某款當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計

李朝陽，李徐東

(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

活塞作為發(fā)動機(jī)的心臟，其性能及可靠性直接影響著發(fā)動機(jī)整機(jī)性能。天然氣發(fā)動機(jī)活塞需要針對天然氣發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點進(jìn)行開發(fā)。天然氣發(fā)動機(jī)為點燃式點火，為避免發(fā)動機(jī)爆燃，天然氣發(fā)動機(jī)的壓縮比和爆發(fā)壓力一般要小于柴油機(jī)。

對于天然氣發(fā)動機(jī)，由于其火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，在活塞設(shè)計時需要考慮促進(jìn)火焰的傳播。由于燃燒室形狀對缸內(nèi)氣體的流動有著重要影響，而缸內(nèi)的氣流運動對燃燒過程尤為重要。

1 天然氣發(fā)動機(jī)活塞特點

對于天然氣和新鮮空氣預(yù)混合的發(fā)動機(jī)，為組織高效燃燒，在進(jìn)入氣缸前，需要精確控制新鮮空氣和燃?xì)獾谋壤?，并充分混合。進(jìn)入氣缸后，與活塞相關(guān)的影響燃燒的關(guān)鍵參數(shù)包括以下幾項：

(1)渦流；

(2)擠流面積/擠流速度；

(3)壓縮比。

天然氣發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計一般基于柴油機(jī)本體活塞進(jìn)行改進(jìn)，為防止爆震，一般天然氣發(fā)動機(jī)活塞壓縮比在11～12之間。其中渦流受進(jìn)氣道影響較大，擠流速度和活塞燃燒室的碗口直徑關(guān)系較大，由于壓縮比和機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制所致，還可以考慮收口燃燒室。其中淺盆型燃燒室和收口燃燒室對比如圖1所示。

圖1 淺盆型燃燒室和收口型燃燒室示意對比

在當(dāng)量燃燒的天然氣發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計中，一般采用緊湊型燃燒室，并在設(shè)計中兼顧性能和耐久性。通過設(shè)計適當(dāng)?shù)耐肟谥睆?、壓縮比等參數(shù)，可以獲取不同的擠流面積和速度，碗口直徑越小擠流速度越高(如圖1所示)，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的燃燒速度(如圖2所示)及熱效率和失火極限。

圖2 不同碗口擠流速度對比

2 活塞燃燒室設(shè)計

天然氣發(fā)動機(jī)一般基于柴油機(jī)活塞基礎(chǔ)或原有活塞作進(jìn)一步的更新設(shè)計，因此活塞的設(shè)計是一個迭代過程，通過改變?nèi)紵业膸缀涡螤顏碛嬎銐嚎s比，再重新調(diào)整活塞碗的幾何形狀，直到達(dá)到理想壓縮比。壓縮比的計算方法是氣缸總體積比上氣缸上表面到當(dāng)活塞達(dá)到上止點時活塞上表面間的體積。

研究對象為直列六缸、增壓中冷、火花塞點火的當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)計發(fā)動機(jī)新活塞時，以原有天然氣發(fā)動機(jī)活塞為基礎(chǔ)，其迭代設(shè)計過程如圖3所示。

圖3 活塞設(shè)計過程

在原始活塞基礎(chǔ)上，首先減小活塞的頂部間隙，直至達(dá)到活塞和氣門的運行極限；然后逐步增大活塞擠流面積。由于受到壓縮比限制，意味著必須加大活塞燃燒室凹坑的深度，直至達(dá)到油冷腔或連桿小頭壁厚的機(jī)械極限。實際計算時，在原始活塞基礎(chǔ)上，設(shè)計出多個型號的新活塞。其中紅色框內(nèi)的活塞方案為符合目標(biāo)參數(shù)的方案，這3種方案的活塞設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 燃燒室設(shè)計參數(shù)

