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        氬氧氛圍下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性研究*

        2021-02-06 11:34:52鄭雷詹羽鄧俊金少也李理光
        汽車技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)

        鄭雷 詹羽 鄧俊 金少也 李理光,2

        (1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院,上海 200092)

        主題詞:氬氧氛圍 天然氣 熱效率 燃燒特性

        1 前言

        隨著CO2排放問題的日益突出,如何進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率已成為交通領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)。Eugene A.Lauman 和Rollin K.Reynolds[1]于1978 年提出了一種高效低排放的氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的新概念,用于柴油機(jī)發(fā)電。由奧托循環(huán)理論熱效率公式可知,提高缸內(nèi)工質(zhì)的比熱比可提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率[2],氬氣作為單原子分子,比熱比為1.67,高于雙原子分子和多原子分子,而且氬氣作為惰性氣體不會(huì)參與反應(yīng),可降低污染物的排放量。Rentaro等[3]研究表明,氫氣可在氬氧混合氣中穩(wěn)定燃燒,用氬氧混合氣代替空氣可提高熱效率。Hany等[4]發(fā)現(xiàn),隨著氬氣比例的提高,燃燒溫度、燃燒壓力和燃燒放熱率的峰值均增大,且對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。鄧俊等[5]研究了氬氣比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率及爆震的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著氬氣比例的升高,熱效率得到提高,爆震得到削弱。

        壓縮行程結(jié)束時(shí),混合氣溫度越高,爆震傾向越大,導(dǎo)致燃燒循環(huán)變動(dòng)劇烈[6-7]。由于燃燒循環(huán)變動(dòng)較大,內(nèi)燃機(jī)可能在每個(gè)循環(huán)中都不處于最佳燃燒狀態(tài),這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和平均指示壓力(Indicated Mean Effective Pressure,IMEP)有負(fù)面影響。Ozdor等[8]研究指出,如果可以消除燃燒過程中的循環(huán)變動(dòng),在相同燃料消耗下平均指示壓力可提高10%以上。影響燃燒循環(huán)變量的主要因素有缸內(nèi)湍流強(qiáng)度、混合氣組分和分布、流體運(yùn)動(dòng)[9]。Hamai等[10]研究表明,火花塞間隙內(nèi)的混合氣流速對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)有明顯影響,由于火焰形成過程和火花持續(xù)時(shí)間都受其影響,當(dāng)混合氣速度過高時(shí)甚至?xí)l(fā)生失火。燃燒循環(huán)變動(dòng)也會(huì)受到空燃比的影響,因?yàn)榭杖急鹊淖兓瘯?huì)導(dǎo)致火核形成速率的波動(dòng)[11]。

        本文基于一臺(tái)改裝的天然氣進(jìn)氣道噴射點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī),以甲烷(CH4)為燃料,試驗(yàn)研究過量氧氣系數(shù)、氬氣比例、點(diǎn)火時(shí)間對(duì)指示熱效率、平均指示壓力和燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響,并利用Chemkin 進(jìn)行仿真,為燃燒特性的分析和燃燒優(yōu)化提供依據(jù)。

        2 試驗(yàn)及仿真過程

        2.1 試驗(yàn)過程

        以氬氧混合氣代替空氣作為工質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)稱為氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)。本文所用試驗(yàn)裝置與文獻(xiàn)[5]相同,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)過程中每0.5°CA采集一次缸壓信號(hào),每工況采集100個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)。

        表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

        試驗(yàn)工況如表2所示。對(duì)于氬氧混合氣,發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)變化范圍為0°~20°CA BTDC;對(duì)于空氣混合氣,點(diǎn)火正時(shí)變化范圍為15°~30°CA BTDC,增量均為5° CA。氬氣比例指氬氧混合氣中氬氣所占的體積分?jǐn)?shù),為與空氣對(duì)比,同時(shí)研究氬氣比例變化對(duì)缸內(nèi)燃燒特征的影響,氬氣比例選擇75%、79%和82%。過量氧氣系數(shù)λ定義為1 kg 燃料實(shí)際提供的氧氣量與完全燃燒理論需要的氧氣量的比值,為了對(duì)比稀混合氣對(duì)氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響和濃混合氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響,過量氧氣系數(shù)選擇0.85、1.00和1.10。

