氣混合后，進(jìn)入混合器，再通過增壓器最終進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒，形成閉式曲軸通風(fēng)系統(tǒng)。在油氣分離器的應(yīng)用中，選用了主動(dòng)式油氣分離器，即利用機(jī)油驅(qū)動(dòng)油氣分離高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，實(shí)現(xiàn)油與氣的高效分離，具體布置如圖13所示。

3.5.2 油氣分離器應(yīng)用驗(yàn)證

在進(jìn)行油氣分離器分離效率試驗(yàn)中，通過在油氣分離器出氣口安裝專門測試設(shè)備，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到額定點(diǎn)運(yùn)行固定時(shí)間后，由測試設(shè)備收集油氣分離器出口的油，通過對比試驗(yàn)前后設(shè)備的重量即可計(jì)算分離后油的含量。通過試驗(yàn)測試，出氣含油量分離效率達(dá)99%以上，可以驗(yàn)證主動(dòng)式油氣分離器效率非常高，可滿足應(yīng)用要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)及耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性。

4.1 性能試驗(yàn)

進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)動(dòng)力性參數(shù)如表4。

表4 性能試驗(yàn)結(jié)果

由表可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)開發(fā)要求。然而，相對比稀薄燃燒，當(dāng)量燃燒溫度更高，使得傳熱損失增加，同時(shí)當(dāng)量比空氣與燃?xì)馊紵怀浞?，?dǎo)致了熱效率變低，氣耗更高。

4.2 排放試驗(yàn)

在排放耐久試驗(yàn)前進(jìn)行了無后處理和加后處理后的排放物試驗(yàn)測量，然后對無后處理和加后處理進(jìn)行了500 h排放耐久試驗(yàn)，具體試驗(yàn)前后的排放物試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 排放試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過應(yīng)用TWC后處理，在500 h前后的排放物含量均低于EPA的要求，而根據(jù)美國EPA排放認(rèn)證要求，只要排放認(rèn)證試驗(yàn)各項(xiàng)排放物指標(biāo)低于法規(guī)要求即視為通過認(rèn)證，故可完全說明所開發(fā)的技術(shù)路線能夠滿足美國EPA的排放法規(guī)。

5 結(jié)論與展望

1)通過采用當(dāng)量燃燒+TWC路線開發(fā)非道路用氣體機(jī)，通過排放試驗(yàn)驗(yàn)證排放指標(biāo)低于EPA排放法規(guī)要求，證明所選用技術(shù)路線切實(shí)可行。

2)通過重新選配增壓器，優(yōu)化缸蓋結(jié)構(gòu)，新設(shè)計(jì)水套排氣管和燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，選用主動(dòng)分離式閉式呼吸系統(tǒng)，所開發(fā)的產(chǎn)品通過性能驗(yàn)證滿足應(yīng)用要求。

3)采用當(dāng)量燃燒開發(fā)的氣體機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)相對較低，主要受限于排氣溫度較高，這對增壓器蝸殼耐溫提出了更高要求。因此，在未來產(chǎn)品開發(fā)中可采用降低排氣溫度提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。同時(shí)，當(dāng)量燃燒的氣體機(jī)燃?xì)庀穆氏鄬Ω?提升產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性是未來產(chǎn)品優(yōu)化的重要方向。

4)應(yīng)用水套排氣管可降低排氣溫度，但會(huì)消耗廢氣的能量，從而降低了增壓器廢氣渦輪的效率。因此，在水套排氣管設(shè)計(jì)中需要合理設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與水腔體積，保證在滿足降低排氣溫度要求下盡可能的減小廢氣能量損失。