CN115126633B - 一种重型天然气发动机降排温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重型天然气发动机降排温方法，包括：基于发动机的A、B两侧进气流量对进气管进行优化、基于A、B两侧进气流量波动对排气管进行优化，改变中间进气管Ⅱ的两根管道之间的夹角β和排气弯管的弯度，对进气管和排气管联合优化。本发明突破了传统改善发动机燃烧的降排温的做法，为降低发动机的排温提出了新的解决方法；且从结果来说，本发明可以有效改善进气不均匀性，降低排气压力，使进气均匀和排气顺畅，提升发动机的综合做功能力，从进气和排气方面有效降低重型天然气发动机的排气温度。

Description

一种重型天然气发动机降排温方法
技术领域
本发明属于重型天然气发动机技术领域，具体涉及一种重型天然气发动机降排温方法。
背景技术
重型天然气发动机是燃气发动机的一种，排气温度(即排温)会影响重型天然气发动机的动力性、经济性和排放能，若发动机排温过高，则会对于发动机以及相关动力系统产生不利影响，因此发动机的排温是一项非常重要的性能参数。
目前，限制发动机的排温的通常做法是改善发动机的燃烧，但是忽略了在发动机进气排气方面，进气的均匀与否和排气的顺畅与否也是影响发动机排温的重要因素，其中，进气管和排气管的结构是影响进气的均匀与否和排气的顺畅与否的重要因素。
在进气方面，重型天然气发动机采用不均匀进气的方式，参见附图1，进气管的结构为：重型天然气发动机设置有A侧和B侧两排气缸(每排4个气缸)，A侧的气缸进气管Ⅰ12的端部与总进气管Ⅰ10呈直角连接，中间进气管Ⅰ11的一端与总进气管Ⅰ10同轴连接，B侧的气缸进气管Ⅰ12的端部与中间进气管Ⅰ11的另一端呈直角连接，气体从总进气管Ⅰ10进入后，经由A侧的气缸进气管Ⅰ12的端部进入A侧的气缸进气管Ⅰ12，经由中间进气管Ⅰ11和B侧的气缸进气管Ⅰ12的端部进入B侧的气缸进气管Ⅰ12；
在排气方面，参见附图2-4，重型天然气发动机采用脉冲排气管，即参见附图2，排气管包括两个排气中心管Ⅰ20,在两个排气中心管Ⅰ20的排气出口处设置有一个法兰盘A，排气弯管的进口法兰盘与法兰盘A相连，其中，排气弯管包括A侧排气弯管Ⅰ13和B侧排气弯管Ⅰ19，A侧排气弯管Ⅰ13有几乎90°的弯度θ，B侧排气弯管Ⅰ19由于周围部件的限制，与A侧的脉冲排气管不相同，B侧排气弯管Ⅰ19的弯度小于90°。
在实际适用中，上述进气管和排气管的结构不能满足降低排气温度的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种一种重型天然气发动机降排温方法，通过对重型天然气发动机的进气管和排气管进行优化，实现发动机排气温度的降低。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种重型天然气发动机降排温方法，包括：
基于重型天然气发动机原机模型，获取发动机的A、B两侧进气流量和发动机的A、B两侧进气流量波动；
对进气管的优化：当所述A、B两侧进气流量不同时，设置中间进气管II和总进气管II；其中，中间进气管Ⅱ包括两根管道，两根管道的一端汇集后与总进气管Ⅱ连接，两根管道的另一端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ一一对应连接，总进气管Ⅱ的延长线位于两根管道之间；
对排气管的优化：当最大的进气流量波动大于设定的阈值时，采用非脉冲排气管，且排气弯管的弯度在90°～180°之间；
在0°到180度之间改变中间进气管Ⅱ的两根管道之间的夹角β，得到两个以上进气优化效果好的进气管结构；在90°～180°之间选取排气弯管的弯度，得到两个以上排气优化效果好的排气管结构；将上述过程中获取的进气管结构和排气管结构一一组合，建立新机模型，获取每一种组合方式的排温，选取排温最低的对应的进气结构和排气结构作为优化后的重型天然气发动机结构。
进一步的，中间进气管Ⅱ的所述两根管道的孔径一致，两根管道分别与总进气管Ⅱ形成的角度γ和α相等。
进一步的，中间进气管Ⅱ为“V”形结构；“V”形结构的顶点与总进气管Ⅱ连接，“V”形结构的两端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ一一对应连接。