        變動(dòng)系數(shù)(Coefficient of Variation,CoV)為燃燒循環(huán)變動(dòng)的量化標(biāo)準(zhǔn),IMEP的變動(dòng)系數(shù)為:

        式中,σpmi、分別為IMEP的標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均值。

        表2 試驗(yàn)工況

        Cpmax為峰值壓力變動(dòng)系數(shù),計(jì)算方法與式(1)相同,為峰值壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差與峰值壓力平均值的比值。Cpmi常被用來評(píng)價(jià)燃燒循環(huán)變動(dòng)的情況,Cpmax可作為燃燒相位循環(huán)變動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo),因?yàn)槿紵键c(diǎn)對(duì)其數(shù)值的影響很大[12]。本文同時(shí)用這2個(gè)參數(shù)表征燃燒過程的循環(huán)變動(dòng)情況。

        2.2 仿真過程

        通過Chemkin軟件對(duì)空氣氛圍和氬氧混合氣(氬氣比例Ar=79%)氛圍的甲烷燃燒過程進(jìn)行仿真。仿真所用機(jī)理為Aramco 1.3[13],采用閉口發(fā)動(dòng)機(jī)模型,模型結(jié)構(gòu)參數(shù)與表1設(shè)置相同。在保證壓縮起點(diǎn)溫度和壓力相同的前提下,探究發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)空氣氛圍與氬氧氛圍下甲烷燃燒的反應(yīng)速率。采用閉口均質(zhì)定容反應(yīng)器,設(shè)置不同氛圍下的反應(yīng)初始溫度和壓力相同(溫度增量為20 K),即等同于固定了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮終了溫度和壓力,以使氬氣和溫度對(duì)燃燒反應(yīng)速率的影響進(jìn)行解耦,進(jìn)一步探究氬氣本身對(duì)甲烷反應(yīng)速率的影響。仿真工況參數(shù)如表3所示。

        表3 仿真工況

        3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 仿真結(jié)果分析

        甲烷在燃燒初期的主要消耗方式是從CH4到CH3,因此CH4到CH3的轉(zhuǎn)化率可以作為CH4反應(yīng)速率的特征參數(shù)。通過對(duì)閉口發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行仿真,在著火時(shí)刻附近,不同的曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的CH4至CH3的主要元素反應(yīng)速率如圖1所示,圖2所示為不同曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的H、O、OH的摩爾分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。圖1、圖2中的基元反應(yīng)包括:

        圖1 閉口發(fā)動(dòng)機(jī)模型中CH4消耗率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

        圖2 閉口發(fā)動(dòng)機(jī)模型中H、O、OH摩爾分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

        從圖1a 和圖1b 可以看出,不同曲軸轉(zhuǎn)角下3 種基元反應(yīng)在著火時(shí)刻附近的反應(yīng)速率變化趨勢(shì)大致相同。氬氧混合氣中CH4的反應(yīng)速率是空氣中的2 倍以上,說明氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中具有較高的等容度。而且從仿真中可以看出,氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的著火時(shí)刻為21° CA BTDC,而空氣工質(zhì)下為16° CA ATDC,這是因?yàn)闅逖趸旌蠚饩哂休^高的比熱比,壓縮行程溫度上升較快,導(dǎo)致氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)更早著火。從圖2a 和圖2b 中可以看出,OH、H和O在這3個(gè)基元反應(yīng)中起著重要作用,且氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)OH 峰值的摩爾分?jǐn)?shù)是空氣中的2倍,這與CH4的轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)十分吻合。

        利用閉口均質(zhì)定容反應(yīng)器進(jìn)一步分析在相同溫度和壓力環(huán)境下,氬氧和空氣氛圍對(duì)CH4轉(zhuǎn)化速率的影響,由于式(2)~式(4)對(duì)應(yīng)的基元反應(yīng)中CH4的消耗率變化趨勢(shì)相同,故僅取式(3)對(duì)應(yīng)的CH4消耗率峰值的絕對(duì)值來表征CH4反應(yīng)速率。氬氧和空氣氛圍下CH4消耗率峰值及其對(duì)應(yīng)的溫度隨反應(yīng)初始溫度的變化曲線如圖3所示。從圖3a中可以看出,氬氧氛圍中CH4的反應(yīng)速度明顯較空氣氛圍中的高,結(jié)合圖3b可以看出,在燃料反應(yīng)的過程中,氬氣的高比熱比使溫度更快升高,加速了反應(yīng)的進(jìn)行。因此,在氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)中,壓縮行程與反應(yīng)初始階段均促進(jìn)了缸內(nèi)溫度的迅速上升,加快了氬氧氛圍中燃料的反應(yīng)速率,造成氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒的過程中有更高的等容度。

