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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