天然氣發(fā)動機EGR混合器加熱仿真與試驗研究

劉志治，黃林，韋鉆國

廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005

0 引言

天然氣是我國當前重型載貨車市場中最主要的柴油替代燃料，天然氣的開采、運輸和存儲技術(shù)成熟，配套產(chǎn)業(yè)鏈完善[1-2]；同時天然氣熱值高，辛烷值高，抗爆性好，碳、氫元素的質(zhì)量比為3∶1，而柴油的碳、氫元素質(zhì)量比接近7∶1，盡管天然氣發(fā)動機的熱效率比柴油機低，但同等功率下天然氣發(fā)動機的碳排放僅為柴油機的80%，天然氣發(fā)動機技術(shù)是內(nèi)燃機實現(xiàn)“碳中和”的重要技術(shù)路線之一[3-4]。

當量燃燒、廢氣再循環(huán)(exhaust gas re-circulation,EGR)、三效催化是當前滿足國六排放標準的重型載貨車輛天然氣發(fā)動機普遍采用的技術(shù)路線[5-7]。我國從2019年7月1日起針對重型天然氣載貨車輛實施國六排放標準[8]，之后絕大部分新生產(chǎn)銷售的天然氣重型載貨車輛搭載的發(fā)動機都帶有EGR系統(tǒng)[9]。由于天然氣燃燒產(chǎn)物中含有大量的水，發(fā)動機采用EGR技術(shù)方案后，EGR氣體內(nèi)的水會流入進氣系統(tǒng)內(nèi)，當車輛運行在高寒環(huán)境時，受到外界低溫的影響,進氣系統(tǒng)內(nèi)的氣態(tài)水會冷凝成液態(tài)水，進而凍結(jié)為冰，并附著在進氣管道內(nèi)，使得發(fā)動機進氣不足、性能惡化，嚴重時導(dǎo)致發(fā)動機熄火及無法起動[10-12]。

本文中依托ANSYS Fluent軟件，基于K13N發(fā)動機建立天然氣發(fā)動機的EGR混合器仿真模型，分析帶加熱水流道的EGR混合器結(jié)構(gòu)對天然氣發(fā)動機EGR混合氣體的溫度以及均勻度的影響，通過臺架試驗測試相同環(huán)境條件和發(fā)動機運行工況下有、無加熱水流道的EGR混合器使用情況。

1 EGR混合器模型建立及研究

1.1 EGR混合器模型建立

基于K13N當量燃燒天然氣發(fā)動機的EGR混合器實物UG模型，增加一套水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)，將EGR混合器氣體出口管道延長80 mm、EGR氣體入口管道延長60 mm，以獲得最佳計算收斂速度和求解精度。

建模完成后，使用Hypermesh軟件建立面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，再將帶有網(wǎng)格的模型導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件進行仿真[13]。計算過程中，采用多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，同步計算循環(huán)水、空氣、EGR氣體、天然氣4種流體。計算模型如圖1所示。

圖1 計算用混合器內(nèi)流道模型

模型采用不可壓縮穩(wěn)態(tài)耦合隱式壓力基求解器，忽略重力影響，采用標準k-ε模型作為湍流模型，Courant number(庫朗數(shù))取1[14]，輸運項選擇methane/air(甲烷和空氣)，EGR入口氣體設(shè)為純二氧化碳(CO2)，燃氣入口組分設(shè)為純甲烷(CH4)，其余邊界條件設(shè)定如表1所示。

表1 模型計算邊界條件

1.2 計算結(jié)果

設(shè)置好邊界條件后，軟件即可自動求解，輸出溫度、壓力、速度的計算結(jié)果。溫度場計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度場計算結(jié)果

由圖2可知：溫度約為-40 ℃的空氣與70 ℃的EGR混合器加熱水道充分換熱后，空氣溫度可升高到30 ℃，EGR混合器加熱水道的溫度由70 ℃下降到60 ℃，之后空氣依次和溫度為-40 ℃的EGR氣體和天然氣接觸并充分混合，最終EGR混合器出口氣體的溫度保持在6.5 ℃左右，該溫度能夠保證EGR混合器在最惡劣工況下不結(jié)冰。

