基于6134柴油機的天然氣發(fā)動機凸輪型線設(shè)計

婁宗勇，宋松松，左明偉，劉雪萍

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德 067000;2.承德蘇肯銀河連桿股份有限公司，河北承德 067000)

把柴油機改裝成天然氣發(fā)動機，動力性會下降，但天然氣發(fā)動機的排放性能好，天然氣資源豐富，因而研究、開發(fā)基于柴油機的天然氣發(fā)動機具有廣闊的市場［1－4］。我國東風(fēng)汽車公司、玉柴機械有限公司、上海柴油機有限公司、山東濰坊柴油機有限公司、以及天津大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位都進行了單一燃料點燃式天然氣發(fā)動機的研制與開發(fā)［5－8］。天津大學(xué)張德福等設(shè)計開發(fā)了一套由高低壓氣路組成的復(fù)合式天然氣供氣系統(tǒng)，西安交通大學(xué)的劉欣亮、黃佐華等研究了天然氣高壓缸內(nèi)直接噴射式發(fā)動機不同噴射時刻的燃燒特性，日本Y.Kawabata等在一臺單缸天然氣發(fā)動機上實現(xiàn)了HCCI燃燒［9］，Takuji Ishiyama等的研究表明HCCI燃燒方式更適合氣體燃料發(fā)動機［10］，焦運景、張惠明等以熱力學(xué)基本方程為基礎(chǔ)建立均質(zhì)壓燃式天然氣發(fā)動機的燃燒熱效率計算模型。本文所研究的基于6134柴油機的開發(fā)的天然氣專用發(fā)動機，主要是用于發(fā)電組。

配氣機構(gòu)是發(fā)動機的重要組成部分，配氣相位與凸輪型線是影響配氣機構(gòu)性能的重要方面，它們的合理與否，會影響發(fā)動機的燃燒過程，從而影響發(fā)動機的動力性與排放性能［11］。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善，柴油機配氣相位的設(shè)計與優(yōu)化逐漸從傳統(tǒng)的依靠試驗確定一個相對折中的數(shù)值，發(fā)展到利用各種現(xiàn)代設(shè)計方法和先進軟件進行(模擬)計算和分析，從而實現(xiàn)了方便快捷而準(zhǔn)確的設(shè)計。應(yīng)用AVL-BOOST軟件可以通過建立發(fā)動機的工作模型，對發(fā)動機的工作過程進行熱力計算和模擬分析，從而得到需要的結(jié)果。發(fā)動機的工作過程進行數(shù)值模擬，是對發(fā)動機這個復(fù)雜系統(tǒng)的功能進行仿真。通過這種仿真可以為發(fā)動機的性能進行研究，為發(fā)動機的改進設(shè)計提供依據(jù)［12］。

1 模型建立及驗證

本文采用AVL-BOOST軟件建立了基于6134柴油機改裝為火花點火式天然氣發(fā)動機的整機模型，研究了配氣機構(gòu)對該天然氣發(fā)動機性能的影響，提出了對配氣相位的改進措施，并通過臺架試驗驗證達到了改進要求。模型建立是根據(jù)6134天然氣發(fā)動機的實機結(jié)構(gòu)及元件進行布置的，在AVL-BOOST軟件中建立發(fā)動機的計算模型，如圖1所示。該發(fā)動機模型中包括6個氣缸(C1～C6);1個渦論增壓器(TC1);1個中冷器(CO1);兩個限流閥(R1、R2);5個容積腔(PI1～PI5)，PI1代表天然氣存儲空間，PI2代表混合器，PI3代表進氣總管，PI4、PI5代表排氣總管代表混合器;2個系統(tǒng)邊(SB1，SB2);23個連接管道(1～23);8個測量點(MP1～MP8)。利用建立的計算模型，選取在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min負荷特性的幾個工況點進行模擬計算，計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果的對比見表1。

從表1可看出，該通過天然氣發(fā)動機1 500 r/min負荷特性的幾個工況點的仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合，誤差在允許的范圍內(nèi)，說明設(shè)計的發(fā)動機仿真模型與實際發(fā)動機的運轉(zhuǎn)情況相符，以該仿真模型作為基礎(chǔ)進行的性能計算與分析具有可靠性。

2 天然氣發(fā)動機配氣機構(gòu)優(yōu)化及分析

2.1 配氣相位的優(yōu)化

配氣相位對發(fā)動機性能影響最大的是進氣遲閉角，及排氣提前角，氣門的提前開啟和延遲關(guān)閉，可以充分利用氣體流動的慣性，使進入氣缸的工質(zhì)盡可能的多，并且排氣時使廢氣盡可能干凈徹底的排出，從而提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。原6134柴油機的配氣相位見表2，氣門重疊角為 57.5°。

表2 原發(fā)動機配氣相位數(shù)據(jù)表

柴油機的燃油是噴入氣缸內(nèi)不占進入空氣的體積，而天然氣發(fā)動機進入的天然氣占了一定的進氣體積。對于天然氣發(fā)動，過大的氣門重疊角可能會使得發(fā)動機的掃氣量過多，造成部分燃料未經(jīng)燃燒而直接排出機外，以至未燃HC排放量過高?？紤]到原柴油機有一定的功率儲備，所以在方案設(shè)計中適當(dāng)?shù)臏p小氣門重疊角，這既有利于NO降低，還有利于降低排溫。綜合天然氣發(fā)動機的特點首先設(shè)計了幾種不同的方案，然后對每種方案進行了仿真計算，選出了該發(fā)動機的配氣相位。表3是設(shè)計的方案。

