LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)混合器的設(shè)計與優(yōu)化研究

趙小興，潘志翔,李 遲

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)燃?xì)獾墓┙o是關(guān)鍵技術(shù)[1]。對于單點(diǎn)噴射的雙燃料發(fā)動機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動機(jī)混合器的優(yōu)化設(shè)計是至關(guān)重要的，若天然氣與空氣混合不均勻，經(jīng)進(jìn)氣管分配進(jìn)各缸的燃?xì)饬恳膊灰粯樱踔镣桓撞煌h(huán)間燃?xì)饬恳膊灰粯?，造成發(fā)動機(jī)循環(huán)變動率大，引起異常燃燒、熱負(fù)荷升高、排放差、相應(yīng)零部件壽命降低等問題[2]。

美國IMPCO公司最先進(jìn)行混合器的深度設(shè)計，最早研發(fā)出的膜片式混合器能夠完美匹配發(fā)動機(jī)，但是該混合器導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的排氣溫度較高[3]。Xu Boyan和MikioFuruyama利用紋影技術(shù)研究空氣、甲烷混合機(jī)理得到了2種氣體的流動情況，氣體流道和節(jié)流口對氣體混合的影響，并得到了2種氣體均勻混合的條件。在國內(nèi)，湖北武漢東風(fēng)商用車技術(shù)中心的賈李水、張宏飛利用仿真軟件得到以下結(jié)論：增加混合距離、混合擾動在改善混合均勻度的同時也增加了壓力損失；增加混合擾動在保證混合均勻度滿足要求下可以縮短混合距離，通過臺架試驗(yàn)證明混合氣的均勻性直接影響發(fā)動機(jī)各缸排氣溫度一致性，是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)循環(huán)變動量大小的重要因子[4]。

圖1為原機(jī)混合器，圖2為發(fā)動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下各缸排氣溫度變化曲線。從圖2可以看出在不同的轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的各缸排氣溫度有所差異，尤其是在低轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的各缸排氣溫度差異較大，1缸、2缸排氣溫度明顯高于其它缸，這就說明混合器混合不均勻，更多的燃?xì)膺M(jìn)入前兩缸，造成發(fā)動機(jī)燃燒異常，使得發(fā)動機(jī)整體性能下降，因此優(yōu)化混合器的設(shè)計使燃?xì)飧鶆虻姆峙涞礁鱾€缸是有必要的。

圖1 原機(jī)混合器

圖2 原機(jī)混合器發(fā)動機(jī)各缸排氣溫度

1 混合器的設(shè)計

本文擬針對Z6170ZLCZ-19設(shè)計一動態(tài)混合器，結(jié)合圖3、圖4介紹其工作原理。該混合器由7部分組成?；旌掀鞯目諝饬鞯澜訙u輪增壓器的排氣端，混合氣體流道接發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道。具有壓力的天然氣從天然氣進(jìn)氣管進(jìn)入整流總管，之后在整流支管的小孔處噴入混合器內(nèi)部腔室。該混合器設(shè)有3根整流支管，相互夾角為120°，由于整流支管的小孔是單側(cè)開孔，天然氣噴出后會產(chǎn)生相反的作用力，帶動整個整流總管轉(zhuǎn)動，整流總管的兩端有軸承相連，軸承安置在軸承座內(nèi)，軸承座用3根支架支撐，天然氣進(jìn)氣管和整流管連接處有凸臺，用于連接軸承座和進(jìn)氣管。當(dāng)整流支管開始轉(zhuǎn)動后，一方面能夠使噴入到混合器腔室內(nèi)的天然氣更加均勻，另外一方面，整流管的轉(zhuǎn)動會對氣體有一定的攪拌作用，防止空氣和天然氣密度不同而產(chǎn)生分層，影響混合氣體的混合效果。

圖3 混合器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 混合器實(shí)物圖

2 混合器的氣體混合功能仿真分析

混合器計算模型是對實(shí)物模型的簡化模型，如圖5所示。本文中的混合器主要考慮其混合性能，因此混合器的計算模型可以只考慮混合器的混合腔室和整流管，其他部分結(jié)構(gòu)可以省略[5]。由于該混合器的設(shè)計思路是將混合器安裝在渦輪增壓器后，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道前，因此將混合器的出口拉伸500 mm，用于模擬發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)燃?xì)獾姆植肌?/p>

圖5 混合器仿真模型處理

混合器混合腔室內(nèi)，涉及到整流管的轉(zhuǎn)動攪拌，流動比較復(fù)雜，天然氣和空氣的流速較大，2種氣體在流動的過程中發(fā)生劇烈的混合。其雷諾數(shù)Re為：

(1)

式中：ρ為流體密度；v為流體的速度；d為管道直徑；μ為黏性系數(shù)，其中氣體黏性系數(shù)μ可以通過薩瑟蘭公式求得：

(2)