进一步的，中间进气管Ⅱ的所述两根管道之间的夹角β在0°到180°之间选取。
进一步的，所述非脉冲排气管为：一个排气中心管Ⅱ上连接有四个排气歧管，排气中心管Ⅱ的排气出口处设置有一个法兰盘A，用于与排气弯管的进口法兰盘连接。
进一步的，在设置非脉冲排气弯管的角度时，将非脉冲排气弯管进口一端的第一个切向圆的角度设置在90°～180°之间。
进一步的，通过改变排气弯管的出口法兰盘与进口法兰盘之间的水平距离，从而确定排气弯管的弯度。
进一步的，所述重型天然气发动机模型的获得方法为：获取重型天然气发动机的数据，具体获取重型天然气发动机额定扭矩下的进气管和排气管的尺寸、进气和排气的方式；基于重型天然气发动机的数据，用GT-Power软件建立原机模型。
有益效果：
(1)本发明当所述A、B两侧进气流量不同时，设置中间进气管II和总进气管II；其中，中间进气管Ⅱ包括两根管道，两根管道的一端汇集后与总进气管Ⅱ连接，两根管道的另一端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ一一对应连接，总进气管Ⅱ的延长线位于两根管道之间，采用中间进气的设计，即A、B两侧气缸共用一个总进气管II，然后中间进气管II分别与A、B两侧的气缸连通，该设计可以保证两侧气缸进气更为均匀，从而降低两侧气缸的排温差异。
本发明通过判断进气流量波动是否较大来判断排气压力的大小，当最大的进气流量波动大于设定的阈值时，采用非脉冲排气管，且排气弯管的弯度在90°～180°之间。不论是同进气压力工况下，还是同功率工况下采用非脉冲排气管均可以降低排气压力，当排气弯管的弯度在90°～180°之间时，能够进一步降低排气压力，降低排气压力一方面使进气流量波动小，进气顺畅，工质充分燃烧，另一方面使燃烧后的高温气体排气顺畅，降低排温。
本发明在0°到180度之间改变中间进气管Ⅱ的两根管道之间的夹角β，得到两个以上进气优化效果好的进气管结构；在90°～180°之间选取排气弯管的弯度，得到两个以上排气优化效果好的排气管结构；将上述过程中获取的进气管结构和排气管结构一一组合，建立新机模型，获取每一种组合方式的排温，选取排温最低的对应的进气结构和排气结构作为优化后的重型天然气发动机结构。由于发动机的进气和排气之间会相互影响，进气优化最好的进气管和排气优化最好的排气管之间可能会相互影响，导致结合起来不是最佳的降低排气温度的方案，所以通过两个以上进气优化后的进气管结构和两个以上排气优化后的排气管结构一一结合，使进气管道和排气管道协调配合优化，能够在两个变量(即β和θ)变化的情况下，确定降低排气温度的最佳进气管和排气管的优化方案。
综上，本发明根据计算获得的数据对重型天然气发动机的进气管和排气管进行优化，降低重型天然气发动机的排气温度，突破了传统改善发动机燃烧的降排温的做法，为降低发动机的排温提出了新的解决方法。
(2)本发明中间进气管Ⅱ的两根管道的孔径一致，两根管道分别与总进气管Ⅱ形成的角度γ和α相等。两根管道的孔径一致有利于进气的均匀，γ和α相等实现了正中间进气，进一步使发动机A、B两侧进气的均匀。
(3)本发明中间进气管Ⅱ为“V”形结构；“V”形结构的顶点与总进气管Ⅱ连接，“V”形结构的两端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ一一对应连接。采用“V”形结构，V形结构的两根管道为直管道，相较于其他非直管道来说，进气更通畅。
(4)本发明中间进气管Ⅱ的两根管道之间的夹角β在0°到180°之间选取，解决了当180°≤β＜360°时，进气时气体在顶点O处聚集堵塞明显的问题，从而减少进气阻碍。
(5)本发明在采用非脉冲排气管，即一个排气中心管Ⅱ上连接有四个排气歧管，排气中心管Ⅱ21的排气出口处设置有一个法兰盘A，用于与排气弯管的进口法兰盘连接，将脉冲排气管的两个排气中心管Ⅰ改为仅有一个排气中心管Ⅱ，且由于要和排气弯管的法兰盘配合，同时增加了排气中心管的内径，能够降低排气压力。
(6)本发明可将非脉冲排气弯管的角度替换为非脉冲排气弯管进口一端的第一个切向圆的角度设置在90°～180°之间，解决了因为装配中周围部件的限制，无法保证非脉冲排气弯管的角度在90°～180°之间的问题。
