天然氣發(fā)動機排氣管優(yōu)化分析

劉清

摘 要：天然氣主要成分為甲烷，海陸儲量豐富，同時也可以通過沼氣等生物發(fā)酵方式進行再生制備。天然氣發(fā)動機作為重型車輛清潔高效的動力來源之一，日益受到產(chǎn)業(yè)鏈相關各方的密切關注。本文圍繞市場的一款天燃氣發(fā)動機出現(xiàn)故障的排氣管進行結構設計優(yōu)化和仿真分析，通過仿真分析表明，加大排氣管的壁厚。增加法蘭厚度以及在排氣管上布置筋條，均可有效的提高排氣管的可靠性，文中所優(yōu)化的兩款排氣管都可滿足設計目標，能有效的解決市場出現(xiàn)的問題。

關鍵詞：天然氣;發(fā)動機;排氣管

引言

近年來，我國的經(jīng)濟高速發(fā)展，對石油的需求越來越大，由此產(chǎn)生了能源短缺和環(huán)境污染問題。滿足歐五排放標準的天然氣發(fā)動機在采用當量燃燒路線后，缸內(nèi)溫度比稀燃路線下的溫度高，爆燃邊界變窄;高增壓、降轉速使其向高功率密度和高負荷方向發(fā)展。在升功率提升的同時，天然氣的發(fā)動機的熱負荷會越來越大，這勢必會對排氣管的結構設計帶來巨大的挑戰(zhàn)。

1.歐5排放要求的特殊性

1.1 I型排放測試

2020年1月1日起開始執(zhí)行的歐5排放限值如表1。歐盟準備執(zhí)行的發(fā)動機歐5排放限值比歐四限值加嚴很多。發(fā)動機產(chǎn)品要想達到歐5排放限值，需要改進和提高發(fā)動機的排放控制策略，如調(diào)整觸媒的貴金屬含量等。

1.2測試循環(huán)

在歐4階段，對于L3e類發(fā)動機，I型排放測試時使用WMTC1階段循環(huán)，即第2號UNECE全球技術法規(guī)（1）規(guī)定的全球統(tǒng)一的發(fā)動機測試循環(huán)。L3e、L4e、L5e-A及L7e-A（子）類車輛使用WMTC2階段循環(huán)，即第2號UNECE全球技術法規(guī)（2）內(nèi)規(guī)定的全球統(tǒng)一的發(fā)動機測試。在歐5階段，發(fā)動機排放測試需要使用WMTC3循環(huán)，即第2號UNECE全球技術法規(guī)（3）內(nèi)規(guī)定的全球統(tǒng)一的發(fā)動機測試循環(huán)，適用于最高設計車速較低的車輛，這是L類車輛進行認證時強制使用的I型排放測試循環(huán)。

1.3車載診斷（OBD）

歐4階段，L類發(fā)動機執(zhí)行OBD第I階段要求，按照測試程序進行測試并滿足歐4階段環(huán)境試驗閾值。到歐5階段，需要滿足加嚴的試驗閾值，見表3。同時歐5階段還需要進行催化轉化器監(jiān)測、EGR（廢氣再循環(huán)系統(tǒng)）系統(tǒng)監(jiān)測、失火監(jiān)測、NOx后處理系統(tǒng)監(jiān)測及車載診斷（OBD）歐4階段，L類發(fā)動機執(zhí)行OBD第I階段要求，按照測試程序進行測試并滿足歐4階段環(huán)境試驗閾值。到歐5階段，需要滿足加嚴的試驗閾值。同時歐5階段還需要進行催化轉化器監(jiān)測、EGR（廢氣再循環(huán)系統(tǒng)）系統(tǒng)監(jiān)測、失火監(jiān)測、NOx后處理系統(tǒng)監(jiān)測及氧傳感器劣化監(jiān)測等系統(tǒng)功能和相關要求的測試。

1.4污染物控制裝置耐久性

歐5階段，排放耐久方式和耐久里程與歐4階段一樣。耐久方式也可以采取全里程耐久試驗方法、部分里程耐久測試方法及數(shù)學計算方法。在采取數(shù)學計算方法時，需要用到給定的劣化系數(shù)。在歐5階段，給定的劣化系數(shù)與歐4階段有些差異。

2.排放技術方案

2.1稀薄燃燒-DOC-SCR-ASC

當發(fā)動機空燃比大于17.2時，稱為稀薄燃燒。稀薄燃燒技術可降低發(fā)動機油耗和排放。天然氣發(fā)動機采用稀薄燃燒技術時，單純使用機內(nèi)凈化技術已經(jīng)無法使NOx排放降至排放限值以下，需要增加SCR進一步降低NOx排放，并且需要配合ASC對使用SCR后發(fā)動機尾氣中的NH3進行控制，滿足歐五排放的要求。排放控制技術可最大限度提高天然氣發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，同時又能獲得較好的排放性能，是柴油發(fā)動機中應用最廣泛、技術最成熟、綜合效果最好的技術方案。但該技術方案在天然氣發(fā)動機的應用中存在諸多問題：1）根據(jù)發(fā)動機原排計算，需要天然氣發(fā)動機排放后處理系統(tǒng)催化轉化效率保持在90%以上;2）使用該技術后，天然氣發(fā)動機排溫比柴油機高且產(chǎn)生大量的H2O，對發(fā)動機排放耐久帶來了挑戰(zhàn);3）在增加SCR系統(tǒng)后，后處理系統(tǒng)以及整車運行成本均增加較多。因此，該技術方案在天然氣發(fā)動機中應用較少。