EGR混合器的壓力云圖如圖3所示，速度云圖如圖4所示。

由圖3、4可知：氣體通過EGR混合器內(nèi)的混合器芯和擾流板后，壓力和速度都會下降，這是因為混合器芯和擾流板會對氣流形成阻力和擾流，使得氣體壓力和流速均下降，擾流的加強使得空氣和EGR氣體的混合均勻度得到提升[15-16]。

圖3 壓力云圖 圖4 速度云圖

采用面積加權(quán)的氣體體積分數(shù)分布均勻度(以下簡稱均勻度)作為評價標準，設(shè)定氣體與氣體之間完全混合的均勻度為1。

均勻度

式中：i為截面上的某小塊區(qū)域編號，i=1，2，…，n；Si為截面上第i塊區(qū)域的面積，mm2；ai為截面上第i塊區(qū)域上的氣體體積分數(shù)。

計算時通過統(tǒng)計各截面不同區(qū)域的均勻度，得到天然氣和EGR的整體均勻度。天然氣和EGR的均勻度計算結(jié)果如圖5所示。

a)天然氣 b)EGR

由圖5可知：EGR混合器出口的天然氣混合均勻度為0.985，EGR氣體混合均勻度為0.992，EGR氣體混合均勻性比天然氣混合均勻性提高了0.007。這是因為EGR氣體在流出EGR混合器時經(jīng)過了EGR和天然氣2級擾流，天然氣在流出EGR混合器時只經(jīng)過了天然氣1級擾流，因此EGR氣體的均勻度優(yōu)于天然氣氣體。

2 整車臺架試驗

計算結(jié)果表明，EGR混合器增加水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)后可有效提升出口的混合氣體溫度?；谟嬎憬Y(jié)果制作帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器樣件，安裝到搭載K13N天然氣發(fā)動機的重型牽引車進行整車環(huán)境艙臺架試驗，設(shè)定環(huán)境溫度為-25 ℃。

2.1 試驗方案

在EGR混合器增加加熱水道的目的是提高EGR混合器出口氣體的溫度，解決天然氣發(fā)動機在冬季使用時遇到的EGR混合器結(jié)冰問題，因此試驗工況應(yīng)盡量模擬車輛在正常使用過程中可能遇到的極端條件。根據(jù)分析，發(fā)動機EGR混合器結(jié)冰通常出現(xiàn)在長怠速、長下坡間歇工作工況。

2.1.1 長怠速工況

低溫環(huán)境下，車輛冷機起動后，如果長期運行在怠速工況，此時發(fā)動機循環(huán)水溫度低，機體熱輻射小，EGR混合器主要受外部環(huán)境溫度的影響，當EGR閥有輕微泄漏時，泄漏的EGR氣體含有大量水分，氣態(tài)水在較低的環(huán)境溫度下極易冷凝成冰。

2.1.2 長下坡間歇工作工況

車輛正常行駛過程中，當遇到長下坡路段時，駕駛員往往會松開油門讓發(fā)動機進入減速停噴工況(fuel shut-off，F(xiàn)SO)，即燃料供給裝置停止供氣，同時開啟節(jié)氣門，保證發(fā)動機具有較好的燃料經(jīng)濟性和制動功能，駕駛員踩下油門踏板時控制系統(tǒng)立刻恢復(fù)噴射天然氣。車輛在低溫地區(qū)頻繁在減速停噴和駕駛工況切換時，EGR混合器得不到充分輻射加熱升溫，EGR氣體與低溫空氣混合后其內(nèi)部的氣態(tài)水析出，在EGR混合器內(nèi)部表面迅速冷凝、結(jié)冰。

2.1.3 綜合工況

充分模擬車輛從起動到上路行駛，直到最終進站停車的完整駕駛循環(huán)。綜合工況包含長怠速工況、長下坡工況以及常用轉(zhuǎn)速和負荷區(qū)間的自由加速工況。

