天然气发动机EGR混合器加热仿真与试验研究

刘志治，黄林，韦钻国

广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005

0 引言

天然气是我国当前重型载货车市场中最主要的柴油替代燃料，天然气的开采、运输和存储技术成熟，配套产业链完善[1-2]；同时天然气热值高，辛烷值高，抗爆性好，碳、氢元素的质量比为3∶1，而柴油的碳、氢元素质量比接近7∶1，尽管天然气发动机的热效率比柴油机低，但同等功率下天然气发动机的碳排放仅为柴油机的80%，天然气发动机技术是内燃机实现“碳中和”的重要技术路线之一[3-4]。

当量燃烧、废气再循环(exhaust gas re-circulation,EGR)、三效催化是当前满足国六排放标准的重型载货车辆天然气发动机普遍采用的技术路线[5-7]。我国从2019年7月1日起针对重型天然气载货车辆实施国六排放标准[8]，之后绝大部分新生产销售的天然气重型载货车辆搭载的发动机都带有EGR系统[9]。由于天然气燃烧产物中含有大量的水，发动机采用EGR技术方案后，EGR气体内的水会流入进气系统内，当车辆运行在高寒环境时，受到外界低温的影响,进气系统内的气态水会冷凝成液态水，进而冻结为冰，并附着在进气管道内，使得发动机进气不足、性能恶化，严重时导致发动机熄火及无法起动[10-12]。

本文中依托ANSYS Fluent软件，基于K13N发动机建立天然气发动机的EGR混合器仿真模型，分析带加热水流道的EGR混合器结构对天然气发动机EGR混合气体的温度以及均匀度的影响，通过台架试验测试相同环境条件和发动机运行工况下有、无加热水流道的EGR混合器使用情况。

1 EGR混合器模型建立及研究

1.1 EGR混合器模型建立

基于K13N当量燃烧天然气发动机的EGR混合器实物UG模型，增加一套水循环加热结构，将EGR混合器气体出口管道延长80 mm、EGR气体入口管道延长60 mm，以获得最佳计算收敛速度和求解精度。

建模完成后，使用Hypermesh软件建立面网格和体网格，再将带有网格的模型导入ANSYS Fluent软件进行仿真[13]。计算过程中，采用多重网格加速收敛技术，同步计算循环水、空气、EGR气体、天然气4种流体。计算模型如图1所示。

图1 计算用混合器内流道模型

模型采用不可压缩稳态耦合隐式压力基求解器，忽略重力影响，采用标准k-ε模型作为湍流模型，Courant number(库朗数)取1[14]，输运项选择methane/air(甲烷和空气)，EGR入口气体设为纯二氧化碳(CO2)，燃气入口组分设为纯甲烷(CH4)，其余边界条件设定如表1所示。

表1 模型计算边界条件

1.2 计算结果

设置好边界条件后，软件即可自动求解，输出温度、压力、速度的计算结果。温度场计算结果如图2所示。

图2 温度场计算结果

由图2可知：温度约为-40 ℃的空气与70 ℃的EGR混合器加热水道充分换热后，空气温度可升高到30 ℃，EGR混合器加热水道的温度由70 ℃下降到60 ℃，之后空气依次和温度为-40 ℃的EGR气体和天然气接触并充分混合，最终EGR混合器出口气体的温度保持在6.5 ℃左右，该温度能够保证EGR混合器在最恶劣工况下不结冰。

EGR混合器的压力云图如图3所示，速度云图如图4所示。

由图3、4可知：气体通过EGR混合器内的混合器芯和扰流板后，压力和速度都会下降，这是因为混合器芯和扰流板会对气流形成阻力和扰流，使得气体压力和流速均下降，扰流的加强使得空气和EGR气体的混合均匀度得到提升[15-16]。

图3 压力云图 图4 速度云图

采用面积加权的气体体积分数分布均匀度(以下简称均匀度)作为评价标准，设定气体与气体之间完全混合的均匀度为1。

均匀度

式中：i为截面上的某小块区域编号，i=1，2，…，n；Si为截面上第i块区域的面积，mm2；ai为截面上第i块区域上的气体体积分数。

计算时通过统计各截面不同区域的均匀度，得到天然气和EGR的整体均匀度。天然气和EGR的均匀度计算结果如图5所示。

a)天然气 b)EGR

由图5可知：EGR混合器出口的天然气混合均匀度为0.985，EGR气体混合均匀度为0.992，EGR气体混合均匀性比天然气混合均匀性提高了0.007。这是因为EGR气体在流出EGR混合器时经过了EGR和天然气2级扰流，天然气在流出EGR混合器时只经过了天然气1级扰流，因此EGR气体的均匀度优于天然气气体。