2.2理論空燃比-三元催化-EGR

理論空燃比技術指控制天然氣發(fā)動機在所有運行工況下的過量空氣系數(shù)為1，即將缸內(nèi)參與燃燒的新鮮空氣量與天然氣之比控制在17.2左右。在采用理論空燃比技術后，發(fā)動機在經(jīng)濟性、熱負荷、熱效率等方面均劣于稀薄燃燒技術，但是在動力性、后處理使用、排放耐久方面優(yōu)勢明顯，可以滿足歐五甚至更嚴格的排放限值要求。為降低天然氣發(fā)動機采用理論空燃比后帶來的劣勢，提升競爭力，國內(nèi)開發(fā)的滿足歐五排放標準的天然氣發(fā)動機普遍配備EGR系統(tǒng)。使用EGR系統(tǒng)后，可有效降低天然氣發(fā)動機的最高燃燒溫度、關鍵零部件的熱負荷和爆震傾向，降低NOx排放，同時一定程度上提升發(fā)動機的經(jīng)濟性。

2.3天然氣發(fā)動機排放技術方案對比

在對當前國內(nèi)外天然氣發(fā)動機主流排放控制技術和滿足歐五排放標準的技術調(diào)研分析基礎上，以排放控制和發(fā)動機經(jīng)濟性為主要評價指標，兼顧成本、系統(tǒng)復雜度、對未來發(fā)動機技術發(fā)展的適應性，多維度、多角度、多尺度地建立面向歐五排放標準的天然氣發(fā)動機排放控制技術方案評價體系，為歐五天然氣發(fā)動機開發(fā)提供參考。通過對天然氣發(fā)動機常用排放技術方案進行對比，稀燃-DOC-SCR-ASC的技術方案在成本和經(jīng)濟性方面存在較明顯的劣勢。當前發(fā)動機排放標準日益嚴格，理論空燃比-TWC（-EGR）成為當前天然氣發(fā)動機的主流技術方案。

3.計算模型

有限元模型包括氣缸蓋、排氣管、渦后接管、渦后接管支架、排氣管墊片、增壓器底座、螺栓。氣缸蓋、排氣管、增壓器座、墊片用SimLab劃分網(wǎng)格，螺栓用HyperMesh劃分網(wǎng)格，在FIRE中計算內(nèi)流場的溫度，通過映射程序獲取熱邊界，在Abaqus里施加邊界條件，最后用Abaqus求解。進行溫度場計算時，墊片采用DC3D6單元，實體采用DC3D10單元。進行強度計算時，墊片采用GK3D12M單元，實體采用C3D10M單元。

4.計算邊界

4.1溫度場分析

排氣管內(nèi)壁及缸蓋排氣道內(nèi)壁由流體CFD計算提供映射邊界。水套、缸蓋油道、缸蓋進氣道、缸蓋火力岸、排氣管和缸蓋外壁面的溫度和換熱系數(shù)按照經(jīng)驗施加;同時設置輻射溫度和系數(shù)。

4.2帶熱負荷的靜力分析

①溫度場分析結果作為溫度邊界輸入;②螺栓軸力：根據(jù)工藝試驗可知，M10的排氣管螺栓擰緊力矩為60～70N·m，強度計算取上限值;增壓器螺栓為M12螺栓，擰緊力矩為110N·m。③增壓器質(zhì)量為13.8kg，在增壓器質(zhì)心處按照上下左右前后方向分別施加一定倍數(shù)的重力加速度。

4.3約束施加

溫度場分析不施加位移約束，靜力分析時，缸蓋封火圈位置、機體頂面缸套安裝臺階面約束上下方向（Y向）;缸蓋截面Z方向采用對稱約束;機體頂面左右分割線上若干點約束左右方向（Z向）;缸蓋底面前后中間分割線、機體頂面前后中間分割線上若干點約束前后方向（X向）。

5.計算結果與分析

5.1溫度場計算結果

高溫區(qū)域主要分布在增壓器到EGR取氣口之間，對應是故障位置，兩種方案最高溫值區(qū)別不大，方案1稍小于方案2，但兩種結構的排氣管最高溫度均滿足設計目標要求。

5.2高周疲勞計算結果

將應力分析結果文件導入到FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進行高周疲勞求解。大板筋附近安全系數(shù)相當，兩種結構的差異不大，疲勞安全系數(shù)均滿足設計要求。

結束語

通過對兩個排氣管進行最高溫度、應力分析，高周疲勞分析：①兩個方案最高溫度相差很小，均合格;②三個方案最小安全系數(shù)也相差很小，均合格;③五六缸大板筋及周圍的應力對比，SF1優(yōu)于SF2。

參考文獻：

[1]陳本林，等.歐五排放天然氣發(fā)動機開發(fā)[J].汽車工程學報，2021，11（1）.

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