天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器匹配及試驗(yàn)驗(yàn)證

孫萬(wàn)超　郎曉姣　張磊　周鵬　趙路路　王坤　張培紅

摘要：在概念設(shè)計(jì)階段，基于GT-Power軟件建立某4缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)模型，該模型包括進(jìn)氣系統(tǒng)、缸內(nèi)燃燒系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)（excust gas recircluation，EGR）管路系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置目標(biāo)EGR率、點(diǎn)火提前角、燃燒持續(xù)期、燃燒重心為邊界條件，仿真對(duì)比不同增壓器方案的EGR率、EGR閥開啟比例、燃?xì)庀穆?、增壓器旁通閥放氣比例、外特性聯(lián)合運(yùn)行線，結(jié)合工程應(yīng)用中的增壓器匹配原則，選出合適的增壓器方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：所選方案發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性聯(lián)合運(yùn)行線遠(yuǎn)離喘振線和堵塞區(qū)，中、高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行點(diǎn)落在壓氣機(jī)高效區(qū)；標(biāo)定點(diǎn)增壓器轉(zhuǎn)速余量大于18%，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求。

關(guān)鍵詞：GT-Power；天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；EGR；當(dāng)量燃燒；廢氣渦輪增壓器

中圖分類號(hào)：TK433.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）04-0085-05

引用格式：孫萬(wàn)超，郎曉姣，張磊，等. 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器匹配及試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（4）：85-89.

SUN Wanchao， LANG Xiaojiao， ZHANG Lei， et al. Matching and test verification of a natural gas engine turbocharger［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：85-89.

0 引言

壓縮天然氣是一種理想的車用替代能源，具有成本低、效益高、無(wú)污染、使用安全便捷等特點(diǎn)，在新能源汽車發(fā)展過(guò)程中具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。天然氣的主要成分為甲烷，具有較高的辛烷值和熱值，性質(zhì)穩(wěn)定，燃燒比較完全，與汽、柴油相比有較好的排放性能。天然氣汽車以其優(yōu)良的燃燒和排放特性得到了市場(chǎng)和用戶的接受[1]。

為達(dá)到國(guó)六排放水平，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)常采用2種技術(shù)路線：當(dāng)量燃燒-三效催化轉(zhuǎn)化器（three-way catalyst， TWC）、高壓冷卻廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）-當(dāng)量燃燒-TWC。第一種技術(shù)路線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增壓器匹配僅需滿足動(dòng)力指標(biāo)，不需考慮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)考慮的爆震問(wèn)題，缺點(diǎn)是渦前溫度較高，需要通過(guò)更換排氣管材料或改進(jìn)設(shè)計(jì)方法提高其耐溫極限；第二種是常規(guī)技術(shù)路線，通過(guò)高壓冷卻EGR技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆震邊界，同時(shí)降低NOx排放及渦前溫度，降低TWC的工作強(qiáng)度，但該路線對(duì)空氣系統(tǒng)的匹配要求較高，需要同時(shí)滿足動(dòng)力性和EGR率目標(biāo)。爆震是主火核未達(dá)到的位置發(fā)生自燃的現(xiàn)象，屬于不正常燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于爆震工況，影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。添加EGR系統(tǒng)，將廢氣再次引入缸內(nèi)，可降低燃燒溫度，減輕爆震程度。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的三大關(guān)鍵部件為燃?xì)庀到y(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)。燃?xì)庀到y(tǒng)在精確時(shí)刻為發(fā)動(dòng)機(jī)提供適量燃料；點(diǎn)火系統(tǒng)通過(guò)火花塞2個(gè)電極間產(chǎn)生的電火花引燃天然氣，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能；空氣系統(tǒng)為燃料燃燒提供氧氣，按進(jìn)氣方式分為自然吸氣和增壓，通過(guò)增壓可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率。周勝余等[2]將燃?xì)鈬娚溟y由噴嘴式噴射閥更換為連續(xù)流式噴射閥，提升了燃?xì)鈬娚淇刂凭龋档蜌怏w機(jī)實(shí)際使用氣耗；郭喆晨等[3]將汽油機(jī)改為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)后，相同發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)下的低速轉(zhuǎn)矩性能較差， 采取非同步進(jìn)氣正時(shí)優(yōu)化方案后使發(fā)動(dòng)機(jī)低速動(dòng)力性能得到較大提升， 且能保持高速動(dòng)力性能；陳剛田[4]通過(guò)對(duì)12V190天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓匹配估算，以及與SJ150 系列增壓器的匹配試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)調(diào)整渦輪噴嘴環(huán)出口流通面積可以有效提高增壓匹配效率；楊兆山等[5]研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)廢氣控制閥放氣能力對(duì)增壓器運(yùn)行區(qū)間的影響，并在性能標(biāo)定時(shí)考慮增壓高效區(qū)和增壓低效區(qū)，可以提高增壓器的低速性能及改善瞬態(tài)響應(yīng)性。關(guān)于增壓器匹配定性原則及標(biāo)定的研究較多[6-8]，但關(guān)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段的增壓器匹配的定量研究較少。本文中主要針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的增壓器匹配進(jìn)行研究，提出定量原則，為后續(xù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)、性能優(yōu)化中增壓器匹配提供參考。

