陳　良，冷先銀，何志霞，隆武強(qiáng)，魏勝利，祝傳艮，趙曉丹，盧泓坤

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江212013； 2.江蘇大學(xué)能源研究院， 江蘇鎮(zhèn)江212013；3.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所， 遼寧大連116023；4.勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司， 山東東營257061)

?

預(yù)燃室天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)通道參數(shù)的模擬研究

陳良1，冷先銀2，何志霞2，隆武強(qiáng)3，魏勝利1，祝傳艮4，趙曉丹1，盧泓坤1

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江212013； 2.江蘇大學(xué)能源研究院， 江蘇鎮(zhèn)江212013；3.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所， 遼寧大連116023；4.勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司， 山東東營257061)

摘要：為探索預(yù)燃室通道結(jié)構(gòu)對勝動(dòng)12V190型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，利用CONVREGE軟件，對多種預(yù)燃室通道參數(shù)下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：當(dāng)β數(shù)一定時(shí)，通道數(shù)太少會(huì)使得主燃燒室火焰周向傳播時(shí)間太長，而通道數(shù)目過多則火焰徑向速度下降，其最佳通道數(shù)為4；當(dāng)通道數(shù)一定時(shí)，β數(shù)過小則主燃燒室火焰偏向燃燒室底部，β數(shù)過大則火焰偏向燃燒室頂部，其最佳β數(shù)為0.35。且發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率隨通道數(shù)和β值的增加先增加后減少，而NOx排放率則隨通道數(shù)和β值的增加先降低后增加。綜合比較，選取β值為0.35的4通道方案，相對于采用均質(zhì)混合氣燃燒方式的原型機(jī)，該方案顯著提高了燃燒速率，指示功率提高14.1%，NOx排放率分別降低41.5%。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；預(yù)燃室；分層稀燃；通道參數(shù)；燃燒特性；數(shù)值模擬

0引言

天然氣用作內(nèi)燃機(jī)的代用燃料，具有燃料經(jīng)濟(jì)性好、無碳煙排放和CO2排放低等顯著優(yōu)點(diǎn)[1-3]。近年來我國的大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品有了很大的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于固定發(fā)電機(jī)組、海工裝備等領(lǐng)域，但其性能指標(biāo)與國際先進(jìn)機(jī)型尚有相當(dāng)?shù)牟罹?，關(guān)鍵原因之一即是目前國產(chǎn)機(jī)型普遍采用均質(zhì)混合氣燃燒方式，稀燃能力較差。因此開發(fā)新的燃燒系統(tǒng)，拓展稀燃能力，是提升相關(guān)產(chǎn)品性能的必由之路，而預(yù)燃室分層燃燒方式是其中一個(gè)重要的發(fā)展方向。鄭清平等[4-5]開發(fā)了電熱塞助燃壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了分隔式燃燒室結(jié)構(gòu)避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的敲缸現(xiàn)象，并且成功降低了NOx排放。郭子銳等[6]采用分層稀燃系統(tǒng)顯著提高了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。研究表明預(yù)燃室分層稀燃技術(shù)對于氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的性能改善和NOx排放控制具有顯著的效用[7-9]，但預(yù)燃室結(jié)構(gòu)的微小改變就有可能導(dǎo)致燃燒性能的很大差異，合適的預(yù)燃室結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)天然氣的快速燃燒；反之則會(huì)出現(xiàn)后燃嚴(yán)重及排溫過高的現(xiàn)象，熱效率下降。因此有必要對相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和性能的影響予以細(xì)致的分析，作為勝動(dòng)12V190型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室分層燃燒系統(tǒng)開發(fā)的一部分工作，本文應(yīng)用CONVERGE軟件對該機(jī)缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行三維仿真研究，探討預(yù)燃室通道參數(shù)和點(diǎn)火正時(shí)對燃燒特性的影響。

1預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)

圖1　預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of pre-chamber combustion system

勝動(dòng)12V190型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表1，該機(jī)采用增壓器前預(yù)混的方式形成均質(zhì)混合氣。保持其余結(jié)構(gòu)不變，在缸蓋上設(shè)置了一個(gè)容積約占預(yù)燃室容積3%的預(yù)燃室以及燃料加濃噴射系統(tǒng)，形成預(yù)燃室分層燃燒系統(tǒng)，如圖1所示。

表1　天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)

2計(jì)算模型與方案

2.1計(jì)算模型

圖2　計(jì)算模型和網(wǎng)格Fig.2　Geometrical model and meshes

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)耦合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。湍流模型采用RNGk-ε雙方程模型[10]，燃燒模型耦合簡化的CH4化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，NOx排放模型采用Zeldovich模型[11]。上止點(diǎn)時(shí)刻預(yù)燃室系統(tǒng)的模型和網(wǎng)格如圖2所示，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸設(shè)定為4 mm，并根據(jù)溫度和速度梯度進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。

