进气流态对天然气发动机性能影响的试验研究.pdf

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：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，Weifang 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 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 cylinder 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 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 makes 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1214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(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 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 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 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 12 210.5 682 191.8 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 110 个 燃烧分析时，采用 6 个缸平均值进行对比，这种方式可以有效反映不同流态进气道的燃烧表现 燃烧放热率由热力学第一定律推导得出，不计泄露和传热损失，公式参见文献18 图 5 为所选 4 个工况缸内压力与燃 438 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 5 期 烧放热率对比 显然，在相同的点火角下，采用滚流进气道以后，缸内压力更高，缸内压力最大值比涡流进气道的高 0.51.2 MPa 从燃烧放热率上看，滚流进气道下着火更早，但燃烧放热率曲线形状却与涡流进气道的相当，并且 30CA ATDC 以后，燃烧放热率比涡流进气道的略高，表明滚流进气道加速燃烧效果 （a）工况 1 （b）工况 2 （c）工况 3 （d）工况 4 图 5 不同进气流态缸内压力和燃烧放热率对比 Fig.5 Comparison of cylinder pressure and rate of heat release under different intake flow patterns 不明显，并且后期燃烧较慢 不同进气流态下，燃烧特征参数对比见图 6 AI 05、AI 10、AI 50 和 AI 90 分别表示燃烧放热 5%、10%、50%和 90%时所对应的曲轴转角，其中 AI 05 为燃烧始点，AI 50 为燃烧中心，AI 50 与 AI 10 的差值(AI 50-10)为燃烧前半段持续期，AI 90 与 AI 50 的差值(AI 90-50)为燃烧后半段持续期，AI 90与AI 10的差值(AI 90-10)为燃烧持续期 CoVIMEP表示平均指示压力(IMEP)的循环变动率，CoVIMEP计算参见文献19 KFRQ 为爆震发生频率，即一定数量燃烧循环内爆震发生次数，其中燃烧循环选取 50 次，爆震事件采用 Siemens VDO算法进行判别20，爆震阈值设置为 1.5，参考窗口和爆震窗口分别取缸内压力最大值前、后各 30CA，为提高爆震判别精度，设置偏置角度为 4 CA，即缸内压力最大值前、后 4CA 不参与能量积分运算 图 6a 显示，采用滚流进气道以后，燃烧始点 AI 05 明显提前，整体 （a）AI 05、AI 10、AI 50 及 AI 90 对比 （b）AI 50-10、AI 90-50 及 AI 90-10 对比 （c）CoVIMEP与 KFRQ 对比 图 6 不同进气流态燃烧特征参数对比 Fig.6Comparison of combustion characteristic parame-ters under different intake flow patterns 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 439 提前 23CA，而 AI 10 和 AI 50 也整体提前 23CA，但 AI 90 却表现出滞后，整体滞后 34CA 由图 6b 可以看出，滚流进气道燃烧前半段持续期与涡流进气道的相当，但燃烧后半段持续期却更长，滚流进气道的这种燃烧特征分布导致其燃烧持续更长，整体长 57CA，这与滚流进气道后期燃烧较慢有关 图 6c 显示滚流进气道 CoVIMEP更低，4 个工况下 CoVIMEP都在 1%以下，而滚流进气道的爆震倾向更严重，在工况 2 运行时，滚流进气道爆震倾向远高于同工况下的涡流进气道，滚流进气道对应的KFRQ 为 35.4%通过分析不同流态进气道下的燃烧，结合滚流进气道下的燃烧表现，可以推断滚流进气道有利于火花塞扫气，能改善火花塞的着火环境，进而缩短点火滞燃期，引起着火提前、缸内压力升高以及循环变动降低，但由于加速燃烧效果不明显，着火提前引起爆震倾向增加 图 7 示出压缩行程为 60CA BTDC 时不同进气道下的速度场流动仿真分析 滚流进气道下，缸盖顶部 X 方向的气流运动趋势更明显，并且火花塞处存在-Y 方向的气流运动 因此，无论火花塞电极位置如何，滚流进气道都有更好的火花塞扫气，这从流场层面证实了前面的推论 对于滚流进气道加速燃烧的效果不明显的原因，可能与滚流强度增加有限而涡流损失较大有关16 （a）涡流进气道 （b）滚流进气道 图 7 60 CA