當(dāng)活塞燃燒室確定后，首先對活塞的材料進(jìn)行選擇。由于天然氣發(fā)動機(jī)活塞機(jī)械負(fù)荷低而熱負(fù)荷高，所以綜合考慮天然氣發(fā)動機(jī)活塞的熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷以及制造成本時，天然氣發(fā)動機(jī)活塞傾向于選擇傳熱效果好，機(jī)械強(qiáng)度相對較低的鋁合金材料，同時成本也較低。

活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括活塞環(huán)槽，油冷腔以及活塞銷孔等結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在設(shè)計活塞結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮天然氣發(fā)動機(jī)的固有特點，例如小負(fù)荷時缸內(nèi)負(fù)壓對機(jī)油的抽吸，以及天然氣發(fā)動機(jī)的HC排放控制等因素，需要對這些情況做針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，對于發(fā)動機(jī)氣門和活塞的安全距離設(shè)計，需要進(jìn)行運動學(xué)分析并在活塞頭部設(shè)計避閥坑。

當(dāng)活塞外形及材料設(shè)計完成后，可以利用有限元技術(shù)進(jìn)行模擬分析。包括活塞的溫度分布、應(yīng)力分布以及疲勞安全系數(shù)。對于熱負(fù)荷較高的天然氣發(fā)動機(jī)，活塞的頭部溫度和熱應(yīng)力是重點關(guān)注項目。

通過上述的制造可行性分析及計算，由于燃燒室3擠流面積小且和燃燒室1差異不大，為減小樣機(jī)及測試成本，最終在燃燒室1和2的基礎(chǔ)上進(jìn)行樣件設(shè)計制作，作為試驗方案A和B進(jìn)行裝機(jī)測試，設(shè)計完成后的活塞燃燒室剖面圖如圖4所示。

圖4 不同活塞方案剖面圖

3 燃燒性能測試

對圖4所示的2種活塞方案進(jìn)行裝機(jī)性能測試。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對2種不同形狀的燃燒室進(jìn)行試驗。試驗發(fā)動機(jī)采用當(dāng)量燃燒和高壓冷卻EGR方案，根據(jù)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣質(zhì)量流量等參數(shù)，精確控制天然氣供給量，EGR率和點火時刻，并利用氧傳感器對發(fā)動機(jī)空燃比進(jìn)行實時檢測和反饋。發(fā)動機(jī)試驗裝置示意圖見圖5。

圖5 發(fā)動機(jī)試驗裝置示意圖

在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)定型的情況下，當(dāng)進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能試驗時，不同類型的活塞燃燒室會影響發(fā)動機(jī)的燃燒速度、經(jīng)濟(jì)性、抗爆震能力。但是上述因素還會受到進(jìn)氣量、空燃比等其他參數(shù)的影響。因此在發(fā)動機(jī)試驗過程中，需要選定常用工況點，并固定發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量、EGR率、空燃比等相關(guān)參數(shù)。其中點火提前角對發(fā)動機(jī)的燃燒有較大影響，如圖6所示。當(dāng)點火提前角增加時，發(fā)動機(jī)燃燒速度和爆發(fā)壓力增加，即經(jīng)濟(jì)性變優(yōu)，但是發(fā)動機(jī)的爆震也會增加。為達(dá)到不同活塞方案的對比效果，需要測量氣缸壓力和爆震強(qiáng)度，然后針對每個活塞方案作點火提前角標(biāo)定。

圖6 點火角對燃燒影響示意圖

點火提前角標(biāo)定試驗過程如圖7所示。首先要保證不同活塞方案測試時的外部參數(shù)的一致性，調(diào)整發(fā)動機(jī)的油門和轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量、空燃比、EGR率、增壓器廢氣閥位置保持固定，同時節(jié)氣門和EGR閥的開度也不允許有較大偏差。第二步是設(shè)置一個較小的安全點火提前角，并保證發(fā)動機(jī)排氣溫度不超過限值。第三步是逐步增加點火角，直到發(fā)動機(jī)出現(xiàn)輕度爆震。第四步是小幅減小點火提前角，直到發(fā)動機(jī)爆震剛剛消除。然后將該點火提前角作為當(dāng)前活塞方案的標(biāo)定值。由于需要多個典型工況點進(jìn)行比較，該過程需要重復(fù)多次。

