楊 淼，林學東，李德剛，劉迎澍

（吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

前言

面對能源短缺問題，國內(nèi)外掀起了新能源開發(fā)利用的浪潮，尋找一種清潔、資源豐富的替代燃料是解決能源危機的首要任務(wù)。天然氣憑借H/C 比高、燃燒清潔、著火界限寬、儲量豐富等優(yōu)點，已成為技術(shù)上較為成熟的發(fā)動機替代燃料之一。從燃料的高效性考慮，提高CNG 燃料缸內(nèi)燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俾?，使得放熱過程更集中，等容度提高，從而提高理論循環(huán)效率。近年來，專家們發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)氣流特性對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戄^大，Wu 等發(fā)現(xiàn)湍流強度對火焰在快速燃燒期的傳播速度有直接影響，湍流強度越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇臁Ｍㄟ^適當增大燃燒室擠壓面積，可以增加反擠壓流，從而提高缸內(nèi)湍動能，促進火焰的傳播。為適應(yīng)低碳化的要求，提高指示熱效率是一項重要措施，加快缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣仁翘岣咧甘緹嵝实年P(guān)鍵技術(shù)。

本文在CNG-DI 光學實驗樣機上研究火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘幕A(chǔ)上，利用FIRE 軟件建立了2.0 L 直噴四氣門發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的仿真模型。在此基礎(chǔ)上，對兩種不同燃燒室形狀的缸內(nèi)氣體流動的微觀物理場及其動態(tài)分布特性進行了仿真研究。改變點火模式，分析雙點點火模式對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，尋求提高指示熱效率的有效途徑?/p>

1 研究條件與方法

1.1 光學發(fā)動機的研究現(xiàn)狀

用于模型驗證的單缸光學樣機主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。用于觀察火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘墓鈱W測試系統(tǒng)的布置如圖1 所示?；鸹ㄈ蛧娪推鞯牟贾萌鐖D2所示。在氣缸蓋上設(shè)置兩個噴油器和兩個火花塞，在氣缸蓋一側(cè)設(shè)置進排氣系統(tǒng)。為便于進氣渦流的調(diào)節(jié)，氣缸間隙體積較大。因此，壓縮比低至6.13，光學發(fā)動機試驗轉(zhuǎn)速受原型結(jié)構(gòu)限制為200 r·min，但這并不影響火焰?zhèn)鞑C理的基礎(chǔ)研究。天然氣的主要成分如表2所示。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 火花塞和噴油器位置示意圖

表1 實驗樣機技術(shù)參數(shù)

表2 天然氣燃料的主要成分

通過調(diào)節(jié)進氣氣流方向相對于氣缸中心的偏置程度來調(diào)節(jié)進氣渦流強度。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低的情況下，通過調(diào)節(jié)進氣渦流比（=6.0），可以盡可能提高初始氣流強度。在光學發(fā)動機實驗中，為了盡可能還原實際發(fā)動機的運轉(zhuǎn)條件，缸蓋上布置兩個旋流噴射器模擬進氣渦流對燃料分布的影響，噴射壓力為0.5 MPa。采用CCD 高速攝像機以563 幀/s的速度連續(xù)記錄火焰的傳播過程，在不同的工作條件下，平均缸壓可測量10次。

1.2 仿真條件與驗證

利用CNG 光學發(fā)動機測量的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院褪竟D，驗證了CNG-DI 發(fā)動機氣缸內(nèi)的湍流和燃燒模型。然后根據(jù)光學發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點，在不改變壓縮比的情況下，利用FIRE 軟件直接生成柱狀燃燒系統(tǒng)模型，使燃燒室形狀與光學發(fā)動機一致。根據(jù)發(fā)動機運行過程中氣缸容積的變化，將進氣行程到壓縮做功行程的時間劃分為4 層網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 仿真網(wǎng)格

在噴射和燃燒階段，模擬時間步長為0.5°CA，膨脹階段為1°CA。根據(jù)CNG氣體燃料的特性，湍流模型采用k-zeta-f 模型，燃燒模型采用ECFM 模型。湍流擴散模型為O′Rourke 模型。假定氣缸入口氣流狀態(tài)均勻，以實測值作為模擬邊界條件。平均進氣壓力為0.108 MPa，初始溫度為314 K，活塞頂部溫度為553 K，氣缸壁的溫度為403 K，氣缸蓋底部的溫度為403 K。比較放熱率和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y量值與仿真結(jié)果，如圖4 所示，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，表明所建立的仿真模型和算法與CNG燃料的實際混合形成和火焰?zhèn)鞑デ闆r相吻合。