BTDC时不同进气道下的速度场 Fig.7Velocity field under different intake port at 60 CA BTDC 3.3 DOE试验性能对比 表 4 为 1 200 r/min(1 400 Nm)时不同流态进气道试验设计方案(DOE)性能对比 数据表明，相同转速、转矩以及 EGR率下，一定范围内，每增加 1CA点火角，涡前温度降低为 23，进气歧管压力降低 表 4 不同进气流态 DOE性能对比 Tab.4 Comparison of performance of DOE under different intake flow patterns 进气道 EGR 率/%点火角/()CA BTDC 进气歧管压力/kPa KFRQ/%涡前温度/燃气消耗率/(gkW-1h-1)13 28 173.01 0 693 198.3 13 30 172.12 2 687 197.0 13 32 171.09 10 681 195.7 13 34 171.04 28 677 195.1 15 30 176.91 0 686 197.1 15 32 176.02 0 679 196.0 15 34 175.13 2 674 195.6 15 36 175.02 18 669 194.9 17 34 179.11 1 672 195.7 17 36 178.02 2 666 194.6 涡流 17 38 178.01 12 661 194.0 14 26 175.05 2 695 197.6 14 28 174.29 0 689 196.2 14 30 173.97 13 684 195.4 14 32 173.90 29 681 195.7 16 30 177.70 0 681 195.7 16 32 177.41 2 675 194.9 16 34 177.36 16 671 194.8 16 35 177.48 30 670 194.6 18 32 181.76 0 672 195.5 18 34 181.30 0 668 194.8 滚流 18 36 180.86 7 664 194.4 440 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 5 期 约 0.5kPa，燃气消耗率降低约 0.5g/(kWh)，但爆震倾向也随之增加 继续增大点火角度，由于点火过早，活塞做负功增加，导致燃气消耗率改善小，甚至变差 增大 EGR 率，整体上有利于降低涡前温度、燃气消耗率以及抑制爆震，但在保证动力性能的情况下，需要增加进气歧管压力 不同流态进气道下，点火角和 EGR 率对性能的影响并无明显差别，但通过对比不同流态下的性能发现，采用滚流进气道后，与涡流进气道具有相同点火角时，在更大的 EGR 率下，却表现出更强的爆震 如涡流进气道在点火角为32CA BTDC、EGR 率为 13%下，KFRQ 为 10%；而相同点火角下，滚流进气道在 EGR 率为 14%下，KFRQ 为 29%其他 EGR 率下也存在相同趋势，这种现象与滚流进气道加速燃烧效果不明显以及点火滞燃期短的特性相符 图 8 为上述工况不同流态和 EGR 率下平均指示压力的循环变动率 随着 EGR 率的增加，不同流态进气道下 CoVIMEP都存在增加趋势，这是由于 EGR率增加，燃烧逐渐恶化的结果；从 CoVIMEP数值上看，滚流进气道下的 CoVIMEP明显低于涡流进气道下的数值，并且在更大的 EGR 率下表现出燃烧稳定性优势，滚流进气道在 EGR 率为 18%下的 CoVIMEP仍比涡流进气道在 EGR 率为 13%下的低，这表明滚流进气道下的燃烧室对 EGR 率的耐受度更高，有利于降低排气温度 滚流进气道的这种优势与滚流改善火花塞扫气有关 工况为 1200r/min、1400Nm 时点火角对缸内压力和燃烧放热率的影响见图 9 不同进气道下，点火角增加，缸内压力增加，燃烧相位提前，但放热率曲线形状以及最大燃烧放热率变化不明显 点火角对缸内压力和燃烧放热率的影响与图 5 中滚流进气道相比涡流进气道表现出的燃烧情况极为相似，这种现象从另一个角度说明，所设计的滚流进气道对点火过程有明显影响，能够缩短点火滞燃期，但整体上对燃 图 8 不同进气流态和 EGR率下 IMEP循环变动率 Fig.8 CoVIMEP under different intake flow patterns and EGR rates 烧过程的影响呈较弱的特征 （a）涡流进气道缸内压力 （b）涡流进气道燃烧放热率 （c）滚流进气道缸内压力 （d）滚流进气道燃烧放热率 图 9 点火角对缸内压力与燃烧放热率的影响 Fig.9Effect of ignition angle on cylinder pressure and rate of heat release 4 结 论(1)相同工况和控制参数下，与涡流进气道相比，滚流进气道涡前压力和涡前温度更低，涡前温度降低近 6，同时燃气消耗率降低 12g/(kWh)，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 441 并且滚流进气道缸内压力更高、循环变动更低，AI 05和 AI 50 提前 23CA (2)滚流进气道 AI 50-10 与涡流进气道相当，但后期燃烧较慢，导致燃烧持续期整体比涡流进气道长 57CA (3)滚流进气道的性能优势主要得益于对火花塞着火环境的改善，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 (4)滚流进气道有利于火花塞扫气，因而循环变动低、燃烧稳定性好，这种特性使得滚流进气道对EGR 率的耐受度更高，对降低排气温度有利 参考文献：1 Shah A，Tunestal P，Johansson B.Scalability aspects of 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