天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究①

沈現(xiàn)青，黃昭明

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥238000;2.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山243031)

0 引 言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)(Computer Aided Engineering，CAE)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的日益深入，計(jì)算流體力學(xué)(Compute Fluid Dynamics，CFD)的發(fā)展越來越成熟，對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)三維燃燒過程的仿真模擬計(jì)算已成為現(xiàn)實(shí).數(shù)值模擬不僅可以節(jié)約大量的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間和成本，也能獲取試驗(yàn)中無法測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程信息［1，2］.天然氣是一種清潔、高效的新型發(fā)動(dòng)機(jī)能源，在發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，因此對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行仿真計(jì)算，獲取燃燒的相關(guān)信息將具有實(shí)際意義［3，4］.

基于上述背景，本文采用三維CFD 軟件CONVERGE 建立了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的三維計(jì)算模型，對(duì)燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了NOx排放物的計(jì)算研究，以為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模擬計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)概述

天然氣是一種無色、無味的氣體，主要成分是甲烷，密度比空氣小，燃燒時(shí)火焰呈淡藍(lán)色，火焰溫度較高，天然氣的理化特性如表1 所示.

由于天然氣的能量密度較低，目前應(yīng)用于汽車上時(shí)采用壓縮鋼瓶的存儲(chǔ)方式，壓縮天然氣(Compressed Natural Gas，CNG)通過一套氣體燃料供給系統(tǒng)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管與空氣混合，以形成均質(zhì)混合氣，進(jìn)入缸內(nèi)燃用.典型的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣體供給系統(tǒng)如圖1 所示.

表1 天然氣與汽油的理化特性對(duì)比

圖1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的供給系統(tǒng)

2 燃燒模型的建立及試驗(yàn)

目前已有多款CFD 軟件能用來計(jì)算內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)過程和進(jìn)行排放預(yù)測(cè).本文選用了CONVERGE 軟件來進(jìn)行仿真模擬計(jì)算.該款軟件是專門針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的計(jì)算模擬來進(jìn)行開發(fā)的，先進(jìn)的網(wǎng)格劃分理念和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)網(wǎng)格的精確生成.

2.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表2 所示.主要進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)的缸壓曲線測(cè)量和NOx排放量測(cè)量的試驗(yàn).

表2 試驗(yàn)用汽油機(jī)主要參數(shù)

2.2 幾何模型和網(wǎng)格劃分

從實(shí)體模型中提取汽油機(jī)建模所需要的幾何元素，包括進(jìn)氣管、氣道、氣門、缸蓋、燃燒室、活塞、火花塞型面和噴射器型面，對(duì)幾何體進(jìn)行修正處理后如圖2 所示.

圖2 燃燒建模的幾何模型

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的三維數(shù)值模擬需要合適的網(wǎng)格數(shù)量和形狀.網(wǎng)格數(shù)量過少，雖然計(jì)算時(shí)間縮短，但不能滿足湍流模型精度要求;網(wǎng)格數(shù)量過多，則計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，也不利于模擬計(jì)算工作的進(jìn)行，因此需要選擇合適的網(wǎng)格總數(shù)和網(wǎng)格尺寸.同時(shí)，對(duì)于邊界層和其它需要加密網(wǎng)格的部位(如噴射器部位和點(diǎn)火部位)，應(yīng)確保網(wǎng)格的密度.

采用CONVERGE 的自適應(yīng)技術(shù)劃分汽油機(jī)的動(dòng)網(wǎng)格，基本網(wǎng)格尺寸為0.004m，網(wǎng)格總數(shù)不超過2.5×106個(gè)，能夠保證網(wǎng)格良好的收斂性和計(jì)算性，網(wǎng)格截面如圖3 所示.

圖3 汽油機(jī)動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格截面

2.3 工作過程模型建立

在所完成幾何模型修正和動(dòng)網(wǎng)格的劃分后，進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，以完成汽油機(jī)燃燒過程計(jì)算模型的建立.邊界條件包括缸內(nèi)計(jì)算邊界條件和氣體燃料噴射的邊界條件等，合理設(shè)置邊界條件以確保燃燒過程仿真計(jì)算的準(zhǔn)確進(jìn)行.