        圖3 閉口均質(zhì)反應(yīng)器中CH4消耗率峰值及對(duì)應(yīng)溫度隨反應(yīng)初始溫度的變化

        3.2 氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性試驗(yàn)與分析

        圖4a 所示為過量氧氣系數(shù)λ=1.00 時(shí),不同氬氣比例下,指示熱效率η和IMEP 與點(diǎn)火時(shí)刻的關(guān)系,二者均由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得。從圖4a 中可以看出,隨著氬氣比例的升高,發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率會(huì)提高,當(dāng)氬氣比例為82%時(shí)達(dá)到最高熱效率47.8%。但是,氬氣比例過高時(shí)IMEP 下降。分析認(rèn)為,氬氣比例的增大使得氣缸內(nèi)工質(zhì)比熱比增大,進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率,但同時(shí)降低了每循環(huán)燃料噴射量,使得動(dòng)力性有所下降。

        圖4 η和IMEP與氬氣比例、點(diǎn)火時(shí)刻、λ的關(guān)系

        圖4b和圖4c顯示了在氬氧混合氣(Ar=79%)和空氣作為工質(zhì)時(shí),不同過量氧氣系數(shù)下,η和IMEP與點(diǎn)火時(shí)刻的關(guān)系。結(jié)果表明,氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在稀混合氣下均能獲得較好的指示熱效率,而在濃混合氣下能獲得較好的平均指示壓力。當(dāng)λ=1.00 時(shí),將進(jìn)氣由空氣替換為79%氬氣比例的氬氧混合氣,可使指示熱效率從原機(jī)最高值35.9%提高到43.0%,同時(shí),IMEP也從0.81 MPa提高到0.95 MPa。且從圖4b和圖4c中可以看出,在稀燃工況下(λ=1.10),氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率可從過量氧氣系數(shù)為1時(shí)達(dá)到的最高熱效率47.8%提高到49.8%,而其對(duì)應(yīng)的IMEP 雖然降低到0.85 MPa,但仍高于空氣工況下所達(dá)到的值。

        圖4a、圖4b 中不同工質(zhì)、不同氬氣比例的最大指示熱效率對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的缸內(nèi)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線如圖5a、圖5b 所示。從圖5a 中可以看出,氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)最高缸內(nèi)壓力達(dá)5.4 MPa,明顯高于傳統(tǒng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)最高缸內(nèi)壓力,這主要是因?yàn)闅鍤獍l(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的比熱比。氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最大壓力升高率(dP/dφ)max和最大燃燒放熱率(dQ/dφ)max也明顯高于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī),這說明氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的過程較為迅速,這與仿真結(jié)果一致,都說明氬氣氛圍下可提高燃料燃燒的等容度。從圖5b 中可以看出:當(dāng)氬氣比例為75%時(shí),(dP/dφ)max=0.44 MPa·[(°)CA]-1和(dQ/dφ)max=85.4 J·[(°)CA]-1均達(dá)到最大值;當(dāng)氬氣比例為79%時(shí),平均指示壓力為0.96 MPa 達(dá)到最大值;當(dāng)氬氣比例為82%時(shí),η=47.8%達(dá)到最大值。因此可能存在一個(gè)最優(yōu)的氬氣比例來平衡各特征參數(shù),如η、平均指示壓力、(dP/dφ)max、(dQ/dφ)max等。圖5c、圖5d 分別為不同工質(zhì)、不同氬氣比例下燃燒放熱率與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系,工況點(diǎn)與圖5a、圖5b相同。

        3.3 點(diǎn)火正時(shí)、λ及氬氣比例對(duì)變動(dòng)系數(shù)影響的試驗(yàn)與分析

        圖6 所示為空氣和氬氧混合氣(Ar=79%)分別作為工質(zhì)時(shí),不同過量氧氣系數(shù)λ下,Cpmi、Cpmax和著火延遲期(定義為燃料釋放能量2%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與點(diǎn)火正時(shí)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的差值)隨點(diǎn)火正時(shí)的變化曲線。