综上，本发明获取重型天然气发动机的数据，然后用GT-Power软件建立原机模型，再根据计算获得的数据对重型天然气发动机的进气管和排气管进行优化，降低重型天然气发动机的排气温度，突破了传统改善发动机燃烧的降排温的做法，为降低发动机的排温提出了新的解决方法；且从结果来说，本发明可以有效改善进气不均匀性，降低排气压力，使进气均匀和排气顺畅，提升发动机的综合做功能力，从进气和排气方面有效降低重型天然气发动机的排气温度。
附图说明
图1是优化前进气管示意图；
图2是优化前脉冲排气管示意图；
图3是优化前A侧的排气弯管；
图4是优化前B侧的排气弯管；
图5为优化前A、B两侧进气流量对比图；
图6为优化后的进气管结构图；
图7为优化后的中间进气管结构图；
图8为排气管为脉冲排气管的进气流量；
图9为优化后的非脉冲排气管示意图；
图10同进气压力工况和同功率工况下脉冲排气管与非脉冲排气管的排气压力对比；
图11为优化后的A侧的非脉冲排气弯管；
图12为优化后的B侧的非脉冲排气弯管；
图13为排气管为非脉冲排气管的进气流量；
图14为优化前后进气流量对比图；
图15优化前后发动机的排气温度对比；
图16为重型天然气发动机降排温方法总体步骤图；
其中，1-气缸Ⅰ，2-气缸Ⅱ，3-气缸Ⅲ，4-气缸Ⅳ，5-气缸Ⅴ，6-气缸Ⅵ，7-气缸Ⅶ，8-气缸Ⅷ，10-总进气管Ⅰ，11-中间进气管Ⅰ，12-气缸进气管Ⅰ，13-A侧排气弯管Ⅰ，131-A侧出口法兰盘，132-A侧进口法兰盘，14-总进气管Ⅱ，15-中间进气管Ⅱ，16-气缸进气管Ⅱ，17-A侧排气弯管Ⅱ，18-B侧排气弯管Ⅱ，19-B侧排气弯管Ⅰ，191-B侧进口法兰盘，192-B侧出口法兰盘，20-排气中心管Ⅰ，21-排气中心管Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
在进气方面，针对于现有技术单侧气缸来说，各气缸的排温有差异，主要是由于顺序进气会致使进气量存在差异，使得单排的各气缸进气和排气不均匀。针对于现有A侧和B侧两排气缸的进气结构来说，进气流量不同会对排温产生的影响，即进气流量不同会导致两侧气缸的排温存在较大的差异，进气多的那一侧气缸平均充量系数较大，更多的工质参与燃烧，导致该侧缸的排温较高，因此两侧气缸的排温不均匀。
本实施例提供一种重型天然气发动机降排温方法，该方法对A侧和B侧两排气缸的进气管进行优化，包括：基于重型天然气发动机原机模型，获取发动机的A、B两侧进气流量；
参见附图5，当所述A、B两侧进气流量不同时，优化A、B两侧进气方式为：将不均匀进气的方式优化为中间进气的方式；具体为：参见附图6，设置中间进气管II和总进气管II；其中，中间进气管Ⅱ包括两根管道，两根管道的一端汇集后与总进气管Ⅱ连接，两根管道的另一端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ一一对应连接，总进气管Ⅱ的延长线位于两根管道之间。
本实施例采用中间进气的设计，即A、B两侧气缸共用一个总进气管II，然后中间进气管II分别与A、B两侧的气缸连通，该设计可以保证两侧气缸进气更为均匀，从而降低两侧气缸的排温差异。
进一步的，重型天然气发动机模型的获得方法为：获取重型天然气发动机的数据，具体获取重型天然气发动机额定扭矩下的进气管和排气管的尺寸、进气和排气的方式；基于重型天然气发动机的数据，用GT-Power软件建立原机模型；且建立模型以排温为参照量，即获得实际各缸排温以及排气管两侧的排温Ⅰ，再根据原机模型计算得到各缸排温以及排气管两侧的排温Ⅱ，若排温Ⅰ和排温Ⅱ一致，则建立模型准确。
进一步的，中间进气管Ⅱ的两根管道的孔径一致，两根管道分别与总进气管Ⅱ14形成的角度γ和α相等，从而实现正中间进气，保证发动机A、B两侧进气均等，从而使两侧气缸的排温一致；优选的，参见附图7，中间进气管Ⅱ15为“V”形结构；“V”形结构的顶点与总进气管Ⅱ14连接，“V”形结构的两端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ16一一对应连接。
进一步的，中间进气管Ⅱ的两根管道之间的夹角β在0°到180°之间选取，解决了当180°≤β＜360°时，进气时气体在顶点O处聚集堵塞明显的问题，从而减少进气阻碍。
