基于6134柴油機(jī)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線設(shè)計(jì)

婁宗勇，宋松松，左明偉，劉雪萍

(1.承德石油高等專科學(xué)校汽車(chē)工程系，河北承德 067000;2.承德蘇肯銀河連桿股份有限公司，河北承德 067000)

把柴油機(jī)改裝成天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力性會(huì)下降，但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能好，天然氣資源豐富，因而研究、開(kāi)發(fā)基于柴油機(jī)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)［1－4］。我國(guó)東風(fēng)汽車(chē)公司、玉柴機(jī)械有限公司、上海柴油機(jī)有限公司、山東濰坊柴油機(jī)有限公司、以及天津大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位都進(jìn)行了單一燃料點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與開(kāi)發(fā)［5－8］。天津大學(xué)張德福等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套由高低壓氣路組成的復(fù)合式天然氣供氣系統(tǒng)，西安交通大學(xué)的劉欣亮、黃佐華等研究了天然氣高壓缸內(nèi)直接噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)不同噴射時(shí)刻的燃燒特性，日本Y.Kawabata等在一臺(tái)單缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了HCCI燃燒［9］，Takuji Ishiyama等的研究表明HCCI燃燒方式更適合氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)［10］，焦運(yùn)景、張惠明等以熱力學(xué)基本方程為基礎(chǔ)建立均質(zhì)壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒熱效率計(jì)算模型。本文所研究的基于6134柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)的天然氣專用發(fā)動(dòng)機(jī)，主要是用于發(fā)電組。

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，配氣相位與凸輪型線是影響配氣機(jī)構(gòu)性能的重要方面，它們的合理與否，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與排放性能［11］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善，柴油機(jī)配氣相位的設(shè)計(jì)與優(yōu)化逐漸從傳統(tǒng)的依靠試驗(yàn)確定一個(gè)相對(duì)折中的數(shù)值，發(fā)展到利用各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)軟件進(jìn)行(模擬)計(jì)算和分析，從而實(shí)現(xiàn)了方便快捷而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。應(yīng)用AVL-BOOST軟件可以通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行熱力計(jì)算和模擬分析，從而得到需要的結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真。通過(guò)這種仿真可以為發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)［12］。

1 模型建立及驗(yàn)證

本文采用AVL-BOOST軟件建立了基于6134柴油機(jī)改裝為火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)模型，研究了配氣機(jī)構(gòu)對(duì)該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，提出了對(duì)配氣相位的改進(jìn)措施，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了改進(jìn)要求。模型建立是根據(jù)6134天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)機(jī)結(jié)構(gòu)及元件進(jìn)行布置的，在AVL-BOOST軟件中建立發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算模型，如圖1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)模型中包括6個(gè)氣缸(C1～C6);1個(gè)渦論增壓器(TC1);1個(gè)中冷器(CO1);兩個(gè)限流閥(R1、R2);5個(gè)容積腔(PI1～PI5)，PI1代表天然氣存儲(chǔ)空間，PI2代表混合器，PI3代表進(jìn)氣總管，PI4、PI5代表排氣總管代表混合器;2個(gè)系統(tǒng)邊(SB1，SB2);23個(gè)連接管道(1～23);8個(gè)測(cè)量點(diǎn)(MP1～MP8)。利用建立的計(jì)算模型，選取在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min負(fù)荷特性的幾個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1可看出，該通過(guò)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)1 500 r/min負(fù)荷特性的幾個(gè)工況點(diǎn)的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合，誤差在允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況相符，以該仿真模型作為基礎(chǔ)進(jìn)行的性能計(jì)算與分析具有可靠性。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化及分析

2.1 配氣相位的優(yōu)化

配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最大的是進(jìn)氣遲閉角，及排氣提前角，氣門(mén)的提前開(kāi)啟和延遲關(guān)閉，可以充分利用氣體流動(dòng)的慣性，使進(jìn)入氣缸的工質(zhì)盡可能的多，并且排氣時(shí)使廢氣盡可能干凈徹底的排出，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。原6134柴油機(jī)的配氣相位見(jiàn)表2，氣門(mén)重疊角為 57.5°。

表2 原發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位數(shù)據(jù)表

柴油機(jī)的燃油是噴入氣缸內(nèi)不占進(jìn)入空氣的體積，而天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入的天然氣占了一定的進(jìn)氣體積。對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)，過(guò)大的氣門(mén)重疊角可能會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣量過(guò)多，造成部分燃料未經(jīng)燃燒而直接排出機(jī)外，以至未燃HC排放量過(guò)高。考慮到原柴油機(jī)有一定的功率儲(chǔ)備，所以在方案設(shè)計(jì)中適當(dāng)?shù)臏p小氣門(mén)重疊角，這既有利于NO降低，還有利于降低排溫。綜合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)首先設(shè)計(jì)了幾種不同的方案，然后對(duì)每種方案進(jìn)行了仿真計(jì)算，選出了該發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位。表3是設(shè)計(jì)的方案。