圖4 實驗與仿真結(jié)果對比

1.3 技術(shù)條件和研究方案

將2.0 L 柴油機改為CNG-DI 發(fā)動機，壓縮比由17.2 改為14.6。根據(jù)原發(fā)動機四氣門結(jié)構(gòu)的特點，噴油器和火花塞的布置如圖5所示，火花塞1處為第1 點火位置，火花塞2 處為第2 點火位置。設(shè)計了兩個不同的燃燒室，研究湍流對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，如圖6 所示。燃燒室A 與光學試樣燃燒室相同，燃燒室B是對具有較高湍流強度的柴油機燃燒室的改進。

圖5 噴油器與火花塞示意圖

圖6 兩種燃燒室形狀和網(wǎng)格

仿真樣機的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型、仿真方法和仿真模型的建立與光學樣機一致，在2.0 L柴油機的實驗研究中，通過實測結(jié)果確定了仿真邊界條件。仿真樣機的主要技術(shù)參數(shù)和仿真條件如表3所示。以發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速工況為仿真工況，循環(huán)噴氣量為33 mg。采用雙點火器對A 型燃燒室火焰的傳播特性進行了觀察，研究了火焰的傳播特性和指示熱效率的變化。

表3 技術(shù)參數(shù)及仿真條件

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒室結(jié)構(gòu)對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

火焰?zhèn)鞑ニ俣扔赏牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣群鸵讶紖^(qū)的膨脹速度共同決定。燃燒室結(jié)構(gòu)的改變，對缸內(nèi)混合氣的湍流運動影響很大，湍流使火焰前峰面發(fā)生扭曲，增大了火焰前峰面的面積，同時將火焰前峰面分裂成許多個燃燒中心，大大擴大了火焰前峰面的厚度，加快了湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ρ華 型和B 型燃燒室內(nèi)在不同曲軸轉(zhuǎn)角時刻的火焰輪廓線，如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)B 型燃燒室內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快。這是因為與A 型平頂燃燒室相比B 型燃燒室設(shè)置了底部凸起與周側(cè)擠流面來加強湍流強度。觀察分析兩種燃燒室內(nèi)的放熱率曲線，如圖8 所示，與A型燃燒室的放熱率曲線對比分析，發(fā)現(xiàn)B 型燃燒室內(nèi)的燃燒過程開始時刻提前，燃燒持續(xù)時間更短，表明燃燒速率更快，使得達到放熱率峰值的時刻更靠近壓縮上止點。同時，如圖9 所示，觀察兩種燃燒室的示功圖可以發(fā)現(xiàn)，B 型燃燒室缸內(nèi)壓力峰值更大，等容度更高。

圖7 火焰輪廓線

圖8 兩種燃燒室放熱率

圖9 兩種燃燒室示功圖

以上分析驗證了燃燒室結(jié)構(gòu)的改變可增強湍流強度，從而加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高等容度。但是，通過計算發(fā)現(xiàn)，B 型燃燒室的指示熱效率（43.27%）低于A 型燃燒室的指示熱效率（44.46%）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然兩種燃燒室的理論放熱量相同，但是實際放熱量卻有所區(qū)別，如表4 所示。定義實際放熱量與理論放熱量的比值為燃燒效率，其代表燃燒的完全性。計算得出A 型燃燒室的燃燒效率為97.1%，而B 型燃燒室的燃燒效率為94.73%，這說明B 型燃燒室雖然加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高了燃燒速率，但其燃燒過程不充分。圖10 所示為B 型燃燒室內(nèi)火焰表面密度的分布圖，從圖中可以看出火焰面存在斷裂現(xiàn)象，在371°CA 時火焰面徹底分為內(nèi)圈與外圈，外圈火焰厚度較薄且處在周向擠流面的位置，存在狹縫效應(yīng)，火焰無法擴展，導致燃燒不充分。圖11所示為B 型燃燒室內(nèi)燃燒后期CH的質(zhì)量分數(shù)分布圖，在燃燒接近終了時周向擠流面區(qū)域內(nèi)仍存在殘留的CH，這進一步驗證了上述B型燃燒室燃燒不充分的結(jié)論。由于B 型燃燒室內(nèi)的燃料未能充分燃燒而導致其指示熱效率降低。

