直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒特性的仿真試驗(yàn)

黃 丫，林學(xué)東，李德剛，顧靜靜，侯玉晶

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022)

天然氣因其H/C 比高，燃燒清潔，HC、CO 以及CO2排放少等特點(diǎn)，作為一種車用代用燃料被廣泛應(yīng)用［1］。但是由于天然氣為氣體燃料，在進(jìn)氣道噴射時(shí)占一定的體積，降低充氣效率約10%～15%左右，因此造成功率損失［2］。隨著汽車低碳化的發(fā)展需求，基于柴油機(jī)壓燃模式的缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)已成為車用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，但由于天然氣自燃點(diǎn)高，所以國(guó)內(nèi)外就用柴油引燃天然氣時(shí)的燃燒特性［3-4］以及缸內(nèi)氣流特性等對(duì)天然氣燃燒過程的影響因素進(jìn)行研究［5-6］。但是關(guān)于缸內(nèi)直噴CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒機(jī)理方面的研究甚少。

本文結(jié)合在缸內(nèi)直噴CNG 光學(xué)試驗(yàn)樣機(jī)上組織稀薄燃燒過程中火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘目梢暬囼?yàn)研究的結(jié)果，基于CFD 專用軟件FIRE 對(duì)CNG 燃料缸內(nèi)直噴時(shí)的微觀物理場(chǎng)及其分布特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，由此分析研究了不同噴射方式和點(diǎn)火方式對(duì)缸內(nèi)混合氣形成和燃燒過程中濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)及其瞬態(tài)變化特性的影響，以及這種微觀的物理場(chǎng)變化特性對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦院蚇Ox生成規(guī)律的影響，為實(shí)現(xiàn)高效率、低排放的穩(wěn)定稀薄燃燒過程探索有效途徑。

1 研究條件及方法

1.1 試驗(yàn)條件

樣機(jī)為單缸、4 沖程、點(diǎn)燃式，缸徑135 mm，行程280 mm，排量4.0 L，壓縮比6.13。圖1 為觀測(cè)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘墓鈱W(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)布置圖。為了分析不同噴射方式和不同點(diǎn)火方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，在氣缸蓋頂部(如圖2 所示)布置了2 個(gè)噴油器和2 個(gè)火花塞，進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)在氣缸蓋的側(cè)面，因此燃燒室余隙容積較大，壓縮比較低，只有6.13。受樣機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制其使用轉(zhuǎn)速偏低(200 r/min)，但這不影響火焰?zhèn)鞑C(jī)理的基礎(chǔ)研究。表1 為試驗(yàn)用天然氣的主要成分。

圖1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)布置Fig.1 Schematic of the experimental set-up of optical engine

圖2 火花塞及噴射器的布置Fig.2 Layout of spark plug and injector

表1 天然氣燃料各成分的體積分?jǐn)?shù)Table 1 Main composition fraction of CNG %

進(jìn)氣渦流強(qiáng)度是通過進(jìn)氣口軸線相對(duì)氣缸中心的偏心量來調(diào)節(jié)的，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低的特點(diǎn)，將進(jìn)氣渦流強(qiáng)度調(diào)節(jié)到sw=6.0。在試驗(yàn)過程中采用旋流式噴射器，噴射壓力固定在5 MPa 左右?；鹧?zhèn)鞑ミ^程是通過CCD 高速攝像機(jī)以563 幅/s 的速度連續(xù)拍攝的。為了分析燃燒過程，同時(shí)制取了示功圖，每個(gè)工況下測(cè)10 次缸壓后進(jìn)行平均化處理。采用日本島津制造所生產(chǎn)的NDA-7000 型NOx測(cè)量?jī)x來測(cè)量NOx排放量。

1.2 仿真條件及驗(yàn)證

根據(jù)CNG 樣機(jī)燃燒室為簡(jiǎn)單的凹坑型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用一個(gè)圓柱形模型，利用FIRE 軟件在不改變壓縮比的前提下直接生成氣缸模型，并通過Topology 自動(dòng)生成網(wǎng)格，如圖3 所示。

在實(shí)際工作過程中氣缸容積隨活塞的位移發(fā)生變化，所以把進(jìn)氣下止點(diǎn)到做功沖程下止點(diǎn)期間，劃分成4 層不同的網(wǎng)格:從壓縮過程初期的180°CA 到240°CA 和膨脹過程后期的480°CA到540°CA 期間采用60 層網(wǎng)格;壓縮過程中期的240°CA 到270°CA 和膨脹過程中期的450°CA到480°CA 期間采用50 層網(wǎng)格;壓縮過程后期的270°CA 到350°CA 和膨脹過程初期的370°CA到450°CA 期間采用45 層網(wǎng)格;壓縮上止點(diǎn)(360°CA)附近350°CA 到370°CA 期間采用10 層網(wǎng)格。然后利用Fame engine 建立動(dòng)網(wǎng)格。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型圖Fig.3 Model diagram of computational grids

