当量燃烧车用天然气发动机降低热负荷策略研究与试验.pdf
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1、自GB17691国六法规实施以来,第一批国六法规实施以来,第一批配备配备EGR的的当量燃烧天然气发动机已当量燃烧天然气发动机已使用使用一年时间一年时间,从市场应用从市场应用效果来看,由于我国天然气的硫含量很高,长时间的高温状态将会在内部形成硫酸,同时天然气燃烧后效果来看,由于我国天然气的硫含量很高,长时间的高温状态将会在内部形成硫酸,同时天然气燃烧后水蒸气特别多,在高温、多水、硫酸的情况下,零部件极易腐蚀,导致水蒸气特别多,在高温、多水、硫酸的情况下,零部件极易腐蚀,导致EGR零部件市场故障率很高。在零部件市场故障率很高。在此背景下,本此背景下,本文文在开发某当量燃烧车用天然气发动机时,在开发
2、某当量燃烧车用天然气发动机时,通过采用缸盖双层水通过采用缸盖双层水套结构,设计缸体交叉水套结构,设计缸体交叉水道结构,优化活塞的机油冷却腔位置,改进燃烧室形状和压缩比,增加水泵流量,活塞、气门采用新材道结构,优化活塞的机油冷却腔位置,改进燃烧室形状和压缩比,增加水泵流量,活塞、气门采用新材料等多项措施,解决了无料等多项措施,解决了无EGR当量燃烧天然气发动机热负荷难题。为了提高开发效率,特别对活塞的热当量燃烧天然气发动机热负荷难题。为了提高开发效率,特别对活塞的热负荷问题,进行了仿真负荷问题,进行了仿真与温度测试与温度测试。最后通过整机。最后通过整机825小时的可靠性试验验证,发动机可靠性满足
3、要求。小时的可靠性试验验证,发动机可靠性满足要求。关键词关键词 天然气发动机天然气发动机,当量燃烧当量燃烧,活塞热负荷活塞热负荷,国六排放国六排放 Experiment and Study of Heat Load Reduction Strategy of Natural Gas Engine with Equivalent Ratio Combustion for Vehicle Fayue Hu1,Xiaocheng Ge1*,Hongshu Chen2 1China National NGV Engineering Technology Research Center,Chongqin
4、g CAERI Power Technology Co.,Ltd.,Chongqing 2Jiangling Motors Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi Received:Mar.7th,2022;accepted:Aug.4th,2023;published:Aug.11th,2023 *通讯作者。胡发跃 等 DOI:10.12677/met.2023.124040 357 机械工程与技术 Abstract Since the implementation of the GB17691 China Six Emission Standards,the first bat
5、ch of equiva-lent combustion natural gas engines with EGR has been running for nearly one year.From the market application effect,because the sulfur content of natural gas in our country is very high,so the long high temperature state time will lead to sulfuric acid production inside.At the same tim
6、e,the natural gas will produce more water vapor after combustion,and in the case of high tempera-ture,multi-water and sulfuric acid,the parts are easy to corrode,causing high market failure rate of EGR parts.In this situation,when discussing natural gas engine with equivalent ratio combus-tion for v
7、ehicle,this paper solves the problem of heat load of natural gas engine without EGR equivalent combustion by adopting cylinder head double layer water jacket structure,cylinder block cross channel structure,optimizing piston oil cooling chamber structure,improving com-bustion chamber shape and compr
8、ession ratio,increasing pump flow rate,adopting new materials for piston and valve.In order to improve the development process efficiency,especially the heat load of piston,simulation and temperature test are adapted.Finally,based on the whole machine 825 hours reliability test verification,engine r
9、eliability is proved to meet the requirements.Keywords Natural Gas Engine,Equivalent Combustion,Piston Heat Load,China Six Emissions Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.
