基于SolidWorks的天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機設(shè)計與試驗

李麗麗，趙武云，譚文勝，王二化

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2.常州信息職業(yè)技術(shù)學院 常州市大型塑料件智能化制造重點實驗室，江蘇 常州 213164)

隨著天然氣(natural gas，NG)應用技術(shù)的發(fā)展，以柴油點燃天然氣和空氣混合氣、由天然氣提供發(fā)動機部分功率輸出的概念已經(jīng)被廣泛接受并付諸實踐，但仍然存在一些不確定因素，如發(fā)動機燃燒性能、廢氣排放和實用性等[1-3]。目前，國內(nèi)外的車用天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。據(jù)西班牙貨運卡車試驗預測，燃料轉(zhuǎn)換將減少12%的溫室氣體排放和42%的柴油燃料長期消耗。然而，現(xiàn)階段小型農(nóng)用發(fā)動機的雙燃料改造還不完善[4-5]。

我國農(nóng)用柴油機數(shù)量多，分布廣。近幾年的雙燃料發(fā)動機改造技術(shù)研究集中在電控噴射控制方式方面，結(jié)構(gòu)復雜，改裝成本高，實用性不強?；旌掀骰旌希瑱C械控制柴油、天然氣量的壓燃式方案雖然不能精準調(diào)整油氣輸入量，卻更加適合農(nóng)用大環(huán)境[6]，尤其是對于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和機械化相對落后的地區(qū)，結(jié)構(gòu)簡單、改造成本低的雙燃料發(fā)動機才真正適于推廣。

SolidWorks軟件可以實現(xiàn)3D模型建造、有限元分析、流體模擬等過程的無縫連接，操作簡單，結(jié)果精確，在工程研發(fā)和機械設(shè)計中具有廣闊的應用前景[7]。本文利用虛擬樣機模擬取代天然氣混合進氣和調(diào)速機構(gòu)的實體試驗，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，消除潛在的結(jié)構(gòu)性不穩(wěn)定影響，而后通過臺架試驗驗證其可行性和準確性。

1 單缸雙燃料發(fā)動機的設(shè)計方案

1.1 雙燃料發(fā)動機的設(shè)計原理

在原柴油發(fā)動機的基礎(chǔ)上增加一套天然氣混合空氣進氣系統(tǒng)、一套機械控制系統(tǒng)，以及配套的天然氣供應減壓設(shè)備，以原柴油機的啟動方式啟動，隨著天然氣的進入，柴油噴射量逐漸降低到設(shè)計要求的最低引燃油量。天然氣充足時，在引燃油量控制在20%的情況下，以天然氣-柴油混合氣為主要燃料，通過天然氣調(diào)速器控制進氣量，滿足不同工況需求；天然氣不足或者負荷過大時，通過增加引燃油量進行加濃；天然氣輸送完全斷絕后，燃氣控制系統(tǒng)失效，恢復原柴油發(fā)動機工作模式。

1.2 雙燃料發(fā)動機的結(jié)構(gòu)

1， 調(diào)速桿；2， 天然氣彈簧調(diào)速控制器；3， 控制連桿；4， 天然氣-柴油混合氣進氣管；5， 天然氣-空氣混合器；6， 空氣進氣管；7， 混合器天然氣進氣管；8， 天然氣進氣閥；9， 天然氣進氣管；10， 空氣濾清器。1， Speed regulation rod; 2， Spring speed regulation controller; 3， Control linkages; 4， NG-diesel intake tube; 5， NG-air mixer; 6， Air intake tube; 7， NG intake tube of mixer; 8， NG intake valve; 9， NG intake tube; 10， Air filter.圖1 雙燃料發(fā)動機模型Fig.1 3D model of dual-fuel engine

以農(nóng)業(yè)常用單缸柴油機ZS1115為例，在原有柴油機的基礎(chǔ)上加裝：1)天然氣彈簧調(diào)速控制器，在天然氣-柴油混燒模式下，通過調(diào)速器的彈簧預緊力保證引燃油量不變；2)天然氣進氣閥，通過控制連桿與調(diào)速器連接，共同控制天然氣進氣量；3)天然氣-空氣混合器，保證天然氣與空氣按給定比例進行預混合。