作為計(jì)算邊界條件，令氣缸入口處氣流狀態(tài)為均勻，令其壓力為0.9×105Pa，溫度為350 K;活塞頂面作為移動(dòng)邊界，其溫度設(shè)定為593 K，氣缸壁和氣缸蓋底面為固定邊界，令氣缸壁的溫度為403 K，氣缸蓋底面的溫度為593 K。計(jì)算模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、Enable 湍流擴(kuò)散模型以及PDF燃燒模型。

圖4 為當(dāng)量比φ=0.93、雙點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)刻(θi1，θi2)=(－4，－3)°CA、兩個(gè)噴射器同時(shí)噴射，噴射時(shí)刻θinj=－120°CA 時(shí)，放熱規(guī)律和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)測(cè)值與仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況。取決于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆艧崧势骄兓?放熱率峰值與其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置之比)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差Δq 為:

圖4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between numerical and test results

式中:q實(shí)測(cè)(或q仿真)=(dQ/dθ)max/Δθ，Δθ=θ2－θ1;θ2為分別與實(shí)測(cè)或仿真的放熱率峰值(dQ/dθ)max對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角;θ1為分別與實(shí)測(cè)或仿真的總放熱量的5%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

由此表明仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴射方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

表2 中給出了不同噴射條件下混合氣形成的時(shí)間Δt。Δt 是從噴射終了時(shí)刻到點(diǎn)火時(shí)刻所經(jīng)歷的時(shí)間。Δt 越短，說明燃料噴射后混合氣形成時(shí)間越短，易形成混合氣濃度的梯度分布;反之Δt 越長(zhǎng)，混合氣形成時(shí)間更充分，混合氣更趨于均勻分布。

表2 噴射方式對(duì)混合氣形成時(shí)間的影響Table 2 Influence of injection mode on mixture formation process

2.1.1 當(dāng)量比對(duì)燃燒特性的影響

當(dāng)噴射時(shí)刻為－120°CA、點(diǎn)火時(shí)刻(θi1，θi2)為(－4，－3)°CA 時(shí)，噴氣量(用平均當(dāng)量比φ表示)對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懭鐖D5 所示。由表2 可見，當(dāng)φ 增大時(shí)，噴射脈寬增加，相對(duì)一定的噴射時(shí)刻，混合氣形成時(shí)間Δt 縮短。特別是當(dāng)φ=0.93 時(shí)，Δt=－3.3 ms，表明點(diǎn)火時(shí)刻噴射過程仍沒有結(jié)束，因此在氣缸內(nèi)形成更大的混合氣濃度梯度，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤艧崴俾始捌浞逯得黠@提高，燃燒持續(xù)期縮短(見圖6);而且如圖7 所示，平均指示壓力pmi隨當(dāng)量比呈線性增加，燃燒過程更加穩(wěn)定，NOx排放量也明顯降低。與φ=0.70 時(shí)相比較，當(dāng)φ=0.93 時(shí)pmi約增加了30.7%，用pmi的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的循環(huán)變動(dòng)量σ 降低了50%，NOx排放量也降低了63%。

圖5 當(dāng)量比對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊慒ig.5 Influence of equivalence ratio on flame propagation

圖6 當(dāng)量比對(duì)燃燒過程的影響Fig.6 Influence of equivalence ratio on combustion process

圖7 當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.7 Influence of equivalence ratio on engine performance

圖8 為在組織稀薄燃燒過程中當(dāng)量比對(duì)NOx生成規(guī)律的影響。如前所述，火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于混合氣濃度場(chǎng)的分布特性，而缸內(nèi)溫度場(chǎng)又依賴于燃燒過程及其瞬態(tài)燃燒過程中釋放的熱量。因此在366°CA 之前的火焰?zhèn)鞑コ跗?見圖5)火焰?zhèn)鞑ッ娣e較小，燃燒釋放的熱量少，缸內(nèi)溫度較低，所以基本不發(fā)生NO 的生成反應(yīng);當(dāng)超過370°CA 以后，火焰在不同當(dāng)量比下先后在整個(gè)燃燒室內(nèi)傳播完畢。但當(dāng)當(dāng)量比增加時(shí)，缸內(nèi)建立更大的混合氣濃度梯度，所以火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，因此溫度迅速上升，建立更大的溫度梯度，使最高燃燒溫度超過2300 K，從而引起NO 的快速反應(yīng)(見圖8)。但是隨著當(dāng)量比的增加，NO 形成的反應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短，所以總的NO 排放量減少。也就是說，NO 的生成不僅依賴于溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，而且還與混合氣濃度場(chǎng)的分布特性有關(guān)。而溫度場(chǎng)的建立及其變化規(guī)律又取決于火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，但相?duì)火焰?zhèn)鞑蟆Ｋ砸蕾囉跍囟鹊臒崃O 不可能在火焰帶上形成，而是生成于火焰?zhèn)鞑ブ蟮母邷馗谎鯀^(qū)。

