基于6134柴油机的天然气发动机凸轮型线设计

娄宗勇，宋松松，左明伟，刘雪萍

(1.承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德 067000;2.承德苏肯银河连杆股份有限公司，河北承德 067000)

把柴油机改装成天然气发动机，动力性会下降，但天然气发动机的排放性能好，天然气资源丰富，因而研究、开发基于柴油机的天然气发动机具有广阔的市场［1－4］。我国东风汽车公司、玉柴机械有限公司、上海柴油机有限公司、山东潍坊柴油机有限公司、以及天津大学、吉林大学、北京理工大学、西安交通大学等单位都进行了单一燃料点燃式天然气发动机的研制与开发［5－8］。天津大学张德福等设计开发了一套由高低压气路组成的复合式天然气供气系统，西安交通大学的刘欣亮、黄佐华等研究了天然气高压缸内直接喷射式发动机不同喷射时刻的燃烧特性，日本Y.Kawabata等在一台单缸天然气发动机上实现了HCCI燃烧［9］，Takuji Ishiyama等的研究表明HCCI燃烧方式更适合气体燃料发动机［10］，焦运景、张惠明等以热力学基本方程为基础建立均质压燃式天然气发动机的燃烧热效率计算模型。本文所研究的基于6134柴油机的开发的天然气专用发动机，主要是用于发电组。

配气机构是发动机的重要组成部分，配气相位与凸轮型线是影响配气机构性能的重要方面，它们的合理与否，会影响发动机的燃烧过程，从而影响发动机的动力性与排放性能［11］。

随着计算机技术的飞速发展和数值模拟技术的不断完善，柴油机配气相位的设计与优化逐渐从传统的依靠试验确定一个相对折中的数值，发展到利用各种现代设计方法和先进软件进行(模拟)计算和分析，从而实现了方便快捷而准确的设计。应用AVL-BOOST软件可以通过建立发动机的工作模型，对发动机的工作过程进行热力计算和模拟分析，从而得到需要的结果。发动机的工作过程进行数值模拟，是对发动机这个复杂系统的功能进行仿真。通过这种仿真可以为发动机的性能进行研究，为发动机的改进设计提供依据［12］。

1 模型建立及验证

本文采用AVL-BOOST软件建立了基于6134柴油机改装为火花点火式天然气发动机的整机模型，研究了配气机构对该天然气发动机性能的影响，提出了对配气相位的改进措施，并通过台架试验验证达到了改进要求。模型建立是根据6134天然气发动机的实机结构及元件进行布置的，在AVL-BOOST软件中建立发动机的计算模型，如图1所示。该发动机模型中包括6个气缸(C1～C6);1个涡论增压器(TC1);1个中冷器(CO1);两个限流阀(R1、R2);5个容积腔(PI1～PI5)，PI1代表天然气存储空间，PI2代表混合器，PI3代表进气总管，PI4、PI5代表排气总管代表混合器;2个系统边(SB1，SB2);23个连接管道(1～23);8个测量点(MP1～MP8)。利用建立的计算模型，选取在转速为1 500 r/min负荷特性的几个工况点进行模拟计算，计算结果与试验测量结果的对比见表1。

从表1可看出，该通过天然气发动机1 500 r/min负荷特性的几个工况点的仿真计算结果与实测结果比较吻合，误差在允许的范围内，说明设计的发动机仿真模型与实际发动机的运转情况相符，以该仿真模型作为基础进行的性能计算与分析具有可靠性。

2 天然气发动机配气机构优化及分析

2.1 配气相位的优化

配气相位对发动机性能影响最大的是进气迟闭角，及排气提前角，气门的提前开启和延迟关闭，可以充分利用气体流动的惯性，使进入气缸的工质尽可能的多，并且排气时使废气尽可能干净彻底的排出，从而提高发动机的动力性和经济性。原6134柴油机的配气相位见表2，气门重叠角为 57.5°。

表2 原发动机配气相位数据表

柴油机的燃油是喷入气缸内不占进入空气的体积，而天然气发动机进入的天然气占了一定的进气体积。对于天然气发动，过大的气门重叠角可能会使得发动机的扫气量过多，造成部分燃料未经燃烧而直接排出机外，以至未燃HC排放量过高。考虑到原柴油机有一定的功率储备，所以在方案设计中适当的减小气门重叠角，这既有利于NO降低，还有利于降低排温。综合天然气发动机的特点首先设计了几种不同的方案，然后对每种方案进行了仿真计算，选出了该发动机的配气相位。表3是设计的方案。