2.2 整車長怠速試驗

2.2.1 原EGR混合器

首先使用原機的EGR混合器進行低溫環(huán)境測試，在溫度為-25 ℃的環(huán)境艙內(nèi)起動發(fā)動機，發(fā)動機冷機怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min，發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速會隨水溫的上升而緩慢下降；固定EGR閥開度為3%，用于模擬EGR發(fā)生輕微泄漏的狀態(tài)。試驗中，發(fā)動機成功起動并在怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，約300 s后發(fā)動機自動熄火。此時立即拆開進氣管路取出EGR混合器，檢查EGR混合器狀態(tài)，如圖6所示。由圖6可知，EGR混合器芯的擾流板葉片已經(jīng)附著大量的冰，嚴重影響氣體流通能力。

圖6 原機自動熄火后EGR混合器狀態(tài)

可見原機EGR混合器在環(huán)境溫度極低、并引入EGR氣體的工況下，EGR氣體內(nèi)的氣態(tài)水會迅速結(jié)冰并附著在EGR混合器內(nèi)壁。EGR混合器的主流道流通截面積隨著結(jié)冰體積的增大而減小，通過的可燃混合氣體流量也相應(yīng)減小，最終因為進入缸內(nèi)可供燃燒的混合氣不足而導(dǎo)致發(fā)動機熄火[17]。

2.2.2 帶加熱水流道的EGR混合器

在同一臺發(fā)動機上安裝帶有加熱水流道的EGR混合器，并在EGR混合器的入口、出口、EGR閥出口、EGR孔板處安裝溫度傳感器，與原EGR混合器進行相同工況的長怠速試驗。長怠速工況下試驗采集到的加熱水流道EGR混合器各位置溫度變化如圖7所示。

由圖7可知：發(fā)動機各位置采集的溫度隨時間逐漸上升；當?shù)∷龠\行700 s左右時，EGR混合器出口溫度即可達到0 ℃以上；當?shù)∷龠\行2000 s時，EGR混合器前的溫度也達到0 ℃以上；此時發(fā)動機機體已經(jīng)充分加熱，EGR混合器不再出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。最終通過主動關(guān)停發(fā)動機結(jié)束試驗。

圖7 加熱水流道EGR混合器各位置溫度變化曲線

此時使用內(nèi)窺鏡觀測EGR混合器，如圖8所示。由圖8可知：EGR混合器的擾流板葉片表面附著有少量液態(tài)水，未發(fā)現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

圖8 長怠速工況后帶加熱水道的混合器外觀

2.3 長下坡間歇工況試驗

由于原機EGR混合器在長怠速工況會存在結(jié)冰問題，因此只在長下坡間歇工況對帶加熱水流道的EGR混合器進行試驗。

長下坡時發(fā)動機轉(zhuǎn)速相比怠速轉(zhuǎn)速更高，并且為了保證燃料經(jīng)濟性，在FSO狀態(tài)下發(fā)動機將停止燃料噴射和各缸點火，同時增大節(jié)氣門開度。和長怠速工況相比，此時流經(jīng)EGR混合器的冷空氣流量更大，對EGR混合器本體和EGR氣體的冷卻效應(yīng)更快、更強。試驗中，在-25 ℃的環(huán)境艙內(nèi)起動發(fā)動機，之后發(fā)動機轉(zhuǎn)速固定為1200 r/min，同時通過更改發(fā)動機電控程序反復(fù)進入和退出FSO狀態(tài)，研究車輛在常規(guī)行駛以及長下坡間歇工作時EGR混合器前、后溫度的變化規(guī)律。試驗采集到的EGR混合器前后、溫度變化曲線如圖9所示。

由圖9可知：當進入長下坡工況時，發(fā)動機的節(jié)氣門開度較大，此時引入了大量和外部環(huán)境溫度相同的空氣，EGR混合器前的溫度迅速下降到-20 ℃左右；EGR混合器后的溫度下降速度相對較慢，經(jīng)過多次試驗確認，在發(fā)動機進入長下坡工況10 s后，EGR混合器后的溫度下降到-20 ℃左右；當退出長下坡工況后，發(fā)動機燃燒室內(nèi)恢復(fù)點火燃燒，中冷器后的空氣溫度以及EGR氣體溫度上升，此時EGR混合器前后的溫度會迅速上升到0 ℃以上，EGR混合器結(jié)冰的風險消除。

