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        當(dāng)量比對CNG發(fā)動機動力及排放性能的影響

        2018-02-28 06:16:08黃丫林學(xué)東張福君喻莉娟
        車用發(fā)動機 2018年1期
        關(guān)鍵詞:混合氣缸內(nèi)樣機

        黃丫,林學(xué)東,張福君,喻莉娟

        (1.長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院,吉林 長春 130012;2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室,吉林 長春 130022)

        隨著全球石油資源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻,汽車工業(yè)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整已勢在必行,儲量更大、價格更低、污染更小的壓縮天然氣(CNG)是目前技術(shù)上最為成熟的內(nèi)燃機代用氣體燃料[1-2]。近年來,為提高動力性、降低排放,CNG發(fā)動機技術(shù)得到了迅速發(fā)展,其中基于CNG著火界限寬有利于稀燃特點的缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)被認(rèn)為是最具有前景的技術(shù)之一[3]。采用缸內(nèi)直噴供氣技術(shù)的CNG發(fā)動機稀燃極限范圍廣,更有易于實現(xiàn)稀薄燃燒,在稀薄燃燒狀態(tài)下,充足的空氣可以提高燃燒終了時混合氣的絕熱系數(shù),有利于提高發(fā)動機的熱效率,并且充分的燃燒還可以有效地降低發(fā)動機排放。在缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機中,當(dāng)量比作為進入氣缸混合氣濃度的最直觀參數(shù),對CNG發(fā)動機燃燒室內(nèi)的壓力、溫度和燃燒速度產(chǎn)生直接影響,因此確定最佳當(dāng)量比是對發(fā)動機進行后續(xù)性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。

        目前,大部分對CNG發(fā)動機動力及排放性能的研究工作都是基于樣機試驗完成的,不僅成本較高,并且只能對某一個物理量的演化過程進行分析,不能反映CNG燃燒過程中氣缸內(nèi)各個物理場的分布特性隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況,因而很難揭示出發(fā)動機參數(shù)對CNG燃燒過程和燃燒排放性能影響的內(nèi)在機理[4]。隨著描述發(fā)動機氣缸內(nèi)燃料噴射和燃燒過程的流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、熱力學(xué)和傳熱學(xué)模型的建立,利用計算機模擬發(fā)動機燃燒過程成為可能[5-7],通過仿真可以對發(fā)動機氣缸內(nèi)的混合氣濃度分布、湍動能分布、火焰?zhèn)鞑ミ^程、溫度分布以及燃燒產(chǎn)物生成速率分布等進行準(zhǔn)確的分析預(yù)測,進而從微觀三維物理場的角度研究發(fā)動機運行參數(shù)對其動力及排放性能的影響。

        本研究針對采用缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)的CNG發(fā)動機試驗樣機,利用三維計算流體動力學(xué)軟件Fire,仿真研究當(dāng)量比對發(fā)動機燃燒放熱特性的影響,將計算機仿真得到的氣缸內(nèi)各種三維物理場與樣機試驗得到的放熱率、缸壓等二維曲線有機地綜合起來,提出了通過優(yōu)化當(dāng)量比提高發(fā)動機動力性并降低NO排放的方案,可為實際缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動機的參數(shù)設(shè)計提供指導(dǎo)。

        1 CNG試驗樣機結(jié)構(gòu)

        仿真試驗基于缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機光學(xué)試驗樣機進行,其燃燒室為簡單的凹形。在試驗樣機活塞頂部設(shè)有觀測窗,可以以563 幀/s的速度用CCD攝像機記錄氣缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑デ闆r,從而實現(xiàn)氣缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程的仿真與試驗對比。缸內(nèi)直噴CNG試驗樣機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。在仿真和試驗中所采用的CNG主要成分:CH4占85.45%;C2H6占4.51%;C3H8占3.39%;C4H10占3.71%;N2占2.94%。