        圖5 最大指示熱效率對(duì)應(yīng)工況下缸壓和燃燒放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

        從圖6a中可以看出,在相同點(diǎn)火正時(shí)下,傳統(tǒng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的Cpmi均隨混合氣濃度的增大而降低。由于稀薄混合氣的燃燒速率較低,延長(zhǎng)了燃燒持續(xù)時(shí)間,使得燃燒過程中容易受到氣缸內(nèi)流場(chǎng)變化的影響,造成燃燒過程不穩(wěn)定,因此使循環(huán)變動(dòng)增大。氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)因在壓縮沖程溫度上升較快,更容易發(fā)生爆震,故點(diǎn)火提前時(shí),氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的Cpmi較傳統(tǒng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)高;較濃的可燃混合氣對(duì)爆震有一定的抑制作用,導(dǎo)致氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)Cpmi差異減小。

        圖6b中隨λ的增大,氬氣和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)Cpmax均增大,這與Cpmi的變化趨勢(shì)相同。但是氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的Cpmax卻明顯低于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī),這是因?yàn)镃pmax對(duì)著火時(shí)刻的變化十分敏感,氬氧混合氣作為工質(zhì)時(shí)因缸內(nèi)壓縮時(shí)具有較高的溫度而縮短著火延遲期,造成著火時(shí)刻變動(dòng)較小。從圖6c 中可以明顯看出,氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的著火延遲期遠(yuǎn)低于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

        圖6 不同過量氧氣系數(shù)下Cpmi、Cpmax和著火延遲期隨點(diǎn)火正時(shí)的變化

        從圖4b和圖6a的對(duì)比可以看出,Cpmi與η隨點(diǎn)火正時(shí)變化的規(guī)律具有一致性。在相同的過量氧氣系數(shù)下,Cpmi越高,對(duì)應(yīng)的η越低,因?yàn)槿紵h(huán)變動(dòng)越大,表明發(fā)動(dòng)機(jī)的許多循環(huán)都不能達(dá)到最佳燃燒狀態(tài),因此降低發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率。

        當(dāng)λ=1.00時(shí),氬氣比例對(duì)Cpmi、Cpmax和著火延遲期的影響如圖7所示。從圖7a中可以看出,隨著氬氣比例的升高,Cpmi呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這是因?yàn)闅鍤獗壤纳呖擅黠@抑制氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震[5],使得燃燒過程更加穩(wěn)定,燃燒循環(huán)變動(dòng)降低。而Cpmax隨氬氣比例的升高而增大,從圖7b中可以看出,氬氣比例增大使著火延遲期加長(zhǎng),導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)波動(dòng)增大,最終Cpmax升高。

        圖7 不同氬氣比例下Cpmi、Cpmax和著火延遲期隨點(diǎn)火正時(shí)的變化(λ=1.00)

        4 結(jié)論

        a.氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮行程與燃燒過程中溫度升高較快,共同促進(jìn)燃燒的進(jìn)行,提高燃料反應(yīng)速率,使得氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中等容度較高。

        b.由于氬氧氛圍中燃料燃燒具有更高的等容度,直接采用79%比例的氬氧混合氣代替空氣作為工質(zhì),可將原發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率從36.9%提高到43.0%,平均指示壓力從0.81 MPa提高到0.95 MPa;通過提高氬氣比例至82%,指示熱效率可增大到47.8%;進(jìn)一步采用少量稀燃的方式,在過量氧氣系數(shù)為1.10,氬氣比例為79%時(shí),指示熱效率提高到49.8%。

        c.混合氣較濃時(shí)可同時(shí)改善燃燒循環(huán)變動(dòng)和燃燒相位循環(huán)變動(dòng),氬氣比例升高使得燃燒循環(huán)變動(dòng)降低,燃燒相位循環(huán)變動(dòng)升高;指示熱效率和燃燒循環(huán)變動(dòng)隨點(diǎn)火正時(shí)的變化具有較好的一致性,當(dāng)燃燒循環(huán)變動(dòng)較小時(shí),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率有改善作用。

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