潘劍鋒， 黃明財(cái)， 范寶偉， 潘振華， 胡翔， 陸堯

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

點(diǎn)火位置對汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響

潘劍鋒， 黃明財(cái)， 范寶偉， 潘振華， 胡翔， 陸堯

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以點(diǎn)燃式汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)為研究對象,建立了相應(yīng)的湍流和燃燒模型,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)工作過程的三維動態(tài)模擬,并利用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。在此模型基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算和分析了4種不同點(diǎn)火位置對缸內(nèi)壓力、溫度、火焰?zhèn)鞑ゼ癗Ox生成的影響。結(jié)果表明:點(diǎn)火位置選擇在燃燒室中軸線上，與轉(zhuǎn)子凹坑中心位置重合，能優(yōu)化燃燒,獲取較大的功率；在燃燒室后部點(diǎn)火時，燃燒初期火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，壓力升高率大，但是受限于燃燒室后部燃料少，壓力峰值不高，且NOx的生成量偏高；在燃燒室前部點(diǎn)火時，在補(bǔ)燃期階段燃燒速度最快，但是點(diǎn)燃后壓力升高階段的燃燒效率一般；點(diǎn)火位置位于燃燒中軸線兩側(cè)錯位排布時，燃燒效率低下導(dǎo)致壓力峰值最低，同時NOx的生成量稍高；一定工況下，雙點(diǎn)火位置的坐標(biāo)分別為(10 mm，-56 mm，-37.2 mm)和(-10 mm,-56 mm，-37.2 mm)時，該發(fā)動機(jī)能獲得最大的功率且NOx生成量較少。

汽油； 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)； 燃燒過程； 仿真； 點(diǎn)火位置

轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)是一種新穎的內(nèi)燃機(jī)，它不同于傳統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動機(jī)，而是利用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動代替活塞的直線運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、零部件較少、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。該發(fā)動機(jī)是目前除了往復(fù)式發(fā)動機(jī)以外的另一種應(yīng)用比較多的發(fā)動機(jī)，一直以來備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，是研究熱點(diǎn)之一。為獲得缸內(nèi)流場變化及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，在數(shù)值模擬方面，國外的J.Abraham等[1]早期對預(yù)混式天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，但是受限于當(dāng)時的計(jì)算條件，對于缸內(nèi)燃燒的模擬有所欠缺。在國內(nèi)，李立君等人對汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的準(zhǔn)維模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對湍流燃燒速率進(jìn)行修正[2]。周乃君、高宏亮等人[3]對柴油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)進(jìn)行了二維的模擬計(jì)算?？梢娔壳皣鴥?nèi)外學(xué)者對轉(zhuǎn)子機(jī)的模擬研究很大程度上是基于準(zhǔn)維、零維和二維的模型進(jìn)行的，上述模型對發(fā)動機(jī)真實(shí)燃燒室的流場和燃燒的研究往往不夠詳盡。本研究針對上述問題，采用了動網(wǎng)格計(jì)算及UDF(用戶自定義)編程，建立了汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)三維的CFD動態(tài)計(jì)算模型，并在此基礎(chǔ)上研究雙點(diǎn)火位置對燃燒過程的影響。本次模擬對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、工作過程的研究及雙火花塞位置對性能的影響等方面都有重要意義。

1 汽油轉(zhuǎn)子機(jī)的幾何模型和網(wǎng)格劃分

1.1 研究對象

轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)由進(jìn)排氣口、轉(zhuǎn)子、缸體等組成。本研究數(shù)值模擬研究的對象是文獻(xiàn)[4]中所用的Austro Engine GmbH的汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)擁有2個平行于轉(zhuǎn)子徑向的火花塞，采用的是周邊進(jìn)氣的進(jìn)氣方式。發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)缸體和轉(zhuǎn)子的型線方程[5]進(jìn)行轉(zhuǎn)子機(jī)三維建模。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的3個燃燒室的工作過程完全相同，本研究為了節(jié)約計(jì)算成本，只計(jì)算其中一個燃燒室的工作過程。具體的模型見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)三維幾何模型