在排气方面，对于排气管进行优化的重点在于降低排气压力，一方面，排气压力大会影响排气的顺畅从而影响排温，理由为：排气压力大，排气背压高，排气管道内的排气阻力大，使得排气不畅，高温气体滞留缸内，导致排气温度升高。具体为，根据排气压力对发动机功率和排气温度的影响研究表明，排气背压增加后排气流量降低，排气过程推迟，由于排气背压导致的排气不畅，使得排气阶段高温气体滞留缸内，排气过程时气缸内温度较高导致排气温度升高。另一方面，排气压力大还会导致进气流量的波动大，理由为：排气压力大会导致排气不畅，高温气体滞留缸内，进而导致进气延迟，进气量降低，进气流量产生波动；进气量降低使得工质燃烧不稳定，爆压和IMEP(指示平均有效压力)降低，做功能力下降；同时导致EGR率(再循环的废气量与吸入气缸的进气总量之比)增加，燃烧向后推迟，燃烧最高温度下降，进一步影响发动机的性能。降低排气压力，一方面能够使进气流量波动小，进气顺畅，工质充分燃烧，另一方面使燃烧后的高温气体排气顺畅，降低排温。
本申请又一实施例，一种重型天然气发动机降排温方法，还包括对排气管的优化，包括：
基于重型天然气发动机原机模型，进一步获取发动机的A、B两侧进气流量波动；当最大的进气流量波动大于设定的阈值时(说明此时排气压力大)，参见附图9和11，采用非脉冲排气管，且排气弯管的弯度在90°～180°之间。
本实施例采用进气流量波动作为判断依据，因为当进气流量波动较大，进气流量较大意味着排气压力也高，根据进气流量波动可以准确的反应排气压力的情况。参见附图10，不论是同进气压力工况下，还是同功率工况下，非脉冲排气弯管17的排气压力都要远远小于脉冲排气管13，所以采用非脉冲排气管可降低排气压力。且改变排气弯管的角度，建立新机模型，获得相应的排气压力数据，对比排气压力数据可知，当排气弯管的弯度θ小于90°时会产生较大的排气压力，当排气弯管的弯度θ在90°～180°之间降低排气压力的效果较好，所以排气弯管的弯度在90°～180°之间能够进一步降低排气压力。
进一步的，参见附图10，所述非脉冲排气管的结构为：一个排气中心管Ⅱ21上连接有四个排气歧管，排气中心管Ⅱ21的排气出口处设置有一个法兰盘A，用于与排气弯管的进口法兰盘连接。
进一步的，参见附图12，如果因为装配中周围部件的限制，无法保证非脉冲排气弯管17的角度θ在90°～180°之间时，则在设置非脉冲排气弯管17的角度时，将非脉冲排气弯管17进口一端的第一个切向圆的角度ω设置在90°～180°之间。
在具体实施例中，所述阈值采用4g/s，且参见附图9，最大的进气流量波动大于4g/s，意味着排气压力也高；由于要与排气弯管的法兰盘配合，排气中心管Ⅱ21的直径大于排气中心管Ⅰ20的直径，排气中心管的内径增加至60cm，且增加内径能够进一步降低排气压力。参见附图10，采用非脉冲排气管后，进气流量波动小于4g/s。
本申请又一实施例，一种重型天然气发动机降排温方法，包括进气管和排气管的联合优化，包括：
在0°到180度之间改变中间进气管Ⅱ15的两根管道之间的夹角β，得到两个以上进气优化效果好的进气管结构；
在90°～180°之间选取排气弯管的弯度θ，得到两个以上排气优化效果好的排气管结构；
将上述过程中获取的进气管结构和排气管结构一一组合，建立新机模型，获取每一种组合方式的排温，选取排温最低的对应的进气结构和排气结构作为优化后的重型天然气发动机结构。
由于发动机的进气和排气之间会相互影响，进气优化最好的进气管和排气优化最好的排气管之间可能会相互影响，导致结合起来不是最佳的降低排气温度的方案，所以通过两个以上进气优化后的进气管结构和两个以上排气优化后的排气管结构一一结合，使进气管道和排气管道协调配合优化，能够在两个变量(即β和θ)变化的情况下，确定降低排气温度的最佳进气管和排气管的优化方案。
具体实施例中，确定的最佳进气和排气管的优化方案为：
中间进气管Ⅱ15的两根管道之间的夹角β为90度，且为避免由于结构布置紧凑,进气管与冷却系统管相互干涉，中间进气管4的长度为400mm；