根據(jù)實際尺寸參數(shù)構(gòu)建整機模型，經(jīng)SolidWorks動畫模擬，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)雙燃料發(fā)動機機械控制進氣量的設(shè)計要求[8-10]。

1.3 主要構(gòu)件的分析及設(shè)計

1.3.1 天然氣-空氣混合器

采用文丘里式混合器，忽略混合器管道阻力、氣體流量系數(shù)a，以及可膨脹性系數(shù)ε，設(shè)定進氣初始流速為0，由伯努利方程得：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：vair與vgas分別為空氣與天然氣的進氣速度；P0為空氣進氣壓力；P1為混合氣壓力；P2為天然氣進氣壓力；ρair與ρgas分別為空氣與天然氣的氣體密度。

空燃比計算公式為

(3)

式(3)中dair與dgas分別為空氣與天然氣的進氣孔徑。

天然氣與空氣流量：

Qair=aairεairSairvair；

(4)

Qgas=agasεgasSgasvgas。

(5)

式(4)、(5)中：Qair與Qgas分別為空氣與天然氣的氣體流量；Sair與Sgas分別為空氣與天然氣的進氣截面積；aair與agas分別為空氣與天然氣的氣體流量系數(shù)。

在過量空氣系數(shù)λ=1.5的前提下，經(jīng)理論計算，確定常用工作狀態(tài)下，文丘里式混合器的設(shè)計尺寸[11-12]：外徑60～60 mm，內(nèi)徑25～35 mm，角度5°～8°，腮孔孔徑1.5～2.5 mm，腮孔個數(shù)10個，進氣圧7～9 kPa。

借助SolidWorks軟件的Simulation模塊，建立設(shè)計算例，以混合器總體積為約束條件、其余從動尺寸為變量、質(zhì)量最優(yōu)為目的進行尺寸優(yōu)化，而后通過Simulation Xpress工具對模型進行應力分析，以減少容器應力集中、保證運行平穩(wěn)為目標，優(yōu)化混合器結(jié)構(gòu)[13-14]，模擬設(shè)定和最終結(jié)果如圖2所示。最佳尺寸參數(shù)為：外徑54 mm，內(nèi)徑31 mm，角度6°，孔徑1.5 mm。經(jīng)過SimulationFlow對混合器的多次流體分析，確定最佳進氣壓力為7 500 Pa[15-16]。

建立混合器三維模型，設(shè)定空氣和天然氣成分體積分數(shù)，進行流體模擬分析，得到混合器內(nèi)空氣和甲烷的質(zhì)量分布圖(圖3)?？梢钥闯?，天然氣和空氣在混合器內(nèi)的混合較為均勻，空氣所占質(zhì)量比例平均約為94%，甲烷所占質(zhì)量比例接近5%，經(jīng)計算，空燃比接近19，符合設(shè)計要求[17]。

1.3.2 天然氣調(diào)速控制器

天然氣調(diào)速桿通過控制連桿與天然氣閥瓣相連，結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。通過SolidWorks Motion模擬，運動過程平穩(wěn)。在調(diào)速桿上施加馬達力，調(diào)速桿與進氣閥旋轉(zhuǎn)的角速度如圖5所示，轉(zhuǎn)動趨勢得到了準確傳送。根據(jù)角位移面積估算，確定閥瓣、閥座開口數(shù)量均為4個。

1.3.3 天然氣進氣閥

根照設(shè)計要求，選擇回轉(zhuǎn)式進氣閥。雙燃料發(fā)動機啟動時，閥瓣順時針旋轉(zhuǎn)到完全打開；雙燃料模式時，閥瓣逆時針旋轉(zhuǎn)滿足從空載到滿載的工況需求；當天然氣不足或者斷絕后，閥體繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動直到再次關(guān)閉。由此得到閥瓣與閥座開口角度分別為

(6)

(7)