表3 天然气发动机配气相位方案

1)不同方案对充气效率的影响

通过对四种方案与原柴油机的配气相位进行仿真计算，获得天然气发动机在1 500 r/min与不同负荷情况下，不同的方案的充气效率(相对于进气管状况下)，如图2所示。

通过图2可以看出随着负荷的增大，天然气发动机的充气效率增大，这主要是因为柴油机改为天然气发动机后由质调节改为了量调节。随着发动机的负荷的增大，节气门开度也相应增大，进气阻力减小，充气效率增加。同时也可以看出方案三的充气效率最好，这主要是由于四个方案中进气门晚关角一直在增大，增大晚关角有利于充气效率的增加，但是过大的晚关角会造成一部分进入到汽缸里的气体被活塞推到进气总管内，所以使得充气效率反而降低。

2)不同方案对排气温度的影响

通过对四种方案与原柴油机的配气相位进行仿真计算，获得天然气发动机在1 500 r/min与不同负荷情况下，不同的方案的排气温度，如图3所示。

通过图3可以看出气门重叠角对于排温有直接的影响，这是因为天然气发动机是在缸外形成混合气，气门重叠角增大使得发动机的扫气量变多，后燃比较严重，致使排气温度升高。通过仿真计算可以看出方案二的排气温度最小，不过方案三与方案二之间的差别不大。

综上所述，在天然气发动机中使用的是方案三给出的配气相位。

2.2 凸轮型线的优化设计［13－15］

应用方案三给出的配气相位，对凸轮型线进行优化设计，为了使配气机构具备良好的充、排气性能要求凸轮型线具有较大的丰满系数。

式中:hmax为凸轮的最大升程;ξ表示凸轮型线的丰满系数。它反应了配气机构的气体通过能力，丰满系数大，进排气效率高，动力性能好。

对于高次五项式方程推导，得丰满系数为

本文所设计的天然气发动机凸轮型线应满足如下条件:

1)最小曲率半径不小于2 mm。

2)所设计的的凸轮型线产生的最大加速度不应高于原柴油机的5%，即进气凸轮不大于60.54，排气凸轮不大于73.57。

3)丰满系数不小于原机，即进气凸轮不小于0.557，排气凸轮不小于0.546。

由于余弦缓冲段的计算比较简单，只受升程和缓冲段包角的约束，其加速度曲线在缓冲末端为0，因而易与大多数基本段相接而保持二阶导数的连续性，所以本凸轮型线在保证原缓冲段包角与缓冲段最大升程不变的情况小采用余弦缓冲段。通过选取不同的n，m组合对所设计的凸轮型线进行计算结果见表4、表5。

表4 进气凸轮

表5 排气凸轮

通过计算进气凸轮选取的M、n值为4、5，排气凸轮选取的M、n值为4、3。

3 台架试验及结果

3.1 实验装置与方法

试验发动机参数为:缸径134 mm，连杆长度270 mm，活塞行程167 mm，压缩比10.5，增压比1.8，标定功率(转速)280 kW(1 500 r/min)，该发动机主要是用来做发电机组的动力，所以转速稳定为1 500 r/min。图4为发动机的试验系统示意图。

本研究通过在火花点火天然气发动机上更换凸轮轴的方法来研究不同配气相位与不同凸轮型线下的天然气发动机排温及充气效率影响。

3.2 实验结果

用本文所介绍的仿真方法通过加工制造的凸轮轴与原柴油机的凸轮轴做的比对实验结果如下:

1)通过图5实验可知所选用的三号方案的配气相位充气效率提高4%左右。有利于发动机的功率提高。通过实验可以看出理论分析与实验结果之间有一些差别，但是总体来说实验结果与理论预测的变化结果是相一致的。

2)用本文设计的凸轮轴在发动机280 kW时的排温降低18℃左右，排温的降低有利于排放，氮氧化合物生成的要降低10%左右。

4 结论

1)实验结果表明，计算值与实测值较为吻合，AVL-BOOST建立的天然气发动机整机模型具有一定的可靠性.

2)通过仿真找到了适合这台天然气发动机的配气机构，经试验验证达到了设计要求。

3)通过仿真实验与真实实验之间的比较，可以看出仿真结果与真实值之间的差别很小只有3%左右，通过仿真可以预测发动机的工作情况。

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