参见附图11，通过改变排气弯管的出口法兰盘与进口法兰盘之间的水平距离，从而确定排气弯管的弯度，具体为：将A侧出口法兰盘131与A侧进口法兰盘132的水平距离增加至178.7mm，从而增大A侧排气弯管Ⅰ13的角度得到A侧排气弯管Ⅱ17，使A侧排气弯管Ⅱ17的角度大于原机的几乎90°的角度，并在90°～180°之间；将B侧进口法兰盘191与B侧出口法兰盘192的水平距离增加至123.8mm，从而使B侧排气弯管Ⅱ18进口一端的第一个切向圆的角度设置在90°～180°之间。
综上，参见附图14，A、B两侧对称的气缸的进气更加均匀，即气缸Ⅰ1和气缸Ⅴ5相比、气缸Ⅱ2和气缸Ⅵ6相比，气缸Ⅲ3和气缸Ⅶ7相比以及气缸Ⅳ4和气缸Ⅷ8相比，进气量更加接近；且发动机中间进气的进气流量相对于不均匀进气的进气流量整体基本升高，能够保证工质的充分燃烧；
参见图15，优化后的进气管和排气管对于降低发动机排气温度有明显的作用。
参见附图16，综合以上三个实施例，本发明能够有效改善进气不均匀性，提升发动机的综合做功能力，降低排气压力以及排气阻力，从进排气方面有效降低重型天然气发动机的排气温度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，包括：
基于重型天然气发动机原机模型，获取发动机的A、B两侧进气流量和发动机的A、B两侧进气流量波动；
对进气管的优化：当所述A、B两侧进气流量不同时，设置中间进气管II和总进气管II；其中，中间进气管Ⅱ包括两根管道，两根管道的一端汇集后与总进气管Ⅱ连接，两根管道的另一端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ一一对应连接，总进气管Ⅱ的延长线位于两根管道之间；
对排气管的优化：当最大的进气流量波动大于设定的阈值时，采用非脉冲排气管，且排气弯管的弯度在90°～180°之间；
在0°到180度之间改变中间进气管Ⅱ的两根管道之间的夹角β，得到两个以上进气优化效果好的进气管结构；在90°～180°之间选取排气弯管的弯度，得到两个以上排气优化效果好的排气管结构；将上述过程中获取的进气管结构和排气管结构一一组合，建立新机模型，获取每一种组合方式的排温，选取排温最低的对应的进气结构和排气结构作为优化后的重型天然气发动机结构。
2.如权利要求1所述一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，中间进气管Ⅱ的所述两根管道的孔径一致，两根管道分别与总进气管Ⅱ形成的角度γ和α相等。
3.如权利要求2所述一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，中间进气管Ⅱ为“V”形结构；“V”形结构的顶点与总进气管Ⅱ连接，“V”形结构的两端分别与A侧和B侧的气缸进气管Ⅱ一一对应连接。
4.如权利要求1所述一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，中间进气管Ⅱ的所述两根管道之间的夹角β在0°到180°之间选取。
5.如权利要求2所述一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，所述非脉冲排气管为：一个排气中心管Ⅱ上连接有四个排气歧管，排气中心管Ⅱ的排气出口处设置有一个法兰盘，用于与排气弯管的进口法兰盘连接。
6.如权利要求1-5任意一项所述一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，在设置排气弯管的角度时，将排气弯管进口一端的第一个切向圆的角度设置在90°～180°之间。
7.如权利要求1-5任意一项所述一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，通过改变排气弯管的出口法兰盘与进口法兰盘之间的水平距离，从而确定排气弯管的弯度。
8.如权利要求1所述一种重型天然气发动机降排温方法，其特征在于，所述重型天然气发动机模型的获得方法为：获取重型天然气发动机的数据，具体获取重型天然气发动机额定扭矩下的进气管和排气管的尺寸、进气和排气的方式；基于重型天然气发动机的数据，用GT-Power软件建立原机模型。
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