10、org/licenses/by/4.0/1.引言引言 柴油发动机的燃烧模式为稀薄燃烧,其最高排温一般不超过 650,气门、座圈以及排气管等材料的耐高温性能设计都比较低。基于柴油发动机重新设计缸盖和燃烧室变型而来的天然气发动机,由于稀燃可实现较高热效率,直到国五排放实施,天然气发动机均采用稀燃技术路线。2018 年 6 月,国家环保部发布了 GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)标准1。与国五标准相比,国六标准的污染物的限值严格了许多,特别是氮氧化物(NOx)限值减少 77%,即使大幅拓展稀燃极限或加装 SCR 后处理,NOx 排放仍很难达到规定限值。因此,国
11、六排放法规实施以后,天然气发动机均采用当量燃烧+三元催化器后处理的技术路线。但采用当量燃烧技术路线后,会产生热负荷高的技术难题。从国内外已申报国六公告的天然气发动机来看,为解决这一难题,大部分发动机厂家采用废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)技术。吉林大学余小草等人的试验结果表明,NOx 比排放随着 EGR 率的增加成线性下降关系,8%的 EGR 率就可使 NOx 排放降低约 90%;而随 EGR 率增大,各工况加权燃料消耗率和 THC 分别增加约 1.3%和 15%,而当量比燃烧技术较稀薄燃烧技术排温升高了 150左右2。在一台带 EGR 的 11.9 L
12、 的 6 缸天然气发动机上,山东大学的张强等人进行了 EGR 对重型车天然气发动机燃烧和排放的影响试验研究,得出了只有非常精确的控制 EGR 率才能实现较好的燃烧稳定性和精确的空燃比控制,否则平均有效指示压力的循环波动量和 NOx 排放等参数都将急剧恶化。另外从第一批国六发动机的市场应用情况来看,由于我国天然气的硫含量很高,长时间的高温状态将会在发动机内部形成硫酸。同时天然气燃烧后水蒸气特别多,在高温、多水、硫酸的情况下,零部件极易腐蚀,导致 EGR零部件市场故障率很高,发动机可靠性大大降低3。Open AccessOpen Access胡发跃 等 DOI:10.12677/met.2023.
13、124040 358 机械工程与技术 本文在基于某款柴油发动机开发国六车用天然气发动机过程中,通过采用缸盖双层水套结构,设计交叉水道结构,优化活塞的机油冷却腔结构,改进燃烧室形状和压缩比,增加水泵流量,活塞、气门座圈采用新材料的方式,多措并举探索了无 EGR 当量燃烧天然气发动机技术路线,并通过发动机可靠性试验验证了方案的可行性。2.发动机基本参数发动机基本参数 本研究基于一款柴油发动机开发的排量 2.9 L 的天然气发动机,其基本参数如表 1 所示。Table 1.Basic parameters of natural gas engine 表表 1.天然气发动机基本参数 项目 参数 气缸数
14、 4 排量/L 2.9 每缸气门数 4 缸径 行程 mm 95 102 点火顺序 1-3-4-2 压缩比 12:1 进气方式 增压中冷 冷却方式 水冷 额定功率/kW/(r/min)96/2800 最大扭矩/Nm/(r/min)360/14002400 3.降低热负荷措施降低热负荷措施 3.1.双层水套结构双层水套结构 在排气道上下两个层面设计水套,使缸盖具有良好的冷却性能。上层水套重点冷却排气道等关键区域,下层水套精准冷却火力面。另外,整个气缸盖采用铝合金材料,既减轻了缸盖重量,同时增强了缸盖散热效果。气缸盖的双层水套爆炸示意图见图 1,改进之前单层水套,见图 2。Figure 1.Doub
15、le water jacket for cylinder head 图图 1.气缸盖的双层水套 胡发跃 等 DOI:10.12677/met.2023.124040 359 机械工程与技术 Figure 2.Single layer water jacket structure 图图 2.单层水套结构 3.2.交叉水道孔结构设计交叉水道孔结构设计 为增强缸体刚性,承受更大机械负荷和热负荷要求,取消了两缸之间的相连水套,通过加工交叉水孔的方式来实现缸孔两侧冷却水的流通。交叉水道结构示意图见图 3。Figure 3.Cross-channel structure 图图 3.交叉水道结构 3.3.活
16、塞冷却油道改进活塞冷却油道改进 为降低活塞的热负荷,采用了内冷油道和梯形活塞销座,将冷却油道位置向上移动 7.5 mm,向右移动 2 mm,最终的冷却效果最好,活塞可承受更大爆发压力和燃烧温度。活塞冷却油道结构见图 4。Figure 4.Piston cooling oil channel structure 图图 4.活塞冷却油道结构 胡发跃 等 DOI:10.12677/met.2023.124040 360 机械工程与技术 3.4.加大水泵流量加大水泵流量 改为天然气发动机后,原柴油发动机的水泵不能满足冷却系统水泵进出水温差 612要求4,根据发动机台架试验,测得当进出发动机水流量达到
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