2.2計(jì)算方案

本文采用無量綱參數(shù)β[12]對預(yù)燃室和通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。該參數(shù)表征通道的相對流通面積與火焰射流的貫穿度，其定義為：

β=B·At/Vpcc,

其中，B是發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑，At是通道流通面積，Vpcc是預(yù)燃室容積。

根據(jù)通道數(shù)和β值的不同，分別設(shè)計(jì)了多種預(yù)燃室通道結(jié)構(gòu)，圓柱型通道周向均布，與氣缸軸線夾角為70°，具體參數(shù)如表2所示，其中每種方案有與之對應(yīng)的通道直徑。

表2預(yù)燃室通道參數(shù)及通道直徑

Tab.2Channel parameters and diameter of the channels between pre-chamber and main chamber

mm

圖3　計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.3　Comparison of computational and experimental results

計(jì)算從進(jìn)氣門打開時(shí)刻(330 ℃A)開始，至排氣門打開時(shí)刻(840 ℃A)結(jié)束。缸內(nèi)初始溫度和壓力分別設(shè)置為860 K和0.2 MPa，進(jìn)氣道初始溫度和壓力分別為318 K和0.2 MPa，排氣道內(nèi)初始溫度和壓力分別為860 K和0.2 MPa。各壁面邊界溫度分布為：活塞及預(yù)燃室壁面、缸蓋底面和缸套分別為520 K、500 K、450 K。在預(yù)燃室分層燃燒方案中，進(jìn)氣道的預(yù)混合氣過量空氣系數(shù)設(shè)置為2.0，預(yù)燃室內(nèi)加濃噴射后形成過量空氣系數(shù)為1.0的混合氣，且點(diǎn)火提前角設(shè)置為28 ℃A。

3模型驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型建立的正確與否決定了計(jì)算結(jié)果的正確性[13]。對額定工況為計(jì)算工況進(jìn)行缸內(nèi)燃燒過程模擬計(jì)算，缸內(nèi)壓力和放熱率曲線與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖3所示。從圖3可見，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，峰值壓力和放熱率對應(yīng)的相位基本相同，其中峰值壓力的數(shù)值相差0.1 MPa，誤差為1.10%，此外不同時(shí)刻放熱率的預(yù)測誤差也都在3%以內(nèi)?？梢妼Ω變?nèi)壓力和放熱率的預(yù)測精度滿足工程分析的要求，說明所選模型及參數(shù)設(shè)置較為合理，可以準(zhǔn)確地模擬天然氣的燃燒特性。

4模擬結(jié)果和討論

4.1通道參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響

圖4給出了所有方案的指示功率和NOx排放率的對比，其中縱軸所示皆為相對值，即模擬結(jié)果與原機(jī)相應(yīng)參數(shù)的比值。由圖4(a)可見，對于所有的通道數(shù)方案，指示功率都隨著β值的增大先增大后減小，并且都在β值為0.35時(shí)得到最高的指示功率；而對于同一β值方案，指示功率隨著通道數(shù)增加先增大后減小，其中4通道方案在所有β值下都獲得了最高的指示功率，而2通道方案在所有β值條件下指示功率都顯著低于其他方案。

(a) 指示功率

(b) NOx排放率

圖4指示功率和NOx排放率對比

Fig.4Comparison of indicated power and NOxemission

由圖4(b)可見，對于所有的通道數(shù)方案，NOx排放率都隨著β值的增加先減小后增大，在β值為0.35處獲得最低的NOx排放率；而在β值一定時(shí)，4通道方案可獲得最低的NOx排放率。值得說明的是，2通道方案NOx排放總量不高，但由于其指示功率偏低，因此NOx排放率還是偏高。綜合圖4的計(jì)算結(jié)果可知，對于本文所研究的機(jī)型，預(yù)燃室最佳通道數(shù)為4個(gè)，而最佳的β值為0.35。相較于原機(jī)，該方案指示功率提高了14.1%，NOx排放率比原機(jī)降低了41.5%。李樹生等[14]對一臺缸徑為260 mm的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃室通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，所得最佳通道結(jié)構(gòu)對應(yīng)的β值為0.34左右；張春煥等[15]對一臺缸徑為350 mm的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃室和通道參數(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為該機(jī)最佳β值為0.38左右。這說明不同機(jī)型的最佳β值有一定的差別，但大多在[0.34,0.38]范圍內(nèi)。