圖9 帶加熱水道的EGR混合器長下坡工況試驗數(shù)據(jù)

長怠速工況試驗進行約4000 s，試驗結(jié)束后使用內(nèi)窺鏡觀測EGR混合器，EGR混合器狀態(tài)如圖10所示。由圖10可知：長怠速工況下EGR混合器無結(jié)冰現(xiàn)象。但分析EGR混合器后的溫度變化趨勢，環(huán)境溫度為-25 ℃時，車輛進入長下坡工況的時間超過10 s后，EGR混合器后的溫度已經(jīng)接近-20 ℃，此時EGR混合器結(jié)冰的風險較高?？梢娫贓GR混合器加裝循環(huán)水加熱結(jié)構(gòu)以后，雖然能有效降低EGR混合器結(jié)冰的風險， 但是其加熱能力有限，無法應(yīng)對非常極端的工作環(huán)境。

圖10 長下坡工況帶加熱水道的混合器外觀

2.4 綜合工況試驗

由于原機EGR混合器在長怠速工況會存在結(jié)冰問題，因此只進行帶加熱水流道的EGR混合器的綜合工況試驗，環(huán)境溫度設(shè)定為-25 ℃。綜合工況持續(xù)3600 s，前800 s為長怠速工況，800～2600 s為自由加速工況，2600～3600 s為長下坡工況。采集到的EGR混合器前后溫度曲線如圖11所示。

由圖11可知：怠速熱機運行(0～800 s)時，由于發(fā)動機水溫上升較慢，混合器出口的氣體溫度緩慢上升；自由加速駕駛工況時，混合器出口氣體溫度隨發(fā)動機進氣流量的變化發(fā)生顯著的交變，運行1000 s后，氣體溫度維持在0 ℃以上；進入長下坡工況，模擬駕駛員間歇性踩油門動作，由于發(fā)動機進氣流量變化幅度較大，而且發(fā)動機燃燒的工作時間變短，混合器出口氣體溫度在-15～5 ℃內(nèi)隨進氣流量的變化而波動。

圖11 帶加熱水道的EGR混合器綜合工況試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)束后使用內(nèi)窺鏡觀測EGR混合器，外觀如圖12所示。由圖12可知，EGR混合器無結(jié)冰跡象。

圖12 綜合工況帶加熱水道的EGR混合器外觀

綜合以上分析，安裝水循環(huán)加熱流道的EGR混合器能有效提高出口的氣體溫度，大幅降低結(jié)冰風險。

3 結(jié)論

基于ANSYS Fluent軟件搭建帶加熱水流道的天然氣發(fā)動機EGR混合器三維模型，進行了EGR混合器內(nèi)混合氣體的溫度場、壓力和混合均勻性等仿真，根據(jù)仿真結(jié)果制作了帶有水循環(huán)加熱的混合樣件并進行整車對比試驗。

1)仿真計算結(jié)果表明，帶有水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器可以在環(huán)境溫度為-40 ℃、加熱水溫為70 ℃時，保持發(fā)動機怠速工況EGR混合器出口的氣體溫度為6.5 ℃左右，大幅降低EGR混合器結(jié)冰的風險；經(jīng)過2級擾流的EGR氣體均勻性比只經(jīng)過1級擾流的天然氣氣體混合均勻性提高了0.7%，更有利于天然氣發(fā)動機的燃燒。

2)環(huán)境溫度為-25 ℃時，不帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器在發(fā)動機怠速運行300 s就會大量結(jié)冰，并導(dǎo)致發(fā)動機熄火。

3)環(huán)境溫度為-25 ℃時，帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器在發(fā)動機怠速工況、長下坡工況、綜合工況下均不會結(jié)冰，相對不帶水循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)的EGR混合器，防結(jié)冰效果十分顯著。