表3 天然氣發(fā)動機配氣相位方案

1)不同方案對充氣效率的影響

通過對四種方案與原柴油機的配氣相位進行仿真計算，獲得天然氣發(fā)動機在1 500 r/min與不同負荷情況下，不同的方案的充氣效率(相對于進氣管狀況下)，如圖2所示。

通過圖2可以看出隨著負荷的增大，天然氣發(fā)動機的充氣效率增大，這主要是因為柴油機改為天然氣發(fā)動機后由質(zhì)調(diào)節(jié)改為了量調(diào)節(jié)。隨著發(fā)動機的負荷的增大，節(jié)氣門開度也相應(yīng)增大，進氣阻力減小，充氣效率增加。同時也可以看出方案三的充氣效率最好，這主要是由于四個方案中進氣門晚關(guān)角一直在增大，增大晚關(guān)角有利于充氣效率的增加，但是過大的晚關(guān)角會造成一部分進入到汽缸里的氣體被活塞推到進氣總管內(nèi)，所以使得充氣效率反而降低。

2)不同方案對排氣溫度的影響

通過對四種方案與原柴油機的配氣相位進行仿真計算，獲得天然氣發(fā)動機在1 500 r/min與不同負荷情況下，不同的方案的排氣溫度，如圖3所示。

通過圖3可以看出氣門重疊角對于排溫有直接的影響，這是因為天然氣發(fā)動機是在缸外形成混合氣，氣門重疊角增大使得發(fā)動機的掃氣量變多，后燃比較嚴(yán)重，致使排氣溫度升高。通過仿真計算可以看出方案二的排氣溫度最小，不過方案三與方案二之間的差別不大。

綜上所述，在天然氣發(fā)動機中使用的是方案三給出的配氣相位。

2.2 凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計［13－15］

應(yīng)用方案三給出的配氣相位，對凸輪型線進行優(yōu)化設(shè)計，為了使配氣機構(gòu)具備良好的充、排氣性能要求凸輪型線具有較大的豐滿系數(shù)。

式中:hmax為凸輪的最大升程;ξ表示凸輪型線的豐滿系數(shù)。它反應(yīng)了配氣機構(gòu)的氣體通過能力，豐滿系數(shù)大，進排氣效率高，動力性能好。

對于高次五項式方程推導(dǎo)，得豐滿系數(shù)為

本文所設(shè)計的天然氣發(fā)動機凸輪型線應(yīng)滿足如下條件:

1)最小曲率半徑不小于2 mm。

2)所設(shè)計的的凸輪型線產(chǎn)生的最大加速度不應(yīng)高于原柴油機的5%，即進氣凸輪不大于60.54，排氣凸輪不大于73.57。

3)豐滿系數(shù)不小于原機，即進氣凸輪不小于0.557，排氣凸輪不小于0.546。

由于余弦緩沖段的計算比較簡單，只受升程和緩沖段包角的約束，其加速度曲線在緩沖末端為0，因而易與大多數(shù)基本段相接而保持二階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性，所以本凸輪型線在保證原緩沖段包角與緩沖段最大升程不變的情況小采用余弦緩沖段。通過選取不同的n，m組合對所設(shè)計的凸輪型線進行計算結(jié)果見表4、表5。

表4 進氣凸輪

表5 排氣凸輪

通過計算進氣凸輪選取的M、n值為4、5，排氣凸輪選取的M、n值為4、3。

3 臺架試驗及結(jié)果

3.1 實驗裝置與方法

試驗發(fā)動機參數(shù)為:缸徑134 mm，連桿長度270 mm，活塞行程167 mm，壓縮比10.5，增壓比1.8，標(biāo)定功率(轉(zhuǎn)速)280 kW(1 500 r/min)，該發(fā)動機主要是用來做發(fā)電機組的動力，所以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為1 500 r/min。圖4為發(fā)動機的試驗系統(tǒng)示意圖。

本研究通過在火花點火天然氣發(fā)動機上更換凸輪軸的方法來研究不同配氣相位與不同凸輪型線下的天然氣發(fā)動機排溫及充氣效率影響。

3.2 實驗結(jié)果

用本文所介紹的仿真方法通過加工制造的凸輪軸與原柴油機的凸輪軸做的比對實驗結(jié)果如下:

1)通過圖5實驗可知所選用的三號方案的配氣相位充氣效率提高4%左右。有利于發(fā)動機的功率提高。通過實驗可以看出理論分析與實驗結(jié)果之間有一些差別，但是總體來說實驗結(jié)果與理論預(yù)測的變化結(jié)果是相一致的。

2)用本文設(shè)計的凸輪軸在發(fā)動機280 kW時的排溫降低18℃左右，排溫的降低有利于排放，氮氧化合物生成的要降低10%左右。

4 結(jié)論

1)實驗結(jié)果表明，計算值與實測值較為吻合，AVL-BOOST建立的天然氣發(fā)動機整機模型具有一定的可靠性.

2)通過仿真找到了適合這臺天然氣發(fā)動機的配氣機構(gòu)，經(jīng)試驗驗證達到了設(shè)計要求。

3)通過仿真實驗與真實實驗之間的比較，可以看出仿真結(jié)果與真實值之間的差別很小只有3%左右，通過仿真可以預(yù)測發(fā)動機的工作情況。

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