儲利民，李濤濤

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

0 引言

天然氣由于其具有儲量豐富，辛烷值高，著火范圍較寬，形成均質(zhì)混合氣容易及燃燒清潔特點(diǎn)，目前已成為汽車、工業(yè)內(nèi)燃機(jī)廣泛使用的代用燃料。天然氣發(fā)動機(jī)采用稀薄燃燒可以更加有效地降低排放，提高發(fā)動機(jī)可靠性和壽命，并降低使用成本。由于天然氣具有活化能較高、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷男再|(zhì)，因而天然氣發(fā)動機(jī)的燃燒持續(xù)期較長，后燃傾向嚴(yán)重，排氣溫度較高，熱效率提高困難，稀薄燃燒會使這種趨勢更加明顯[1-2]。因此，稀薄燃燒更需要提高燃燒速度，以改善其對燃燒循環(huán)變動的不利影響[3]。深入地研究燃燒室結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)性能的影響，可進(jìn)一步獲得最有利于組織天然氣稀薄燃燒的燃燒室結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目在簡單分析缸內(nèi)氣體流動起因、性質(zhì)及對燃燒過程的作用，壓縮比對發(fā)動機(jī)的影響的基礎(chǔ)上，針對某款發(fā)動機(jī)設(shè)計了幾種不同燃燒室，并就燃燒室形狀和壓縮比大小對發(fā)動機(jī)工作過程和性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，選出一種最適合的燃燒室形狀和壓縮比。

1 燃燒室形狀對發(fā)動機(jī)工作過程的影響

燃燒室設(shè)計主要考慮的是如何保證進(jìn)入氣缸的混合氣能快速完全地燃燒，同時生成的排氣污染物盡可能地少。天然氣的性質(zhì)使天然氣發(fā)動機(jī)的燃燒持續(xù)期比柴油機(jī)長，熱效率比柴油機(jī)低。為了實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)動機(jī)在混合氣很稀的條件下燃燒，最大限度地發(fā)揮稀薄燃燒的優(yōu)勢，必須保證燃燒速度足夠快。燃燒速度與湍流火焰向未燃混合氣傳播的速度成正比，而湍流火焰的傳播速度又主要取決于燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度。因此，作為稀薄燃燒的燃燒室應(yīng)能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)的湍流，但是，增加湍流強(qiáng)度會增加向氣缸壁面的傳熱損失而降低發(fā)動機(jī)的熱效率，還可能吹熄火核而失火，使HC排放增加。盡管隨著可燃混合氣變稀，其熱容量會增加，同時也可以通過提高壓縮比來對傳熱損失的增加進(jìn)行補(bǔ)償，但是，湍流強(qiáng)度的大小對于稀燃天然氣發(fā)動機(jī)的燃燒過程總是具有雙面作用的。缸內(nèi)氣體運(yùn)動是異常復(fù)雜的，除進(jìn)氣過程和燃燒室結(jié)構(gòu)對其有很大影響外，其他很多因素如排氣過程、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)荷、進(jìn)排氣溫度和背壓等均會對缸內(nèi)氣體運(yùn)動產(chǎn)生影響，所以把湍流的成因歸結(jié)為任何單一因素都是不合適的。缸內(nèi)湍流運(yùn)動有2種含義：與渦流、滾流和擠流共同存在的湍流；由進(jìn)氣渦流、滾流、擠流等完全蛻變轉(zhuǎn)化的湍流。不管缸內(nèi)湍流是如何產(chǎn)生的，燃燒室形狀對缸內(nèi)湍流的影響是明顯的，它決定了各種量在缸內(nèi)的輸運(yùn)及其空間分布，它對火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵焚|(zhì)，缸壁的傳熱及污染物的形成等都具有直接的影響。

點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計有2個關(guān)鍵點(diǎn)。首先，火花塞到整個燃燒室范圍內(nèi)的距離應(yīng)盡可能均衡，以保證火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x盡可能短；其次，燃燒室結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)使混合氣在缸內(nèi)形成合適的湍流強(qiáng)度，從而優(yōu)化燃燒，有利于提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性，有利于降低污染物排放。

2 壓縮比對發(fā)動機(jī)工作過程和性能的影響

壓縮比對發(fā)動機(jī)性能有多方面的影響。壓縮比越高，缸內(nèi)最高壓力越高，充氣效率越高，熱效率也越高。壓縮比增加到一定數(shù)值后，熱效率隨壓縮比的增加幅度會越來越小。壓縮比增高使壓縮壓力和最高燃燒壓力均升高，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率下降[4]。壓縮比對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放影響很大，適當(dāng)提高天然氣發(fā)動機(jī)壓縮比，可以有效改善發(fā)動機(jī)的燃燒特性，從而提高發(fā)動機(jī)的功率、扭矩，并降低燃?xì)庀穆剩坏?，由于點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動機(jī)在高壓縮比下會出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，會損壞發(fā)動機(jī)，故設(shè)計合適的壓縮比，使天然氣發(fā)動機(jī)發(fā)揮最佳性能，尤為重要。