1 仿真模型

以某4缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，利用GT-Power軟件建立的整機(jī)熱力學(xué)模型如圖1所示。模型包含進(jìn)氣系統(tǒng)、缸內(nèi)燃燒、排氣系統(tǒng)、高壓冷卻EGR系統(tǒng)4部分；天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦前溫度較高，為了防止高溫導(dǎo)致EGR閥失效，需要把EGR閥放在冷卻器之后［9-11］。在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行增壓器匹配，增壓器仿真選型流程如圖2所示。

2 仿真分析

2.1 邊界條件

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬合目標(biāo)EGR率、點(diǎn)火提前角（上止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角）、燃燒持續(xù)期、燃燒重心（以總放熱量達(dá)到50%為特征點(diǎn)，記作CA50，此時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角記為βCA50等邊界條件，如圖3所示。

將上述4個(gè)外特性參數(shù)輸入熱力學(xué)模型中，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)仿真分析。

2.2 增壓器匹配原則

1）優(yōu)先滿足目標(biāo)EGR率，降低爆震風(fēng)險(xiǎn);其次燃?xì)庀穆瘦^低。

2）為保證增壓器的環(huán)境適應(yīng)性，防止高溫高原工況因進(jìn)氣不足導(dǎo)致的動(dòng)力性不足，增壓器渦前折合質(zhì)量流量不能過(guò)大，具體匹配原則是確保額定點(diǎn)的廢氣旁通率控制在30%～60%［12］。

3）為保證各運(yùn)行環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)均能達(dá)到目標(biāo)EGR率，以及因增壓器一致性導(dǎo)致的EGR驅(qū)動(dòng)壓差的差異，EGR閥開啟比例（當(dāng)量直徑與最大當(dāng)量直徑的比）應(yīng)控制在30%左右。

4）為保證發(fā)動(dòng)機(jī)高效、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線應(yīng)穿過(guò)壓氣機(jī)的高效區(qū)，離喘振線最近的工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)折合質(zhì)量流量應(yīng)大于喘振線對(duì)應(yīng)壓氣機(jī)折合質(zhì)量流量的1.1倍［13-14］。

5）市場(chǎng)運(yùn)行車輛大部分運(yùn)行在海拔高度低于2 500 m的地區(qū)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔高度為2 500 m時(shí)的高原動(dòng)力性，標(biāo)定點(diǎn)的增壓器轉(zhuǎn)速應(yīng)留出18%的裕量。

2.3 仿真結(jié)果分析

增壓器匹配過(guò)程中定功率、定空燃比，4種備選增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

增壓器匹配仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：1）方案1和方案3在轉(zhuǎn)速為1 000～1 400 r/min的EGR閥開啟比例明顯超過(guò)30%，且不滿足EGR率需求，尤其是方案3遠(yuǎn)低于目標(biāo)EGR率，不滿足原則1、3；2）各方案的標(biāo)定點(diǎn)旁通閥放氣率為30%～40%，滿足原則2，均可保證不同環(huán)境下EGR閥的可控性。因此，淘汰方案1、3。