2 整车台架试验

计算结果表明，EGR混合器增加水循环加热结构后可有效提升出口的混合气体温度。基于计算结果制作带水循环加热结构的EGR混合器样件，安装到搭载K13N天然气发动机的重型牵引车进行整车环境舱台架试验，设定环境温度为-25 ℃。

2.1 试验方案

在EGR混合器增加加热水道的目的是提高EGR混合器出口气体的温度，解决天然气发动机在冬季使用时遇到的EGR混合器结冰问题，因此试验工况应尽量模拟车辆在正常使用过程中可能遇到的极端条件。根据分析，发动机EGR混合器结冰通常出现在长怠速、长下坡间歇工作工况。

2.1.1 长怠速工况

低温环境下，车辆冷机起动后，如果长期运行在怠速工况，此时发动机循环水温度低，机体热辐射小，EGR混合器主要受外部环境温度的影响，当EGR阀有轻微泄漏时，泄漏的EGR气体含有大量水分，气态水在较低的环境温度下极易冷凝成冰。

2.1.2 长下坡间歇工作工况

车辆正常行驶过程中，当遇到长下坡路段时，驾驶员往往会松开油门让发动机进入减速停喷工况(fuel shut-off，FSO)，即燃料供给装置停止供气，同时开启节气门，保证发动机具有较好的燃料经济性和制动功能，驾驶员踩下油门踏板时控制系统立刻恢复喷射天然气。车辆在低温地区频繁在减速停喷和驾驶工况切换时，EGR混合器得不到充分辐射加热升温，EGR气体与低温空气混合后其内部的气态水析出，在EGR混合器内部表面迅速冷凝、结冰。

2.1.3 综合工况

充分模拟车辆从起动到上路行驶，直到最终进站停车的完整驾驶循环。综合工况包含长怠速工况、长下坡工况以及常用转速和负荷区间的自由加速工况。

2.2 整车长怠速试验

2.2.1 原EGR混合器

首先使用原机的EGR混合器进行低温环境测试，在温度为-25 ℃的环境舱内起动发动机，发动机冷机怠速转速为750 r/min，发动机怠速转速会随水温的上升而缓慢下降；固定EGR阀开度为3%，用于模拟EGR发生轻微泄漏的状态。试验中，发动机成功起动并在怠速转速稳定运行，约300 s后发动机自动熄火。此时立即拆开进气管路取出EGR混合器，检查EGR混合器状态，如图6所示。由图6可知，EGR混合器芯的扰流板叶片已经附着大量的冰，严重影响气体流通能力。

图6 原机自动熄火后EGR混合器状态

可见原机EGR混合器在环境温度极低、并引入EGR气体的工况下，EGR气体内的气态水会迅速结冰并附着在EGR混合器内壁。EGR混合器的主流道流通截面积随着结冰体积的增大而减小，通过的可燃混合气体流量也相应减小，最终因为进入缸内可供燃烧的混合气不足而导致发动机熄火[17]。

2.2.2 带加热水流道的EGR混合器

在同一台发动机上安装带有加热水流道的EGR混合器，并在EGR混合器的入口、出口、EGR阀出口、EGR孔板处安装温度传感器，与原EGR混合器进行相同工况的长怠速试验。长怠速工况下试验采集到的加热水流道EGR混合器各位置温度变化如图7所示。

由图7可知：发动机各位置采集的温度随时间逐渐上升；当怠速运行700 s左右时，EGR混合器出口温度即可达到0 ℃以上；当怠速运行2000 s时，EGR混合器前的温度也达到0 ℃以上；此时发动机机体已经充分加热，EGR混合器不再出现结冰现象。最终通过主动关停发动机结束试验。