式中：B為常數(shù)，110.4 K；T0和μ0為參考溫度和參考黏性系數(shù)；T為室溫參數(shù)。

求得雷諾數(shù)：

雷諾數(shù)較高，可以選擇工程流體計算中適用最廣泛、經(jīng)濟(jì)且有一定精度的standard k-epsilon模型[6]。

選取發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性90%工況點(diǎn)，觀察該工況下混合器的混合功能。此時在不考慮壓力損失的情況下天然氣進(jìn)口的壓力設(shè)定為0.50 MPa，空氣的進(jìn)口壓力設(shè)置為0.19 MPa，參數(shù)設(shè)定完成后進(jìn)行計算。

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由于混合器模擬關(guān)注的是甲烷濃度分布情況，因此選定混合器出口截面的甲烷濃度分布進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。在混合器的出口截面沿著半徑方向選取3個點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為P1(0，-32，40)，P2(0，-34，40)，P3(0，-36，40)，通過仿真計算觀察不同網(wǎng)格數(shù)量下，各個點(diǎn)的甲烷濃度值的變化，計算網(wǎng)格數(shù)見表1。

表1 計算網(wǎng)格數(shù)

通過計算得到混合器出口截面3個點(diǎn)在4種網(wǎng)格數(shù)量下的濃度值，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

從圖6可以看出，當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)量由31萬個增加到65萬個時，出口截面上選取的3個點(diǎn)濃度值變化很小，說明所設(shè)置的網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果影響很小，可以認(rèn)為31萬個網(wǎng)格已經(jīng)通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，因此可以取35萬個網(wǎng)格作為計算結(jié)果。

2.2 與原機(jī)混合器對比分析

本文所設(shè)計的新型混合器，改變了原混合器的結(jié)構(gòu)以及工作原理，其空氣流道、混合氣體流道、天然氣進(jìn)氣管尺寸與原機(jī)混合器相同。選取同樣的工況點(diǎn)對2種不同的混合器的混合功能進(jìn)行仿真分析，新型混合器的混合效果更好。2種混合器有一些共同特點(diǎn)，越遠(yuǎn)離噴孔其甲烷分布越均勻，越靠近內(nèi)壁面甲烷濃度越高。由此可以得出結(jié)論，天然氣在管道內(nèi)逐漸從四周向管道中心擴(kuò)散，且距離噴孔越遠(yuǎn)擴(kuò)散越充分。

2種混合器都選取500 mm截面，在此截面上對天然氣在混合器腔室內(nèi)的分布情況進(jìn)行研究。在500 mm截面沿半徑方向選取A、B2個參考點(diǎn)，沿A(0,0,500)與B(0,38,500)作一條參考線，在參考線AB上等距離選取5個點(diǎn)，計算每個點(diǎn)的甲烷濃度值如圖7。

圖7 2種混合器在500 mm截面沿半徑方向甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

從圖7可以看出，本文所設(shè)計的新型混合器其混合功能在仿真計算上要優(yōu)于原機(jī)混合器。在500 mm截面處新型混合器的腔室中心到腔室內(nèi)壁，其甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍約為0.035 0～0.052 0，波動率為33%；原機(jī)混合器其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍約為0.001 5～0.071 0，波動率高達(dá)98%，遠(yuǎn)大于新型混合器的濃度波動范圍。

3 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)

圖8為新型混合器發(fā)動機(jī)各缸排氣溫度，圖9為原機(jī)混合器與新型混合器排氣溫度極差對比，圖10為原機(jī)混合器與新型混合器發(fā)動機(jī)外特性曲線對比。

圖8 新型混合器發(fā)動機(jī)各缸排氣溫度

圖9 2種混合器排氣溫度極差對比

圖10 2種混合器發(fā)動機(jī)外特性曲線對比

由圖9可得，各缸排氣溫度極差隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而降低。新型混合器比原機(jī)混合器的排氣溫度更均勻，且能夠提升發(fā)動機(jī)的動力。新型混合器在低轉(zhuǎn)速時能縮小各缸排氣溫度極差，使各缸排氣溫度更加均勻。由圖10可得，動力性方面，新型混合器在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時與原機(jī)混合器相差不大，但是在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時能夠提高發(fā)動機(jī)的動力性能，使發(fā)動機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下輸出更大的功率。

4 結(jié)束語

混合器是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵部件，混合器的性能直接影響發(fā)動機(jī)的整體性能。研究表明，燃?xì)庠诎l(fā)動機(jī)進(jìn)氣道是由四周向中心擴(kuò)散，且進(jìn)氣道越長擴(kuò)散效果越好，燃?xì)夥植荚骄鶆颉Ｐ滦突旌掀髋c原機(jī)混合器相比，能夠提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，降低污染物的排放等。新型混合器通過整流支管將燃?xì)廨斔偷竭M(jìn)氣道的中心，進(jìn)而使燃?xì)庠谶M(jìn)氣道截面分布更均勻。

在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時，2種混合器動力性相差不大，可能是由于發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速下燃?xì)夂涂諝庥懈L的時間混合；在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速下，新型混合器對發(fā)動機(jī)的動力性影響更大。

整流支管上噴射孔的數(shù)量以及噴射孔的尺寸大小對混合效果及發(fā)動機(jī)動力性的影響還有待進(jìn)一步研究。