表4 兩種燃燒室結(jié)構(gòu)放熱參數(shù)對比

圖10 B型燃燒室內(nèi)火焰表面密度分布圖

圖11 B型燃燒室內(nèi)燃燒后期CH4質(zhì)量分數(shù)

燃燒室結(jié)構(gòu)的改變確實會通過影響湍流強度來影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?，湍流強度的增強會使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤禽^強的湍流會使火焰面發(fā)生斷裂，且燃燒室結(jié)構(gòu)中的狹縫區(qū)域阻礙火焰的傳播，燃燒不充分導致整體指示熱效率下降。這一結(jié)論為以后CNG發(fā)動機燃燒室的設(shè)計提供了重要的參考意見。

2.2 雙點點火模式對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

可燃混合氣的燃燒速度，由未燃混合氣密度、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰前鋒面積共同決定。設(shè)置雙點點火可以增大火焰前鋒面積，加快可燃混合氣的燃燒速度，使缸內(nèi)的燃燒過程更加集中，提高等容度，增大指示熱效率。圖12 所示為不同點火方式對火焰?zhèn)鞑ミ^程及未燃當量比瞬態(tài)分布特性的影響。其中，單點點火位置與雙點點火模式的第1 點火位置相同。雙點點火模式時火焰輪廓面積擴大的速度比單點點火更快，值得注意的是，在雙點點火火焰輪廓圖中可以看出，第2 點火位置的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺鹊? 點火位置的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?，從未燃當量比分布圖中可以看出，這是因為第2 點火位置處的混合氣濃度較大，即未燃混合氣密度較大，加快了混合氣的燃燒速度。

圖12 兩種點火模式下未燃當量比與火焰輪廓圖

圖13 和圖14 所示為兩種點火模式的缸內(nèi)壓力和放熱規(guī)律的變化曲線?？梢钥闯鲭p點點火縮短了著火落后期，這是因為兩處火花塞放電，產(chǎn)生的活化因子數(shù)量增多，加快了火焰核形成的速度。也可以看出，與單點點火模式相比，雙點點火模式下缸內(nèi)壓力峰值更高、出現(xiàn)的時刻更靠近上止點，放熱率峰值更高、放熱中心更靠近上止點，而且燃燒持續(xù)時間更短，這些都是因為雙點點火模式加快燃燒速度的結(jié)果。如表5 所示，列出了單點點火與雙點點火指示熱效率和燃燒效率。據(jù)此可以看出，與單點點火模式相比，雙點點火模式雖然沒能更好地提高燃燒效率，但是由于火焰?zhèn)鞑ッ娣e的增大，縮短了燃燒持續(xù)時間，使放熱更加集中，提高了等容度，指示熱效率得到提高。

表5 兩種點火模式放熱參數(shù)對比

圖13 兩種點火模式缸內(nèi)壓力

圖14 兩種點火模式放熱率

如圖12 所示，觀察兩種點火模式下點火位置處火焰輪廓的變化可以發(fā)現(xiàn)，雙點點火模式下第1 點火位置處火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷晕⒓涌欤瑩?jù)此分析雙點點火的兩火焰之間存在相互推動作用。如圖15 所示，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，兩個火焰的輪廓彼此接近，在交界面處存在推動力，由此促進火焰的發(fā)展，加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由于缸?nèi)氣流方向為順時針方向，所以第2 點火位置火焰對第1 點火位置火焰的推動作用更為明顯。缸內(nèi)氣流方向和氣流強度對兩火焰之間的推動作用影響很大，可加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取D16 所示為缸內(nèi)的壓力梯度分布，進一步驗證了兩火焰團之間的推動作用。

圖15 火焰推動作用示意圖

圖16 壓力梯度分布圖

3 結(jié)論

（1）燃燒室結(jié)構(gòu)直接影響缸內(nèi)的湍流強度，由此影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?；湍流強度的增強會使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，但是湍流過強會使火焰面發(fā)生斷裂，反而使熱效率降低。若燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計中擠氣面積過大，雖有利于提高燃燒室內(nèi)湍流強度，但擠氣面的縫隙會阻礙火焰的傳播，使燃燒不充分導致指示熱效率下降。

（2）與傳統(tǒng)的單點點火模式相比，采用雙點點火模式時初期的活化因子數(shù)量明顯增多，火焰前鋒面積增大，由此加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短了燃燒持續(xù)時間，使放熱更加集中，提高了等容度，指示熱效率得到提高。

（3）雙點點火的兩個火焰團輪廓彼此接近，在交界面處存在相互推動作用，由此促進火焰的發(fā)展，進一步加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>