图7 加热水流道EGR混合器各位置温度变化曲线

此时使用内窥镜观测EGR混合器，如图8所示。由图8可知：EGR混合器的扰流板叶片表面附着有少量液态水，未发现结冰现象。

图8 长怠速工况后带加热水道的混合器外观

2.3 长下坡间歇工况试验

由于原机EGR混合器在长怠速工况会存在结冰问题，因此只在长下坡间歇工况对带加热水流道的EGR混合器进行试验。

长下坡时发动机转速相比怠速转速更高，并且为了保证燃料经济性，在FSO状态下发动机将停止燃料喷射和各缸点火，同时增大节气门开度。和长怠速工况相比，此时流经EGR混合器的冷空气流量更大，对EGR混合器本体和EGR气体的冷却效应更快、更强。试验中，在-25 ℃的环境舱内起动发动机，之后发动机转速固定为1200 r/min，同时通过更改发动机电控程序反复进入和退出FSO状态，研究车辆在常规行驶以及长下坡间歇工作时EGR混合器前、后温度的变化规律。试验采集到的EGR混合器前后、温度变化曲线如图9所示。

由图9可知：当进入长下坡工况时，发动机的节气门开度较大，此时引入了大量和外部环境温度相同的空气，EGR混合器前的温度迅速下降到-20 ℃左右；EGR混合器后的温度下降速度相对较慢，经过多次试验确认，在发动机进入长下坡工况10 s后，EGR混合器后的温度下降到-20 ℃左右；当退出长下坡工况后，发动机燃烧室内恢复点火燃烧，中冷器后的空气温度以及EGR气体温度上升，此时EGR混合器前后的温度会迅速上升到0 ℃以上，EGR混合器结冰的风险消除。

图9 带加热水道的EGR混合器长下坡工况试验数据

长怠速工况试验进行约4000 s，试验结束后使用内窥镜观测EGR混合器，EGR混合器状态如图10所示。由图10可知：长怠速工况下EGR混合器无结冰现象。但分析EGR混合器后的温度变化趋势，环境温度为-25 ℃时，车辆进入长下坡工况的时间超过10 s后，EGR混合器后的温度已经接近-20 ℃，此时EGR混合器结冰的风险较高。可见在EGR混合器加装循环水加热结构以后，虽然能有效降低EGR混合器结冰的风险， 但是其加热能力有限，无法应对非常极端的工作环境。

图10 长下坡工况带加热水道的混合器外观

2.4 综合工况试验

由于原机EGR混合器在长怠速工况会存在结冰问题，因此只进行带加热水流道的EGR混合器的综合工况试验，环境温度设定为-25 ℃。综合工况持续3600 s，前800 s为长怠速工况，800～2600 s为自由加速工况，2600～3600 s为长下坡工况。采集到的EGR混合器前后温度曲线如图11所示。

由图11可知：怠速热机运行(0～800 s)时，由于发动机水温上升较慢，混合器出口的气体温度缓慢上升；自由加速驾驶工况时，混合器出口气体温度随发动机进气流量的变化发生显著的交变，运行1000 s后，气体温度维持在0 ℃以上；进入长下坡工况，模拟驾驶员间歇性踩油门动作，由于发动机进气流量变化幅度较大，而且发动机燃烧的工作时间变短，混合器出口气体温度在-15～5 ℃内随进气流量的变化而波动。

图11 带加热水道的EGR混合器综合工况试验数据

试验结束后使用内窥镜观测EGR混合器，外观如图12所示。由图12可知，EGR混合器无结冰迹象。

图12 综合工况带加热水道的EGR混合器外观

综合以上分析，安装水循环加热流道的EGR混合器能有效提高出口的气体温度，大幅降低结冰风险。

3 结论

基于ANSYS Fluent软件搭建带加热水流道的天然气发动机EGR混合器三维模型，进行了EGR混合器内混合气体的温度场、压力和混合均匀性等仿真，根据仿真结果制作了带有水循环加热的混合样件并进行整车对比试验。

1)仿真计算结果表明，带有水循环加热结构的EGR混合器可以在环境温度为-40 ℃、加热水温为70 ℃时，保持发动机怠速工况EGR混合器出口的气体温度为6.5 ℃左右，大幅降低EGR混合器结冰的风险；经过2级扰流的EGR气体均匀性比只经过1级扰流的天然气气体混合均匀性提高了0.7%，更有利于天然气发动机的燃烧。

2)环境温度为-25 ℃时，不带水循环加热结构的EGR混合器在发动机怠速运行300 s就会大量结冰，并导致发动机熄火。

3)环境温度为-25 ℃时，带水循环加热结构的EGR混合器在发动机怠速工况、长下坡工况、综合工况下均不会结冰，相对不带水循环加热结构的EGR混合器，防结冰效果十分显著。