4.2通道參數(shù)對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>

預(yù)燃室通道參數(shù)對缸內(nèi)流動(dòng)及燃燒過程具有重要影響。圖5給出了無量綱數(shù)β值為0.35的條件下，不同通道數(shù)方案預(yù)燃室與主燃燒室溫度云圖。從圖5中可見，在12 ℃ABTDC時(shí)刻，3通道和4通道方案中火焰前鋒已到達(dá)預(yù)燃室底部，其余方案火焰?zhèn)鞑ド月５? ℃ABTDC時(shí)刻，預(yù)燃室中的火焰以高速射流的形式經(jīng)通道傳播到了主燃燒室內(nèi)，發(fā)展成為多束火焰。此時(shí)，2、3、4通道方案的火焰已傳播到活塞燃燒室凹坑的外緣，并且火焰沿通道向主燃室底部空間發(fā)展。而5通道和6通道方案的火焰貼近主燃燒室頂部，傳播稍慢。到上止點(diǎn)時(shí)刻，火焰在橫截面上擴(kuò)展的面積顯著增大，2通道方案雖然單束火焰的面積很大，但通道數(shù)太少使得其未燃區(qū)仍然很大，3通道方案的未燃區(qū)顯著縮小，4通道方案的未燃區(qū)最小，而5通道和6通道方案，因火焰發(fā)展不均勻以及貫穿距較短，未燃區(qū)比4通道方案有所增加。因此4通道方案的火焰?zhèn)鞑ヅc燃燒最快，有利于提高熱效率，并抑制爆震。

2通道3通道4通道5通道6通道上止點(diǎn)前12℃A(12℃ABTDC)上止點(diǎn)前6℃A(6℃ABTDC)上止點(diǎn)(TDC)

圖5不同通道數(shù)下的燃燒室內(nèi)溫度分布

Fig.5Temperature contours in chamber under condition of different channel numbers

圖6給出了預(yù)燃室通道數(shù)目為4，不同β值的條件下，預(yù)燃室與主燃燒室溫度場分布。在12 ℃ABTDC時(shí)刻，β值為0.35、0.42方案的火焰已達(dá)預(yù)燃室底部，其余方案火焰?zhèn)鞑ポ^慢。到6 ℃ABTDC時(shí)刻，從橫切面看，主燃燒室內(nèi)出現(xiàn)4束火焰，其中β值為0.22、0.35、0.42方案的火焰貫穿距較長。從縱切面上看，盡管各方案的通道方向相同，但火焰在縱切面上的傳播方向卻有所差異：β值為0.35的方案火焰基本沿通道向斜下方發(fā)展，能兼顧氣缸底部和頂部的混合氣的燃燒；β值為0.42和0.56的方案火焰發(fā)展方向稍偏向頂部，不利于底部混合氣的燃燒；而β值為0.14的方案火焰則偏向底部中央，致使其徑向貫穿距非常短，火焰難以傳播到燃燒室外圍，必然導(dǎo)致不完全燃燒。

圖7給出了6 ℃ABTDC時(shí)刻，不同方案的缸內(nèi)速度云圖。可見在不同通道數(shù)方案下，2通道和3通道方案氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，其高速氣流可達(dá)120 m/s，而其他方案的氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度稍弱。這是因?yàn)榭v截面方向上2通道和3通道已燃區(qū)域較廣，火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的高溫促進(jìn)了氣流運(yùn)動(dòng)。在不同β值的4通道方案下，由于火焰?zhèn)鞑サ牟町?，氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也有不同。其中β值為0.14的方案，高速氣流主要集中在通道附近，而其他方案氣流向徑向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，此外由于β值為0.35和0.42方案火焰發(fā)展偏向底部，因此橫截面上氣流運(yùn)動(dòng)較弱。

因此，在β值一定的條件下，通道數(shù)過多，則主燃燒室內(nèi)火焰射流貫穿距不足，火焰的徑向傳播需要更多時(shí)間，燃燒持續(xù)期增加；而通道數(shù)太少，則盡管火焰射流貫穿距足夠大，但火焰的周向傳播需要太多的時(shí)間，也使得燃燒持續(xù)期增加。而在通道數(shù)一定的條件下，β過小則主燃燒室火焰偏向燃燒室底部，過大則火焰偏向燃燒室頂部，均不利于火焰的傳播。

β=0.14β=0.22β=0.35β=0.42β=0.5612℃ABTDC6℃ABTDCTDC

圖6　不同β值下的燃燒室內(nèi)溫度分布

圖76 ℃ABTDC時(shí)刻不同方案氣流速度分布

Fig.7Velocity contours in chamber of different schemes at 6 ℃ABTDC

4.3通道參數(shù)對燃燒參數(shù)的影響

β值為0.35時(shí)，不同通道數(shù)方案的預(yù)燃室及主燃燒室壓力和放熱率對比如圖8所示。由圖8可見，所有方案預(yù)燃室壓力曲線都會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值：其第一峰值由預(yù)燃室內(nèi)的濃混合氣燃燒產(chǎn)生并與主燃燒室形成壓差；隨著主燃燒室內(nèi)稀薄混合氣的燃燒，在主燃燒室壓力出現(xiàn)峰值的同時(shí)，預(yù)燃室壓力出現(xiàn)第二峰值。對比不同方案的壓力曲線發(fā)現(xiàn)，4通道方案的預(yù)燃室壓力第一峰值和主燃燒室壓力峰值都比其余方案高，其次為3通道方案，另外三個(gè)方案預(yù)燃室壓力峰值相對較低，4通道方案的主燃燒室放熱率峰值也最高，約為700 J/℃A，其次為3、5、6通道方案，約為600 J/℃A，2通道方案的主燃室壓力和放熱率顯著低于其余方案，其原因應(yīng)該是燃燒不完全。