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞影響著燃燒模型的準(zhǔn)確性，由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣口在模擬計(jì)算時區(qū)域不變，所以這一塊區(qū)域定為靜態(tài)網(wǎng)格區(qū)域。而轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的燃燒室在模擬計(jì)算時隨時間不斷變化，該區(qū)域設(shè)定為動網(wǎng)格，在該區(qū)域中網(wǎng)格的更新方式采用網(wǎng)格重生方法和彈簧光順法相結(jié)合的方式。將轉(zhuǎn)子邊界條件設(shè)定為剛體運(yùn)動壁面，而缸體壁面定義為變形區(qū)域。為了研究網(wǎng)格尺寸對內(nèi)燃機(jī)缸壓模擬計(jì)算的影響，選取尺寸為1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm的網(wǎng)格進(jìn)行對比分析。從圖2可以看出上述4個網(wǎng)格尺寸對缸壓曲線的影響不大，4條曲線之間的最大誤差在3.8%以內(nèi)，考慮到計(jì)算精度和計(jì)算成本的要求，選擇網(wǎng)格尺寸為2 mm，網(wǎng)格數(shù)為64 551。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下缸內(nèi)平均壓力

2 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

2.1 計(jì)算模型

在模擬的過程中，采用RNGκ-ε模型作為湍流模型[6-7],并添加了與文獻(xiàn)[4]相同的38組分69步的異辛烷簡化機(jī)理[8]。燃燒模型選用渦耗散概念模型(EDC模型)，考慮了火焰?zhèn)鞑ヅc湍流運(yùn)動的耦合作用[9]。NOx生成模型采用了“熱力型”生成機(jī)理。

2.2 燃燒模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，設(shè)置與文獻(xiàn)[4]相同的工況進(jìn)行模擬，工況參數(shù)見表2。

表2 工況參數(shù)

本研究對上述汽油發(fā)動機(jī)進(jìn)行三維仿真模擬，模擬結(jié)果見圖3。可以看出，模擬值與試驗(yàn)值的最大誤差小于15%，壓力峰值誤差小于5%，說明所建立的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)三維仿真模型能夠模擬真實(shí)汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的工作過程。產(chǎn)生誤差的主要原因是模擬的過程中沒有考慮燃燒室的氣密性，且燃燒模型、湍流模型與復(fù)雜的轉(zhuǎn)子機(jī)的實(shí)際情況相接近，不可能完全相同。

圖3 缸內(nèi)平均壓力曲線的對比

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，模擬計(jì)算時選取點(diǎn)火時刻為-18°BTDC。由圖4看到，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，曲軸轉(zhuǎn)角從-54°BTDC到-18°BTDC，燃燒室內(nèi)的渦流不斷被擠壓，逐漸向單向流轉(zhuǎn)變，這與文獻(xiàn)[10-11]中得出的流場演變規(guī)律相似。由于單向流的原因，火焰很難向燃燒室后部傳播，進(jìn)而燃燒室后部的未燃燒烴不能及時燃燒就排出缸外，不僅造成燃料浪費(fèi)，而且污染環(huán)境。

為了設(shè)置合理的點(diǎn)火位置，以轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向定義點(diǎn)火位置的前與后，研究不同的點(diǎn)火位置對燃燒的影響。將Y軸坐標(biāo)固定在56 mm，改變X軸和Z軸參數(shù)，擬定了4種點(diǎn)火位置(見表3)，點(diǎn)火位置示意見圖5。

圖4 不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)流場變化

方案方案一方案二方案三方案四位置aX1010-10-10Y-56-56-56-56Z-28-37．2-28-28位置bX10-10-10-10Y-56-56-56-56Z-46-46-46-46

圖5 4種點(diǎn)火位置示意

3.1 汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)燃燒過程及缸內(nèi)平均壓力分析

采用方案二時轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力變化見圖6。從-100°BTDC至-18°BTDC為壓縮階段的變化趨勢，由于在該階段缸內(nèi)沒有燃燒，所以壓力隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動上升較緩慢。而從-18°BTDC至30°ATDC為點(diǎn)燃后的壓力升高階段，該階段分為2部分，即點(diǎn)火延遲期和速燃期[12]。通過點(diǎn)火延遲期的定義(即從著火開始至燃料中10%的熱量釋放時刻的時間)可得方案二的點(diǎn)火延遲期為-18°BTDC至5.76°ATDC，此時火焰核心剛剛形成，缸內(nèi)壓力隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動緩慢上升。5.76°ATDC至30°ATDC為速燃期階段，此時缸內(nèi)平均壓力升高率增加，直至達(dá)到壓力峰值；30°ATDC以后，發(fā)動機(jī)進(jìn)入補(bǔ)燃期，在該階段隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，壓力逐漸降低。