        缸內(nèi)直噴CNG試驗樣機氣缸內(nèi)噴油器和火花塞的位置見圖1。氣缸蓋頂部垂直布置了2個間隔為80 mm的旋流式噴射器,其最高噴射壓力為7 MPa,試驗時設(shè)定為5 MPa,噴油時能夠盡可能形成混合氣的梯度分布。兩火花塞安裝在氣缸蓋側(cè)面,點火針距離氣缸側(cè)壁22.5 mm。仿真時氣缸內(nèi)各物理場的三維分布取自兩噴油器中心位置處的氣缸縱截面。

        表1 試驗樣機技術(shù)參數(shù)

        圖1 噴射器及火花塞布置

        2 試驗樣機仿真模型及其試驗驗證

        針對試驗樣機的凹形燃燒室,仿真時直接采用圓柱形模型,然后利用Fire的FAME Engine建立發(fā)動機仿真模型的動網(wǎng)格。由于氣缸內(nèi)的容積隨曲軸轉(zhuǎn)角變化,而不同容積所需的仿真精度不同,因此在網(wǎng)格劃分時要根據(jù)不同工作狀態(tài)下的仿真精度需求將氣缸分出不同層數(shù)(見圖2)。壓縮過程初期和膨脹過程后期采用60層網(wǎng)格,壓縮過程中期和膨脹過程中期采用45層網(wǎng)格,壓縮過程后期和膨脹過程初期采用30層網(wǎng)格,壓縮上止點附近區(qū)域采用10層網(wǎng)格,其中燃燒室的網(wǎng)格保持不變。

        圖2 仿真模型網(wǎng)格劃分

        建立試驗樣機仿真模型后,還要根據(jù)發(fā)動機的運行參數(shù)確定仿真初始條件。受光學(xué)試驗樣機結(jié)構(gòu)限制,其轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min。氣缸進氣壓力和溫度分別為75.55 kPa和323 K,初始渦流強度為1 200 r/min,由進氣門最大升程決定的湍流長度尺度為3.1 mm;根據(jù)行程和發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算出的活塞平均速度為1.867 m/s,據(jù)此得到湍流波動速度為1.12 m/s,則初始湍動能為1.88 m2/s2。設(shè)壓縮上止點對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為360°,則兩火花塞的點火時刻分別為356°和357°曲軸轉(zhuǎn)角。

        仿真邊界條件由試驗樣機的測試結(jié)果確定,活塞頂面、氣缸壁和氣缸蓋底面的溫度分別為373 K,323 K和373 K。另外,仿真時間步長也需要謹(jǐn)慎選擇,步長太大影響仿真精度,步長太小則會極大地增加仿真的運算量,所以應(yīng)根據(jù)發(fā)動機工作的不同階段分別設(shè)置。噴油和燃燒階段采用的計算時間步長為0.5°,壓縮和膨脹階段采用的計算時間步長為1°。

        為驗證燃燒過程仿真模型的正確性,將上述仿真模型的仿真計算結(jié)果與光學(xué)CNG試驗樣機的實際試驗結(jié)果相比較,其間相對誤差小于4.5%,說明所建立的發(fā)動機仿真模型、仿真參數(shù)及其仿真結(jié)果符合試驗樣機的實際工作情況,因此仿真分析具有實際參考意義。

        3 仿真結(jié)果與分析

        3.1 當(dāng)量比對發(fā)動機動力性能的影響

        當(dāng)量比是一定燃料實際燃燒反應(yīng)的空燃比與恰好完全燃燒時的空燃比的比值,當(dāng)發(fā)動機排量一定時,其在一個工作循環(huán)內(nèi)吸入空氣量一定,則當(dāng)量比完全取決于CNG噴氣量,噴氣量越大當(dāng)量比越高。研究主要針對稀燃情況下當(dāng)量比對發(fā)動機性能的影響,因此當(dāng)量比試驗范圍從0.6到1.0以0.02為步長進行仿真。