通道數(shù)目為4時(shí)，不同β值方案的主燃燒室壓力和放熱率對比如圖9所示。由圖9可見，隨著β值的增大，主燃燒室的峰值壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，β值為0.35時(shí)，峰值壓力為最高值。此時(shí)其放熱率也最高，約為700 J/℃A；β值為0.14的方案放熱慢，缸內(nèi)混合氣未能完全燃燒。這說明在通道數(shù)一定的條件下，β值過大或過小都不利于火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

由此可見，在無量綱數(shù)β值一定的條件下，通道數(shù)過多或過少均會(huì)使燃燒速率變慢，燃燒持續(xù)期增加；而在通道數(shù)一定的條件下，β值過大或過小都不利于火焰快速傳播，燃燒變得緩慢。

圖8不同通道數(shù)下預(yù)燃室及主燃燒室壓力和放熱率對比

Fig.8Comparison of pressure and heat release rate between pre-chamber and main chamber with different channel numbers

圖9不同β值下主燃燒室壓力和放熱率對比

Fig.9Comparison of pressure and heat release rate in main chamber with differentβvalues

5結(jié)論

①在相同過量空氣系數(shù)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率隨通道數(shù)和β值的增加先增加后減少，而NOx排放則隨通道數(shù)和β值的增加先降低后增加。

②通道數(shù)目過少則主燃燒室火焰周向傳播時(shí)間太長，而通道數(shù)目過多則火焰徑向速度下降，對于所有的β值方案，最佳通道數(shù)目都為4個(gè)。

③對于4通道方案，無量綱數(shù)β過小則主燃燒室火焰偏向燃燒室底部，過大則火焰偏向燃燒室頂部，β值過大或過小都不利于火焰快速傳播，使燃燒變得緩慢，其最佳值為0.35。

④綜合比較，β值為0.35的通道結(jié)構(gòu)方案最優(yōu)，相對于采用均質(zhì)混合氣燃燒方式的原機(jī)，該方案能使指示功率提高了14.1%，NOx排放率降低了41.5%。

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(責(zé)任編輯梁健)

收稿日期：2016-01-05；

修訂日期：2016-02-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106065)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20130514)；工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝2012[533]號)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(12JDG080)

通訊作者：冷先銀(1980—)，湖北孝感人，江蘇大學(xué)副教授，博士;E-mail: xy.leng@foxmail.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0714

中圖分類號：TK431.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)03-0714-08

Numerical study on channel parameters of natural gas engine with pre-chamber

CHEN Liang1, LENG Xian-yin2, HE Zhi-xia2, LONG Wu-qiang3, WEI Sheng-li1, ZHU Chuan-gen4, ZHAO Xiao-dan1, LU Hong-kun1

(1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Institute for Energy Research，Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;3.Institute of Internal Combustion Engines,Dalian University of Technology, Dalian 116023, China;4.Shengli Oilfield Shengli Power Machinery Group Co., LTD， Dongying 257061, China)

Abstract:To investigate the effects of the structures of channels between pre-chamber and main chamber on the combustion characteristics of gas engine typed Shengdong 12V190, the in-cylinder combustion processes under different channel structures were calculated by using CONVERGE package. The numerical results show that, under the constant amount of β, inadequate channels will lead to a decrease of the flame circumferential propagation speed, while excessive channels will result in decrease of the flame radial propagation speed, and the optimal value for channel number is 4. Furthermore, under the constant amount of channels, over low or over high value of the β number will cause the flame overly deflect towards bottom or top parts of the main chamber respectively, and the optimal value for β number is 0.35. Moreover, the indicated power first increase and then decrease by increasing channels and β, while NOx emission is the opposite. Finally, the set of 4 channels with β value of 0.35 is confirmed as the optimized structure, which remarkably enhances the combustion rate, leading to a reduction of 41.5% for NOx emission rate and an increase of 14.1% for indicated power, respectively.

Key words:natural gas engine; pre-combustion chamber; stratified lean burn; channel parameters; combustion characteristics; numerical simulation

引文格式：陳良，冷先銀，何志霞,等.預(yù)燃室天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)通道參數(shù)的模擬研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(3)：714-721.