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的仿真模擬計(jì)算中，燃燒模型的選定至關(guān)重要.采用CHEMKIN 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件模擬天然氣燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程和反應(yīng)機(jī)理，生成天然氣反應(yīng)機(jī)理的數(shù)據(jù)文件供CONVERGE軟件使用.天然氣的著火方式與汽油一樣，采用點(diǎn)燃方式，需要設(shè)置點(diǎn)火源項(xiàng)參數(shù)，燃燒模型選擇SAGE 模型，NOx排放物的生成模型選用擴(kuò)展的Zeldovich 氮氧化物模型.所建立的汽油機(jī)燃燒過程計(jì)算模型如圖4 所示.

表3 燃燒模型和點(diǎn)火源項(xiàng)的參數(shù)輸入

圖4 汽油機(jī)燃燒過程的計(jì)算模型

圖5 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 燃燒仿真計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程計(jì)算模型對(duì)汽油機(jī)運(yùn)行于功率點(diǎn)(85kW/5200r/min)的燃燒過程進(jìn)行了計(jì)算.

圖5 給出了上止點(diǎn)(After Top Dead Center，ATDC)后從15°～95°CA 缸內(nèi)溫度場(chǎng)的分布.圖6為缸壓曲線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖.

從圖5 和圖6 可以知道，應(yīng)用CONVERGE 軟件建立的計(jì)算模型能夠進(jìn)行燃燒過程的仿真計(jì)算，天然氣最高燃燒溫度超過2800K，有利于擴(kuò)大溫度循環(huán)梯度，提高熱效率;且火焰在傳播過程中呈球形，上止點(diǎn)后95°CA 的缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布(圖5(d))顯示出進(jìn)氣側(cè)部位有終燃混合氣自燃情況發(fā)生，但屬于輕微爆震，有利于燃燒熱效率的提高;缸內(nèi)爆發(fā)壓力曲線的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說明計(jì)算過程準(zhǔn)確、有效.

圖6 缸內(nèi)壓力計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 缸內(nèi)NOx 排放物濃度場(chǎng)分布

3.2 NOx 排放量的計(jì)算結(jié)果

采用所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程計(jì)算模型對(duì)汽油機(jī)運(yùn)行于功率點(diǎn)(85kW/5200r/min)的NOx排放量進(jìn)行了計(jì)算.排氣門開啟時(shí)刻的缸內(nèi)NOx濃度分布如圖7 所示.

汽油機(jī)功率點(diǎn)的NOx濃度仿真模擬計(jì)算結(jié)果為2.153×10－3kg/kg.

汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的NOx排放量單位為ppm(10－6)，需要換算成比排放量，NOx體積濃度排放量與質(zhì)量排放量的關(guān)系［5］，可表示為公式(1):

式中，MNOx為NOx質(zhì)量流量，單位為kg/kg;φNOx為NOx濃度，單位為ppm;kHD為大氣溫度和濕度校正系數(shù)，一般取0.95 ～1.05.

通過公示(1)換算后，汽油機(jī)功率點(diǎn)NOx試驗(yàn)測(cè)量值為1.938×10－3kg/kg，與計(jì)算結(jié)果差距不大，說明模型能用來預(yù)測(cè)NOx排放量.

4 結(jié) 論

(1)CONVERGER 軟件建立的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型的計(jì)算結(jié)果表明，天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的最高燃燒溫度超過2800K，有利于熱效率的提高.

(2)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程仿真計(jì)算出的缸內(nèi)爆發(fā)壓力數(shù)據(jù)與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合，說明模型的建立及計(jì)算過程準(zhǔn)確.

(3)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果為2.153×10－3kg/kg，而臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果為1.938×10－3kg/kg，計(jì)算精度較高，說明模型能夠預(yù)測(cè)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放.

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