        平均指示壓力是發(fā)動機整個燃燒過程中能量轉(zhuǎn)換的綜合反映,平均指示壓力越高說明發(fā)動機的動力性越強。當(dāng)量比對平均指示壓力的影響見圖3。由圖可知,隨著當(dāng)量比的增大,平均指示壓力也隨之單調(diào)增加,說明在稀燃條件下,CNG噴氣量越大發(fā)動機的動力性越好。但當(dāng)量比越大平均指示壓力的變化率越小,曲線越平,說明通過增大當(dāng)量比提高發(fā)動機動力性的效力越來越低。

        圖3 當(dāng)量比對平均指示壓力的影響

        圖4示出在0.7,0.76,0.82,0.88和0.94五種當(dāng)量比條件下,示功圖的變化情況。示功圖是氣缸內(nèi)平均壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線,它能反映出比平均指示壓力更多的信息。由圖可知,當(dāng)量比越大,缸內(nèi)壓力最大值越高,且該最大值所處的曲軸轉(zhuǎn)角位置越接近壓縮上止點,說明火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?,發(fā)動機動力性越好。當(dāng)量比對燃燒放熱率的影響見圖5,與其對示功圖的影響相對應(yīng),在當(dāng)量比小于1的稀薄區(qū)域,隨著當(dāng)量比的增加,燃燒放熱速率的峰值明顯提高,且峰值所處曲軸轉(zhuǎn)角越靠近上止點。

        圖4 當(dāng)量比對示功圖的影響

        圖5 當(dāng)量比對燃燒放熱率的影響

        氣缸內(nèi)各種三維物理場的相互作用是導(dǎo)致發(fā)動機動力性變化的內(nèi)在因素。在0.7,0.82和0.94三種當(dāng)量比條件下,通過濃度場和湍動能場隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化可以明顯看出,當(dāng)燃料以5 MPa的噴射壓力高速噴入氣缸時,在噴孔的節(jié)流作用以及缸內(nèi)空氣阻力的作用下,燃料束產(chǎn)生強烈的湍流和擾動并向燃燒室內(nèi)空氣擴散。尤其是點火時刻(356°)氣缸內(nèi)的濃度場和湍動能場對點火后的稀薄火焰?zhèn)鞑デ闆r起到了決定性的作用(見圖6)。在兩火花塞附近三種當(dāng)量比對應(yīng)的混合氣濃度和湍動能見表2。

        圖6 點火時刻氣缸內(nèi)濃度場和湍動能場

        當(dāng)量比火花塞2局部當(dāng)量比湍動能/m2·s-2 火花塞1局部當(dāng)量比湍動能/m2·s-20.70.7160.575 0.8810.5450.820.8040.676 0.9210.6140.940.9340.939 0.9710.849

        由表2可知,當(dāng)量比越大,點火時刻火花塞附近的CNG濃度越高,且湍動能越大。在火花塞打火后,一旦形成火焰中心,火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快(見圖7),缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率最大值的出現(xiàn)位置提前,平均指示壓力升高,從而使發(fā)動機的動力性得到提高。

        圖7 當(dāng)量比對火焰場的影響

        3.2 當(dāng)量比對發(fā)動機NO生成量的影響

        當(dāng)量比對發(fā)動機NO排放的影響見圖8。當(dāng)量比從0.6開始逐漸增大時,NO排放隨之增加,在0.82附近達(dá)到最大值,其后NO排放隨著當(dāng)量比的增加而遞減。形成這種現(xiàn)象的根本原因在于火焰?zhèn)鞑ミ^程中和火焰?zhèn)鞑ミ^后,局部濃度場和溫度場的分布特性。在CNG發(fā)動機中生成NO的途徑主要有兩個:一是在火焰?zhèn)鞑ミ^程中參與燃燒空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團等反應(yīng)而生成的快速型NO;二是在火焰?zhèn)鞑ミ^后氣缸內(nèi)處于高溫富氧區(qū)空氣中的氮氣在高溫下氧化而形成的熱力型NO。這兩種NO的生成條件均與氣缸內(nèi)各點處的溫度和混合氣濃度有關(guān)[8-10]。

