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。