式(6)、(7)中：β為閥瓣開口角度；Y為噴油泵柱塞總行程；y為噴油泵柱塞在20%油量處的行程；δ為閥座開口角度；θ為油頭撥叉增加開度；L1、L2、L3如圖4所示。

圖2 混合器參數(shù)優(yōu)化Fig.2 Parameter optimization of mixer

圖3 混合器流體模擬Fig.3 Flow simulation of mixer

圖4 控制連桿結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of control linkages

由于天然氣進氣口偏離進氣閥中心軸，因此，進氣管道應與進氣閥的進氣口形成一定的進氣角度。以進氣壓力和出氣壓力為邊界條件，經(jīng)Simulation Flow有限元分析，得到30°、45°、60°時進氣速度和壓力分布圖。從圖6可以看出，角度越小，進氣過程越緩慢，但進氣閥室內(nèi)壓力越穩(wěn)定。參照混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定最佳角度為41°，氣體出口內(nèi)徑為57 mm。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)Simulation Flow分析可以得出，天然氣進氣管內(nèi)徑尺寸對進氣閥穩(wěn)定性影響較大。隨著進氣管內(nèi)徑的增大，進氣閥腔內(nèi)天然氣流速提高，進氣過程加快，但是過大的內(nèi)徑會導致腔內(nèi)壓力分布不均，尤其對閥瓣和閥座開口處的沖擊較大，考慮到較大孔徑對輸氣管道的穩(wěn)定性較為有利；因此，在允許范圍內(nèi)適當增大天然氣進氣管道內(nèi)徑，提高進氣速度。

圖5 調(diào)速桿、進氣閥瓣角速度Fig.5 Angular velocity of speed regulation rod and NG intake valve flap

2 試驗結(jié)果及分析

試驗裝置如圖7所示。試驗條件為：大氣壓強85 113 Pa，溫度300 K，濕度35%。使用甲烷含量92%的壓縮天然氣進行臺架試驗，測定7個轉(zhuǎn)速下6個扭矩測量點的燃油消耗量、進氣流量、功率、排溫等性能參數(shù)。

圖6 進氣閥流體模擬Fig.6 Flow simulation of NG intake valve

1，天然氣流量計算儀；2；進氣調(diào)壓器；3，天然氣進氣管；4，雙燃料發(fā)動機；5，臺架；6，測功器；7，轉(zhuǎn)速測量儀。1， NG flow calculator; 2， Intake pressure regulator; 3， NG intake tube; 4， Dual-fuel engine; 5， Test bench; 6， Dynamometer; 7， Speedometer.圖7 樣機試驗臺Fig.7 Test bench of dual-fuel engine

2.1 動力性和經(jīng)濟性分析

根據(jù)經(jīng)驗和試驗對比得，當缸徑小于150 mm時，引燃油量應控制在5%～20%。為提高噴油器可靠性，最大限度恢復功率，將引燃油量定為20%。圖8為引燃油量為20%時雙燃料發(fā)動機與原柴油機功率的對比圖，可以看出，在中低速時，功率基本持平，隨著轉(zhuǎn)速的提高，雙燃料發(fā)動機的有效功率逐漸超過柴油發(fā)動機。這是因為柴油必須在過量空氣系數(shù)條件下才能充分燃燒，而天然氣所需壓縮比較低，能較好地克服這一障礙[18]。由于進氣溫度在低速低負荷狀態(tài)下對天然氣的滯燃期影響較大，考慮到高原地區(qū)壓強較低，為提高農(nóng)用工況下發(fā)動機氣缸內(nèi)的壓強和溫度，保證天然氣-柴油混合氣充分燃燒，同時優(yōu)化煙度排放性能，在原柴油機允許的范圍內(nèi)將供油提前角提前2°[19-21]。在此前提下，測量雙燃料發(fā)動機的進氣量、柴油消耗量，計算當量燃油消耗率，得到萬有特性等高線圖(圖9)。與原發(fā)動機對比可以看出：雙燃料發(fā)動機的最內(nèi)層經(jīng)濟區(qū)對應轉(zhuǎn)速為1 550～1 750 r·min-1；對應扭矩大于58.9 N·m時的經(jīng)濟區(qū)域要大于原柴油發(fā)動機；萬有特性曲線沿Y軸延伸，表明雙燃料發(fā)動機更加適合中低速、載荷變化較大的農(nóng)用機械工況。