        圖8 當(dāng)量比對NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        圖9示出在0.7,0.82,0.94三種當(dāng)量比條件下氣缸內(nèi)NO生成速率場的變化情況。在當(dāng)量比為0.7時,NO主要生成于373°~376°火焰?zhèn)鞑ミ^后的高溫富氧區(qū),屬于熱力型NO。由于火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷瑲飧變?nèi)的平均指示壓力和燃燒放熱率低,導(dǎo)致溫度場中各點的溫度均較低,因此NO生成速率和生成面積小,總的NO生成量不大。在當(dāng)量比為0.94時,NO主要生成于367°~370°的火焰?zhèn)鞑^(qū),屬于快速型NO,但因溫度場的建立較火焰?zhèn)鞑ビ幸欢ǖ难舆t,所以火焰?zhèn)鞑ミ^程中氣缸內(nèi)的溫度還不足以生成大量的NO,在火焰?zhèn)鞑ミ^后的高溫區(qū)內(nèi),又由于缸內(nèi)混合氣濃度太高、含氧量太低不滿足熱力型NO的生成條件,因此總體上當(dāng)量比為0.94時NO生成量也不大。在當(dāng)量比為0.82時,火焰?zhèn)鞑ミ^程中溫度升高較快,火焰?zhèn)鞑ミ^后的高溫區(qū)內(nèi)混合氣濃度適中,因此367°~376°的范圍內(nèi)均有NO大量生成,從而導(dǎo)致當(dāng)量比為0.82時NO生成量最高。由此可知,缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動機NO生成量取決于點火后氣缸內(nèi)的溫度場和濃度場的分布變化情況,只有在溫度場中溫度大于2 400 K且在濃度場中當(dāng)量比處于0.72~1.26范圍內(nèi)的環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)NO才能夠大量生成。

        圖9 當(dāng)量比對NO生成速率的影響

        4 結(jié)論

        a) 在缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動機中,氣缸內(nèi)混合氣濃度的瞬態(tài)分布特性和氣流運動狀態(tài)決定了稀薄火焰的傳播特性;在稀燃(當(dāng)量比小于1)條件下,適當(dāng)?shù)靥岣弋?dāng)量比可縮短混合氣形成時間,提高點火時刻缸內(nèi)火花塞附近混合氣濃度和氣流的湍動能,從而加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?,提高氣缸?nèi)的燃燒壓力和燃燒放熱速率,進而使發(fā)動機的動力性得到提升;

        b) 氣缸內(nèi)的NO生成速率取決于溫度場和濃度場的瞬態(tài)分布,只有在溫度場中溫度大于2 400 K且在濃度場中當(dāng)量比處于0.72~1.26范圍內(nèi)的環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)NO才能夠大量生成;

        c) 在當(dāng)量比較小時,火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢,燃燒放熱速率降低,使得缸內(nèi)溫度較低,不利于NO生成;在當(dāng)量比處于0.82附近時,火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^快,缸內(nèi)溫度升高,氣缸內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)適中,導(dǎo)致NO生成的反應(yīng)速率激增,NO生成量也最大;在當(dāng)量比大于0.82小于1的范圍內(nèi),隨著當(dāng)量比的增大,雖然缸內(nèi)溫度提高,各曲軸轉(zhuǎn)角位置下的高溫區(qū)域擴大,但由于快速燃燒后火焰帶后高溫區(qū)產(chǎn)生的已燃產(chǎn)物增加,使得高溫區(qū)的氧濃度不足,反而引起NO生成量急劇下降;

        d) 對于缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動機,當(dāng)量比宜設(shè)置在0.9~1之間,這樣既有利于提高發(fā)動機的動力性,也有利于減少NO排放。

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