天然氣發動機排氣管優化分析

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酵方式進行再生制備。天然氣發動機作為重型車輛清潔高效的動力來源之一，日益受到產業鏈相關各方的密切關注。本文圍繞市場的一款天燃氣發動機出現故障的排氣管進行結構設計優化和仿真分析，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的問題。

關鍵詞：天然氣;發動機;排氣管

引言

近年來，我國的經濟高速發展，對石油的需求越來越大，由此產生了能源短缺和環境污染問題。滿足歐五排放標準的天然氣發動機在采用當量燃燒路線后，缸內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展。在升功率提升的同時，天然氣的發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。

1.歐5排放要求的特殊性

1.1 I型排放測試

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

1.2測試循環

在歐4階段，對于L3e類發動機，I型排放測試時使用WMTC1階段循環，即第2號UNECE全球技術法規（1）規定的全球統一的發動機測試循環。L3e、L4e、L5e-A及L7e-A（子）類車輛使用WMTC2階段循環，即第2號UNECE全球技術法規（2）內規定的全球統一的發動機測試。在歐5階段，發動機排放測試需要使用WMTC3循環，即第2號UNECE全球技術法規（3）內規定的全球統一的發動機測試循環，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。

1.3車載診斷（OBD）

歐4階段，L類發動機執行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測、EGR（廢氣再循環系統）系統監測、失火監測、NOx后處理系統監測及車載診斷（OBD）歐4階段，L類發動機執行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測、EGR（廢氣再循環系統）系統監測、失火監測、NOx后處理系統監測及氧傳感器劣化監測等系統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學計算方法。在采取數學計算方法時，需要用到給定的劣化系數。在歐5階段，給定的劣化系數與歐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動機油耗和排放。天然氣發動機采用稀薄燃燒技術時，單純使用機內凈化技術已經無法使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動機的動力性和經濟性，同時又能獲得較好的排放性能，是柴油發動機中應用最廣泛、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動機的應用中存在諸多問題：1）根據發動機原排計算，需要天然氣發動機排放后處理系統催化轉化效率保持在90%以上;2）使用該技術后，天然氣發動機排溫比柴油機高且產生大量的H2O，對發動機排放耐久帶來了挑戰;3）在增加SCR系統后，后處理系統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動機在所有運行工況下的過量空氣系數為1，即將缸內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，發動機在經濟性、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。為降低天然氣發動機采用理論空燃比后帶來的劣勢，提升競爭力，國內開發的滿足歐五排放標準的天然氣發動機普遍配備EGR系統。使用EGR系統后，可有效降低天然氣發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動機的經濟性。

2.3天然氣發動機排放技術方案對比

在對當前國內外天然氣發動機主流排放控制技術和滿足歐五排放標準的技術調研分析基礎上，以排放控制和發動機經濟性為主要評價指標，兼顧成本、系統復雜度、對未來發動機技術發展的適應性，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動機排放控制技術方案評價體系，為歐五天然氣發動機開發提供參考。通過對天然氣發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濟性方面存在較明顯的劣勢。當前發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劃分網格，螺栓用HyperMesh劃分網格，在FIRE中計算內流場的溫度，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

排氣管內壁及缸蓋排氣道內壁由流體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按照經驗施加;同時設置輻射溫度和系數。

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增壓器質量為13.8kg，在增壓器質心處按照上下左右前后方向分別施加一定倍數的重力加速度。

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相當，兩種結構的差異不大，疲勞安全系數均滿足設計要求。

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優于SF2。

參考文獻：

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

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221100）