圖8 有效功率對比Fig.8 Comparison of effective power

在標定功率2 200 r·min-1時，測定并計算雙燃料發(fā)動機的平均有效壓力和排氣溫度。從圖10中可以看出，小負荷時，雙燃料發(fā)動機的排溫較低，隨著負荷增加，排溫和缸壓都相對增加，且略高于原柴油發(fā)動機，這是由于混合燃料燃燒延長了后燃期，但二者相差不大。這表明雙燃料改裝對氣缸零件磨損和燃燒可靠性影響較小。

2.2 排放性分析

在常用轉(zhuǎn)速1 700 r·min-1條件下，測定不同功率下雙燃料發(fā)動機的排放性能，其不同負荷下的排放對比圖如圖11所示。

由于雙燃料發(fā)動機的主要燃料為天然氣，充氣效率、燃燒氣缸壓力與溫度都較原柴油發(fā)動機低，因此NOx排放也較低。但是隨著負荷的增加，混合氣濃度急劇增加，NOx排放也迅速增加。

雙燃料發(fā)動機的CO排放量和碳氫排放量(total hydro carbons，THC)均高于原柴油發(fā)動機。這是由于天然氣的滯燃期較長，著火極限高，容易造成天然氣-柴油混合氣燃燒不充分。雙燃料發(fā)動機CO排放與原柴油發(fā)動機趨勢相同：在較低負荷的情況下，較小的空燃比導致排放量增加；隨著負荷增加，排放情況得到改善，而后隨著負荷的增大，大量CO凍結(jié)，未及時轉(zhuǎn)化為CO2，導致其濃度持續(xù)升高。大量的未燃燒甲烷氣體使雙燃料發(fā)動機的THC排放量高于柴油機。

圖9 柴油發(fā)動機(a)與雙燃料發(fā)動機(b)萬有特性曲線Fig.9 Universal characteristics curve of diesel engine (a) and dual-fuel engine (b)

圖10 排氣溫度對比Fig.10 Comparison of discharge temperature

甲烷中只有C—H鍵，不存在C—C鍵，因此天然氣燃燒的煙度和顆粒排放要低于柴油。雙燃料發(fā)動機的天然氣與空氣在缸外混合較均勻，燃燒周期縮短，在一定程度上抑制了碳煙的生成，使得煙度隨著負荷增加變化較為平穩(wěn)。

3 討論

文丘里式混合器和回轉(zhuǎn)式天然氣進氣閥的加裝既克服了機械控制需要通過改變引燃油量以保證轉(zhuǎn)速、載荷穩(wěn)定的難點，又解決了電控式改裝成本較高、推廣較難的問題，更加適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的小型柴油機機型機械改裝[22]。雙燃料發(fā)動機在常用工況下表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性，且較原柴油發(fā)動機更加適合載荷變化大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)動力需求。其功率恢復狀況及排放特性與混合氣混合、機械及電控控制天然氣/柴油量方案相似[23-24]，驗證了本設(shè)計的可行性和可靠性。

本研究表明，SolidWorks 3D模型的建立簡單精確，而且與仿真、模擬、運算、評估等插件結(jié)合可實現(xiàn)產(chǎn)品的有限元分析，以進行精確評估和優(yōu)化，通過動畫及Motion運動算例的模擬，可以初步驗證機械結(jié)構(gòu)的可行性。使用模擬軟件進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化能夠精確參數(shù)范圍，減少樣機試驗的次數(shù)。整個試驗過程中，雙燃料發(fā)動機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，驗證了SolidWorks結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計的可靠性。雙燃料發(fā)動機功率恢復、經(jīng)濟性及排放性能均達到設(shè)計要求，表明SolidWorks對混合器和進氣閥的流體模擬能夠達到預期效果，改變了以往需要通過樣機試驗進行關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計的模式，節(jié)約了成本。

圖11 排放性能對比Fig.11 Comparison of emissions performance

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