表3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位方案

1)不同方案對(duì)充氣效率的影響

通過(guò)對(duì)四種方案與原柴油機(jī)的配氣相位進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min與不同負(fù)荷情況下，不同的方案的充氣效率(相對(duì)于進(jìn)氣管狀況下)，如圖2所示。

通過(guò)圖2可以看出隨著負(fù)荷的增大，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率增大，這主要是因?yàn)椴裼蜋C(jī)改為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)后由質(zhì)調(diào)節(jié)改為了量調(diào)節(jié)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷的增大，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度也相應(yīng)增大，進(jìn)氣阻力減小，充氣效率增加。同時(shí)也可以看出方案三的充氣效率最好，這主要是由于四個(gè)方案中進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角一直在增大，增大晚關(guān)角有利于充氣效率的增加，但是過(guò)大的晚關(guān)角會(huì)造成一部分進(jìn)入到汽缸里的氣體被活塞推到進(jìn)氣總管內(nèi)，所以使得充氣效率反而降低。

2)不同方案對(duì)排氣溫度的影響

通過(guò)對(duì)四種方案與原柴油機(jī)的配氣相位進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min與不同負(fù)荷情況下，不同的方案的排氣溫度，如圖3所示。

通過(guò)圖3可以看出氣門(mén)重疊角對(duì)于排溫有直接的影響，這是因?yàn)樘烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)是在缸外形成混合氣，氣門(mén)重疊角增大使得發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣量變多，后燃比較嚴(yán)重，致使排氣溫度升高。通過(guò)仿真計(jì)算可以看出方案二的排氣溫度最小，不過(guò)方案三與方案二之間的差別不大。

綜上所述，在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的是方案三給出的配氣相位。

2.2 凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)［13－15］

應(yīng)用方案三給出的配氣相位，對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了使配氣機(jī)構(gòu)具備良好的充、排氣性能要求凸輪型線具有較大的豐滿系數(shù)。

式中:hmax為凸輪的最大升程;ξ表示凸輪型線的豐滿系數(shù)。它反應(yīng)了配氣機(jī)構(gòu)的氣體通過(guò)能力，豐滿系數(shù)大，進(jìn)排氣效率高，動(dòng)力性能好。

對(duì)于高次五項(xiàng)式方程推導(dǎo)，得豐滿系數(shù)為

本文所設(shè)計(jì)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線應(yīng)滿足如下條件:

1)最小曲率半徑不小于2 mm。

2)所設(shè)計(jì)的的凸輪型線產(chǎn)生的最大加速度不應(yīng)高于原柴油機(jī)的5%，即進(jìn)氣凸輪不大于60.54，排氣凸輪不大于73.57。

3)豐滿系數(shù)不小于原機(jī)，即進(jìn)氣凸輪不小于0.557，排氣凸輪不小于0.546。

由于余弦緩沖段的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，只受升程和緩沖段包角的約束，其加速度曲線在緩沖末端為0，因而易與大多數(shù)基本段相接而保持二階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性，所以本凸輪型線在保證原緩沖段包角與緩沖段最大升程不變的情況小采用余弦緩沖段。通過(guò)選取不同的n，m組合對(duì)所設(shè)計(jì)的凸輪型線進(jìn)行計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 進(jìn)氣凸輪

表5 排氣凸輪

通過(guò)計(jì)算進(jìn)氣凸輪選取的M、n值為4、5，排氣凸輪選取的M、n值為4、3。

3 臺(tái)架試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)為:缸徑134 mm，連桿長(zhǎng)度270 mm，活塞行程167 mm，壓縮比10.5，增壓比1.8，標(biāo)定功率(轉(zhuǎn)速)280 kW(1 500 r/min)，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要是用來(lái)做發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力，所以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為1 500 r/min。圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

本研究通過(guò)在火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上更換凸輪軸的方法來(lái)研究不同配氣相位與不同凸輪型線下的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排溫及充氣效率影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用本文所介紹的仿真方法通過(guò)加工制造的凸輪軸與原柴油機(jī)的凸輪軸做的比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

1)通過(guò)圖5實(shí)驗(yàn)可知所選用的三號(hào)方案的配氣相位充氣效率提高4%左右。有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間有一些差別，但是總體來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的變化結(jié)果是相一致的。

2)用本文設(shè)計(jì)的凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)280 kW時(shí)的排溫降低18℃左右，排溫的降低有利于排放，氮氧化合物生成的要降低10%左右。

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合，AVL-BOOST建立的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型具有一定的可靠性.

2)通過(guò)仿真找到了適合這臺(tái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的比較，可以看出仿真結(jié)果與真實(shí)值之間的差別很小只有3%左右，通過(guò)仿真可以預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況。

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