3 壓縮比對發(fā)動機(jī)工作過程和性能影響的仿真分析

利用GT-Power建立了1維天然氣發(fā)動機(jī)整機(jī)性能模型，研究分析壓縮比對發(fā)動機(jī)工作過程和性能的影響。仿真分析的工況和條件如表1所示。采用2種壓縮比10.5和12，其最佳點(diǎn)火提前角根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別設(shè)定為28°曲軸轉(zhuǎn)角 （°CA） 和25°CA。

表1 不同壓縮比仿真工況和條件

理論上分析，壓縮比越大，缸內(nèi)氣體壓縮程度越大。增大壓縮比可以提升發(fā)動機(jī)的膨脹比，提高指示熱效率，從而有利于提升發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，但是壓力升高率過大不僅會使發(fā)動機(jī)振動噪聲增加，而且易出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象。因而，點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動機(jī)的壓力升高是有一定限制的。當(dāng)壓縮比增加時，需要考慮其最大壓力升高率是否在合理范圍內(nèi)。2種壓縮比的壓力升高率如圖1所示，示功圖如圖2所示。

圖1 不同壓縮比下壓力升高率

由圖1可知，當(dāng)壓縮比由10.5提高到12時，壓力升高率的變化趨勢與缸內(nèi)壓力曲線的改變趨勢相似，同時最大壓力升高率d p/dφ為0.37 MPa/°CA，通常要求d p/dφ＜0.4 MPa/°CA，因此壓縮比增加到12是合理可行的。

由圖2可以看出，隨著壓縮比增加，缸內(nèi)燃燒速度越快，缸內(nèi)壓力迅速增高；并且壓縮比越大，缸內(nèi)最高壓力距離上止點(diǎn)越近，缸內(nèi)壓力也越大。這是因?yàn)閴嚎s比越大，缸內(nèi)湍流強(qiáng)度越大，火焰?zhèn)鞑ニ僭娇欤s短了快速燃燒期，指示熱效率得到提高。

圖2 不同壓縮比示功圖

發(fā)動機(jī)各性能指標(biāo)隨壓縮比的變化情況如表2所示。由表2可知，隨著壓縮比增加，指示熱效率由原來的34.76%升高至36.23%，提高4.23%，功率提高2.14%；有效燃料消耗率降低3.1%，由原來的204.7 g/（kW·h）降低至198.5 g/（kW·h）。由此可以得到：壓縮比增加，缸內(nèi)燃料進(jìn)一步被壓縮，缸內(nèi)溫度和壓力都升高，加快了缸內(nèi)燃料的燃燒速度，整個缸內(nèi)的燃燒條件較好，從而使得指示熱效率得到提升，燃料消耗量降低。因此，增加壓縮比可在一定程度上既能提升發(fā)動機(jī)的動力性，又能使經(jīng)濟(jì)性得到改善。

表2 不同壓縮比的性能參數(shù)對比

4 方案設(shè)計及驗(yàn)證

4.1 方案設(shè)計

在前面3章分析的基礎(chǔ)上，為某天然氣發(fā)動機(jī)優(yōu)化燃燒室?；谠摪l(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)限制和工藝?yán)^承性，為其新設(shè)計了2種燃燒室方案。發(fā)動機(jī)為直列4缸2氣門增壓中冷天然氣發(fā)動機(jī)，燃燒模式是稀薄燃燒。發(fā)動機(jī)基本參數(shù)見表3，原燃燒室 （原方案）和2種新方案的燃燒室形狀簡圖見圖3。原方案為淺盤形燃燒室，壓縮比為10.5，方案1和方案2采用了深碗形燃燒室，壓縮比分別是12和12.5。對3種燃燒室進(jìn)行不同燃燒室形狀和壓縮比對發(fā)動機(jī)性能影響的臺架對比試驗(yàn)研究，分別測試3種燃燒室的發(fā)動機(jī)，在轉(zhuǎn)速為800 r/min、1 400 r/min（扭矩點(diǎn)）和2 200 r/min（標(biāo)定點(diǎn)）時的燃燒數(shù)據(jù)、外特性及13工況排放。

表3 試驗(yàn)天然氣發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

圖3 燃燒形狀簡圖

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件見表4和表5。

表4 試驗(yàn)設(shè)備

表5 試驗(yàn)條件

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 缸內(nèi)平均溫度、壓力及燃燒放熱速率

800 r/min、1 400 r/min和2 200 r/min時，采用3種燃燒室的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)平均壓力和溫度如圖4～6所示，放熱速率如圖7～9所示。從圖4～6可見，無論發(fā)動機(jī)在高速還是中速或低速，壓縮比越大，缸內(nèi)的平均壓力越大，缸內(nèi)平均溫度越高；而且轉(zhuǎn)速越高，這種現(xiàn)象越明顯。由此可以判定壓縮比增加，會使壓縮終了時的缸內(nèi)壓力升高，有利于縮短燃燒著火延遲期，有利于提高燃燒速度，但燃燒室溫度上升較慢。原方案的燃燒室形狀為淺盤型，盤口面積遠(yuǎn)大于方案1和方案2的燃燒室盤口面積，燃燒擴(kuò)散速度慢，從圖3和圖4看，原方案的燃燒室缸內(nèi)平均溫度明顯高于方案1和方案2，而且燃燒延遲比較嚴(yán)重。