方案2、4的外特性聯(lián)合運(yùn)行線的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：方案2在增壓器轉(zhuǎn)速為80 000 r/min的聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)緊貼喘振線，有喘振風(fēng)險(xiǎn)，予以淘汰；方案4在增壓器轉(zhuǎn)速為80 000 r/min的喘振裕量大于10%，標(biāo)定點(diǎn)的增壓器轉(zhuǎn)速裕量大于18%（增壓器轉(zhuǎn)速限值為194 000 r/min，計(jì)算值為150 000 r/min，增壓器轉(zhuǎn)速裕量為29.3%），滿足仿真要求，可以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

控制臺(tái)架空調(diào)出口壓力和出口溫度，以及標(biāo)定點(diǎn)的排氣背壓、中冷器前后壓損、中冷器后進(jìn)氣溫度、喇叭口進(jìn)氣壓損，進(jìn)行臺(tái)架標(biāo)定。結(jié)果表明，方案4滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能目標(biāo)，方案4發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線如圖6所示。由圖6可知：方案4發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性聯(lián)合運(yùn)行線遠(yuǎn)離喘振線和堵塞區(qū)，中、高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行點(diǎn)落在壓氣機(jī)高效區(qū)；標(biāo)定點(diǎn)增壓器轉(zhuǎn)速裕量大于18%（增壓實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速為158 000 r/min，限值為194 000 r/min，裕量為22.8%）。

4 結(jié)論

在概念設(shè)計(jì)階段，基于GT-Power軟件，建立某4缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)模型，仿真計(jì)算不同增壓器方案的EGR率、EGR閥開啟比例、燃?xì)庀穆?、增壓器旁通閥放氣比例、外特性聯(lián)合運(yùn)行線，從中優(yōu)選合適的增壓器方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1）試驗(yàn)結(jié)果表明：選擇的增壓器方案發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性聯(lián)合運(yùn)行線遠(yuǎn)離喘振線和堵塞區(qū)，中高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行點(diǎn)落在壓氣機(jī)高效區(qū)；標(biāo)定點(diǎn)增壓器轉(zhuǎn)速裕量大于18%，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足試驗(yàn)要求。

2）在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)仿真對(duì)增壓器進(jìn)行篩選，可避免出現(xiàn)喘振、堵塞、增壓器超速、EGR率不足等現(xiàn)象，縮短開發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)資源。

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Matching and test verification of a natural gas engine turbocharger

SUN Wanchao， LANG Xiaojiao， ZHANG Lei， ZHOU Peng，

ZHAO Lulu， WANG Kun， ZHANG Peihong

Weichai Power Co.， Ltd.，Weifang 261061， China

Abstract：In the conceptual design stage， based on GT-Power software， a complete simulation model of a four cylinder natural gas engine， including the intake system， combustion system in the cylinder， and EGR pipeline system， has been established. Based on engineering experience， target EGR rate， ignition advance angle， combustion duration， and combustion center is set as boundary conditions. The simulation compares the EGR rate， EGR valve opening ratio， gas consumption rate， turbocharger bypass valve bleeding ratio， and engine external operation line of different turbocharger schemes. According to the matching principle of turbocharger in engineering applications， a suitable turbocharger scheme is selected for experimental verification. The experimental results show that the combined operating line of the external characteristics of the selected scheme engine is far from the surge line and blockage zone， and the operating points of medium and high speeds fall in the high-efficiency zone of the compressor. The speed margin of the turbocharger at the designated point is greater than 18%， which meets the engine performance requirements.

Keywords：GT-Power; natural gas engine; EGR; stoichiometric ratio combustion; exhaust gas turbocharger

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2022-08-15

第一作者簡(jiǎn)介：孫萬(wàn)超（1987—），男，寧夏平羅人，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)，E-mail： Sunwc@weichai.com。