圖7 點火角標(biāo)定及燃燒分析儀測量

當(dāng)點火提前角標(biāo)定完成后，分別對各工況點進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能測試，并檢測氣缸壓力，分析不同方案的燃燒特性，其中發(fā)動機(jī)固定650 kg/h進(jìn)氣量。1 200 r/min，10%EGR率時的燃燒參數(shù)如表3所示。在表3中，AI10為當(dāng)前循環(huán)氣缸內(nèi)燃料熱量釋放10%時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，AI50為當(dāng)前循環(huán)氣缸內(nèi)燃料熱量釋放50%時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

表3 活塞方案燃燒參數(shù)對比

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，在相同爆震余量的情況下，新活塞A的燃燒速度相對較快且排溫較低，綜合考察發(fā)動機(jī)的常用工況和活塞制造成本，最終選擇活塞A作為最終方案。

活塞方案確定后，還需要作進(jìn)一步的性能和排放標(biāo)定，以及發(fā)動機(jī)測試，以確定進(jìn)氣量、EGR率等其他發(fā)動機(jī)運行參數(shù)。當(dāng)發(fā)動機(jī)標(biāo)定開發(fā)完成后，對比原活塞和新活塞數(shù)據(jù)，新活塞的燃燒速度相對比原有活塞更高，相應(yīng)發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性也有所提高，其中最大扭矩點放熱率如圖8所示，經(jīng)濟(jì)性和排溫對比見表4。

圖8 新舊活塞方案的放熱率對比

表4 新舊活塞方案發(fā)動機(jī)參數(shù)對比

4 活塞可靠性測試

對選定的活塞方案，在完成發(fā)動機(jī)標(biāo)定及性能測試后，還需要對活塞和缸蓋底面進(jìn)行溫度測試，主要檢查零部件的可靠性。測試結(jié)果表明，活塞表面及缸蓋的底面溫度在零部件材料允許范圍內(nèi)(如圖9所示)。至此，對燃燒方案進(jìn)行設(shè)計凍結(jié)。

圖9 活塞及缸蓋底面溫度測點圖

天然氣發(fā)動機(jī)新活塞需要經(jīng)過臺架試驗驗證，然后才可放心交付用戶使用。該活塞在發(fā)動機(jī)臺架上運行1 500 h后，活塞各部位均無開裂現(xiàn)象，裙部以及活塞銷孔部位磨損良好，發(fā)動機(jī)性能及機(jī)油消耗達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。說明新燃燒室活塞可滿足天然氣發(fā)動機(jī)的使用要求。

5 結(jié)論

通過上述分析和試驗，可以得到如下結(jié)論：

(1)提升天然氣發(fā)動機(jī)燃燒速度，可以在活塞設(shè)計時考慮增加擠流面積以提升進(jìn)氣湍流動能；當(dāng)擠流面積無法增加時，可以采用縮口型燃燒室。

(2)設(shè)計活塞燃燒室時，需要基于迭代設(shè)計出多個方案。經(jīng)過材料結(jié)構(gòu)及模擬分析，可進(jìn)一步對方案進(jìn)行篩選。

(3)不同活塞方案進(jìn)行裝機(jī)測試對比時，需要保持相同的發(fā)動機(jī)狀態(tài)。對于點火提前角參數(shù)，可按照相同的爆震余量進(jìn)行設(shè)定。

(4)活塞選型及發(fā)動機(jī)標(biāo)定完成后，需要檢查活塞溫度，并進(jìn)行發(fā)動機(jī)耐久性試驗。