圖4 800 r/min時3種燃燒室缸內(nèi)平均壓力和溫度

圖5 1 400 r/min時3種燃燒室的缸內(nèi)平均壓力和溫度

圖6 2 200 r/min時3種燃燒室的缸內(nèi)平均壓力和溫度

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓縮比增加，相同曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)溫度越高，缸內(nèi)溫度峰值也增加。隨著活塞繼續(xù)向上止點(diǎn)運(yùn)動，缸內(nèi)溫度隨著壓縮比升高而升高。為了避免發(fā)動機(jī)爆震，不同壓縮比選擇的點(diǎn)火提前角不同。當(dāng)壓縮比為10.5，點(diǎn)火時刻為上止點(diǎn)前30°CA時，從上止點(diǎn)前30°CA至上止點(diǎn)后20°CA，隨著火焰由火核中心向未燃區(qū)域傳播，越來越多的混合氣被點(diǎn)燃，缸內(nèi)溫度持續(xù)上升。同樣，當(dāng)壓縮比為12，點(diǎn)火時刻為上止點(diǎn)前26°CA時，因壓縮比增加，缸內(nèi)溫度上升更快，從上止點(diǎn)前20°CA至上止點(diǎn)后20°CA，缸內(nèi)溫度不斷升高，而且壓縮比越大，溫度上升得越快。這是因?yàn)橐环矫嬗捎趬嚎s比越大，點(diǎn)火時刻缸內(nèi)的溫度和壓力本身就越大；另一方面是由于壓縮比增大而提高了缸內(nèi)的湍流速度，較大的湍流速度加快了缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒速度，讓燃料完全燃燒完的時刻提前，從而使得氣缸內(nèi)的溫度升高。然而從上止點(diǎn)后30°CA起，缸內(nèi)溫度開始下降，且隨著壓縮比的增加，溫度下降速度越快。這是因?yàn)楫?dāng)壓縮比增加時，缸內(nèi)每循環(huán)的殘余廢氣量減小，并且壓縮比拓寬了循環(huán)溫度梯度，使得更多的熱能轉(zhuǎn)換成有用功，故燃燒結(jié)束后缸內(nèi)溫度更低。

圖7 800 r/min時3種燃燒室的放熱速率

圖8 1 400 r/min時3種燃燒室的放熱速率

圖9 2 200 r/min時3種燃燒室的放熱速率

由圖7～9可知，方案1和方案2的平均放熱速率均高于原方案，低轉(zhuǎn)速時更明顯；累積放熱率要小于原方案，而方案1與方案2的差別不大。

4.3.2 發(fā)動機(jī)外特性

在800 r/min、1 400 r/min和2 200 r/min時，3種燃燒室的發(fā)動機(jī)外特性如圖10所示。從圖10可見，采用方案2燃燒室，發(fā)動機(jī)的扭矩比較大，方案1次之，原方案扭矩相比最小。壓縮比越高的燃燒室，發(fā)動機(jī)燃燒越好，燃?xì)庀穆试降停艢鉁囟纫苍降?，即原方案燃燒室的?jīng)濟(jì)性相對最差，方案2燃燒室的經(jīng)濟(jì)性相對最佳 （燃?xì)庀牧勘仍桨傅牡?～10 g/（kW·h））。故從經(jīng)濟(jì)性角度考良，提高壓縮比對提高發(fā)動機(jī)性能是有利的。

圖10 3種燃燒室的外特性

4.3.3 發(fā)動機(jī)排放

在800 r/min、1 400 r/min和2 200 r/min時，3種燃燒室的發(fā)動機(jī)原始排放 （不帶后處理）如表6所示。通過對比原始排放數(shù)據(jù)可知，壓縮比越高，NOx和CH4排放越大，而CO排放越??；隨著壓縮比的增大，NOx排放量也升高，這是由溫度升高造成的。方案2燃燒室的NOx比方案1燃燒室的高出1.61 g/（kW·h）。對稀薄燃燒天然氣發(fā)動機(jī)而言，NOx的升高是最不希望看到的結(jié)果。

表6 不帶后處理器的排放

5 結(jié)論

通過優(yōu)化燃燒室形狀，盡可能增加缸內(nèi)氣體湍流運(yùn)動和擠流運(yùn)動的效果來獲得燃燒優(yōu)化。提高壓縮比，可以使發(fā)動機(jī)獲得更高的熱效率和更好的經(jīng)濟(jì)性。高壓縮比能獲得好的動力性指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，但同時犧牲了部分排放指標(biāo)。最終的壓縮比選擇需要經(jīng)過對動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)綜合分析后才能確定。因此，綜合考慮和分析天然氣發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能后，確定壓縮比為12的盆型的燃燒室是最適合此款天然氣發(fā)動機(jī)的。