圖6 方案二缸內(nèi)壓力變化趨勢

表4示出了4種方案下點(diǎn)火延遲期以及速燃期的對比?？梢钥闯觯桨敢恢练桨杆倪M(jìn)入速燃期的階段均處于上止點(diǎn)后。方案二的點(diǎn)火延遲期最短，其原因是利用上止點(diǎn)附近缸內(nèi)燃料在燃燒室前后分布不同且集中于凹坑中的特點(diǎn)，該方案的火花塞正好處于凹坑軸線上，能點(diǎn)燃更多的燃料。方案一的延遲期最長，是因?yàn)榛鸹ㄈ幱谌紵仪安浚c(diǎn)燃的是燃燒室前部少量的燃料。方案三、方案四速燃期雖長，但速燃期階段，燃燒室后部的燃料逐漸聚集于燃燒室前部，此時火花塞僅僅點(diǎn)燃了后部少量的燃料，未能達(dá)到最優(yōu)的點(diǎn)燃效果。

表4 4種方案的點(diǎn)火延遲期和速燃期

圖7示出了4種點(diǎn)火方案下的缸內(nèi)平均壓力的變化曲線。從圖7可知，不同點(diǎn)火方案對缸內(nèi)壓力影響較大。其中在速燃期階段，方案二與方案三的壓力升高率較大，方案四最小，導(dǎo)致4種方案缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)明顯差異，其中方案二壓力峰值最大，方案三與方案一次之，方案四最小。與文獻(xiàn)[4]中的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火位置進(jìn)行比較，方案二與方案三壓力峰值提升了9.5%和2.3%，方案四則減小了5%。4種點(diǎn)火方案的壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角基本上都處于25°～35°ATDC之間。

圖7 不同點(diǎn)火方案下的缸內(nèi)平均壓力變化

3.2 不同點(diǎn)火位置下汽油轉(zhuǎn)子機(jī)的缸內(nèi)溫度及火焰?zhèn)鞑シ治?/p>

圖8示出了4種方案下的缸內(nèi)平均溫度。不同方案在延遲期階段缸內(nèi)溫度的差別很小，在速燃期出現(xiàn)顯著的差別。方案二在速燃期階段溫度上升最快，同一曲軸轉(zhuǎn)角下4種方案缸內(nèi)的最大溫差可達(dá)到200 K。在補(bǔ)燃期階段溫差逐步縮小，最大溫差已不足70 K。

圖8 不同點(diǎn)火方案下的缸內(nèi)溫度

為了深入了解不同點(diǎn)火位置對速燃期階段影響，對比了上止點(diǎn)后7°ATDC及35°ATDC曲軸轉(zhuǎn)角下的火焰擴(kuò)散形狀(見圖9)。

圖9 火焰擴(kuò)散形狀對比

在7°ATDC時，4種方案均剛進(jìn)入速燃期階段，處于燃燒室后部的火焰受燃燒室容積變小和單向流的影響，沿X軸方向的傳播速度大于火焰沿Z軸的速度，所以火焰呈現(xiàn)橢圓狀。而燃燒室前部，由于燃燒室容積逐漸變大使得流速減小，火焰沿X軸方向的傳播速度與火焰沿Z軸的速度差異不大，火焰近乎為圓形，但隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，著火面積出現(xiàn)不同的變化。在上止點(diǎn)前，方案一點(diǎn)火位置均處于燃燒室前部，此時燃燒室前部的空間狹小、流速大、燃料少，而且為單向流，對燃燒不利。上止點(diǎn)以后，燃料大量向燃燒室前部涌進(jìn)，特別是在補(bǔ)燃期階段，方案一的點(diǎn)火方式卻成了有利的條件，相比其他點(diǎn)火方案，其火焰鋒面前沿較寬，能點(diǎn)燃更多的燃料，導(dǎo)致了溫度、壓力均比其他方案高。方案二在燃燒初期點(diǎn)燃凹坑中聚集燃料，該方案點(diǎn)火特點(diǎn)是火焰面積沿X軸最大，而到了補(bǔ)燃期階段，由于火焰鋒面前沿的寬度比方案一窄，所以燃燒速度稍差一些。方案三在速燃期階段，由于凹坑中仍有部分燃料沒被點(diǎn)燃，造成了速燃期階段燃燒速度較慢，壓力峰值也不如方案二大。方案四點(diǎn)火位置既沒點(diǎn)燃凹坑中密集的燃料，且速燃期階段其中一個點(diǎn)火位置處于燃燒室后部，最終使得方案四的點(diǎn)火效率最差。

3.3 不同曲軸轉(zhuǎn)角下燃料的消耗及NOx的生成

圖10示出了在不同曲軸轉(zhuǎn)角下4種方案消耗的C8H18質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。方案二在燃燒前期燃料消耗的最快，但是隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，方案一燃料消耗速度超過方案二，這與之前分析的4種方案燃燒速度相一致，體現(xiàn)了后置火花塞有利于燃料在補(bǔ)燃期階段的燃燒。

圖10 不同點(diǎn)火位置下已燃燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

NOx的生成受溫度影響比較大，在燃燒溫度超過1 600 K時對熱力型NOx的生成影響較大，對燃料型NOx和快速型NOx的影響都比較小[13]，所以本研究也針對熱力型NOx進(jìn)行分析。在補(bǔ)燃期階段4種點(diǎn)火方案最大溫差不足70 K，可知在補(bǔ)燃期階段，4種點(diǎn)火方案對NOx生成速率的影響逐漸減弱。圖11示出了4種點(diǎn)火方案下汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)NOx生成的模擬結(jié)果。在曲軸轉(zhuǎn)角為60°ATDC之前，方案三NOx的生成量最高，其次是方案二和方案一，方案四最小。方案三在燃燒室后部點(diǎn)火，在上止點(diǎn)附近，燃料在狹長的空間內(nèi)燃燒,流速大、空間小，燃燒環(huán)境惡劣，生成的NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大。而方案四在60°ATDC后NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)突然升高，主要原因是受方案四自身特點(diǎn)影響，補(bǔ)燃期階段火焰逐漸擴(kuò)散到轉(zhuǎn)子凹坑，由于凹坑處的未燃燃料較多，所以此時燃燒速度明顯增大致使溫度驟升，導(dǎo)致NOx隨之增大。

圖11 不同點(diǎn)火位置下NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4 結(jié)論

a) 對4種不同點(diǎn)火方案下的汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算，方案二的點(diǎn)火位置選擇在燃燒室中軸線上，和轉(zhuǎn)子凹坑中心位置重合，在點(diǎn)燃后壓力升高階段的燃燒效率最優(yōu)，能獲取最大的功率且NOx生成量較少;

b) 由于補(bǔ)燃期階段4種方案的溫差逐漸縮小，降低NOx排放的關(guān)鍵在于降低速燃期的NOx的生成量，分析可得在燃燒室后部點(diǎn)火時，燃燒初期火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，壓力升高率快，但是受限于燃燒室后部燃料少的原因，壓力峰值不高，且NOx的生成量偏高；

c) 點(diǎn)火位置均位于燃燒室前部時，點(diǎn)火初期的壓力升高率小，壓力峰值偏小，但是燃料消耗率最大，NOx的生成量較低；

d) 點(diǎn)火位置位于燃燒中軸線兩側(cè)錯位排布時，燃燒效率低下導(dǎo)致對外做功能力最差，同時NOx的生成量稍高。

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[編輯： 姜曉博]

Influence of Ignition Position on Combustion Process of Gasoline Rotor Engine

PAN Jianfeng, HUANG Mingcai, FAN Baowei, PAN Zhenhua, HU Xiang, LU Yao

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China )

The turbulence and combustion models of gasoline rotor engine were established and 3D dynamic simulation on working process was conducted and verified with the experimental results. With the model, the influences of four kinds of ignition positions on in-cylinder pressure, temperature, flame propagation and NOxgeneration were calculated and analyzed. The results show that the ignition position on the chamber axis coinciding with rotor pit center can optimize the combustion and improve the power output. At the rear of the combustion chamber, the flame propagation speed and the pressure rise rate are higher, but less fuel injection leads to low pressure peak and high NOxemission. At the front of the combustion chamber, the combustion runs fast during the afterburning period, but the combustion efficiency cannot reach the optimal during the pressure rise period. When two spark plugs locate on both sides of the chamber axis, low combustion efficiency leads to the lowest pressure peak and higher NOxproduction. Generally, engine can output the highest power and produce relatively less NOxemission when conducting the ignition at the coordinates of (10 mm, -56 mm, -37.2 mm) and (-10 mm, -56 mm, -37.2 mm).

gasoline； rotor engine； combustion process； simulation； ignition position

2016-06-18；

2016-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576093)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201610299034Z)

潘劍鋒(1978—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯恿C(jī)械燃燒過程和燃燒系統(tǒng)研究；mike@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.011

TK45

B

1001-2222(2017)01-0059-06