圖8 當(dāng)量比對(duì)NO 生成規(guī)律的影響Fig.8 Influence of equivalence ratio on the formation of NO

2.1.2 噴射定時(shí)對(duì)燃燒特性的影響

為了分析不同濃度場(chǎng)對(duì)CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒過程的影響，在平均當(dāng)量比φ=0.70，點(diǎn)火時(shí)刻(θi1，θi2)=(－4，－3)°CA，兩個(gè)噴油器同時(shí)噴射時(shí)，不同噴射時(shí)刻對(duì)混合氣濃度場(chǎng)及其瞬態(tài)變化特性和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇M(jìn)行了仿真計(jì)算分析，結(jié)果如圖9 所示。

如表2 所示，當(dāng)推遲噴射時(shí)刻(如－90°CA)時(shí)，混合氣形成時(shí)間Δt 變短，所以在缸內(nèi)形成更大的混合氣濃度梯度(見圖9(a))，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?見圖9(b))，不僅提高了初期燃燒放熱速率及其峰值，而且燃燒持續(xù)期也明顯縮短，有利于提高燃燒熱效率，如圖10 所示。由圖11 可見，推遲噴射時(shí)刻時(shí)，在平均指示壓力基本保持不變的條件下，稀薄燃燒更加穩(wěn)定，但NOx排放量有所增加。圖11 表明在噴氣量和點(diǎn)火時(shí)刻相同的條件下，當(dāng)噴射時(shí)刻為－180°CA 時(shí)，不同噴射方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

與兩個(gè)噴射器同時(shí)噴射相比，只用一個(gè)噴射器噴射時(shí)，噴射持續(xù)時(shí)間將增加一倍，所以混合氣形成時(shí)間Δt 縮短，從而形成濃度梯度更大的混合氣，因此如圖11 所示稀薄燃燒更穩(wěn)定(σ 減小)。特別是安裝在離火花塞1 更近的噴油器2 獨(dú)立噴射時(shí)，在火花塞1 附近形成濃度梯度更大的混合氣，所以火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，循環(huán)變動(dòng)(σ)更小，但NOx排放量有所增加。表明在組織稀薄燃燒過程中火花塞附近混合氣濃度的分布狀態(tài)對(duì)稀薄燃燒穩(wěn)定性、火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸约癗Ox的生成規(guī)律都有直接的影響。

為了分析NO 的生成規(guī)律，研究了不同噴射時(shí)刻對(duì)濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及NO 反應(yīng)速率的影響，結(jié)果如圖12 所示。當(dāng)推遲噴射時(shí)刻時(shí)，缸內(nèi)形成的混合氣濃度梯度增加，從而加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?dǎo)致缸內(nèi)溫度快速上升，形成較大的溫度梯度，最高溫度也升高，因此NO 的形成時(shí)刻提前，而且NO 生成速率也明顯提高，導(dǎo)致NO 生成量增加。同時(shí)，在這種基于混合氣濃度場(chǎng)梯度分布的稀薄燃燒過程中，將燃燒室空間按濃度場(chǎng)可劃分為濃區(qū)和稀薄區(qū)，按溫度場(chǎng)劃分為高溫區(qū)和低溫區(qū)，這樣NO 主要形成于混合氣濃度和溫度適當(dāng)?shù)沫h(huán)帶區(qū)。在濃區(qū)雖溫度高但缺氧，所以不產(chǎn)生NO;反之在稀薄區(qū)雖富氧但溫度較低同樣也不能產(chǎn)生NO。而在NO 生成的環(huán)帶上，根據(jù)混合氣濃度和溫度的分布特性不同，NO 的生成速率也不一樣。因此在組織稀薄燃燒過程中，混合氣濃度的梯度分布特性是影響火焰?zhèn)鞑ニ俣群蚇Ox生成速率的關(guān)鍵。

圖9 噴射時(shí)刻對(duì)濃度場(chǎng)及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.9 Influence of injection time on the in cylinder equivalence ratio and flame propagation velocity

圖10 噴射時(shí)刻對(duì)燃燒過程的影響Fig.10 Influence of injection time on combustion process

圖11 噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.11 Influence of injection time on engine performance

圖12 噴射時(shí)刻對(duì)NO 生成規(guī)律的影響Fig.12 Influence of injection time on the formation of NO

2.2 點(diǎn)火方式對(duì)燃燒特性的影響

2.2.1 火焰?zhèn)鞑C(jī)理

當(dāng)φ=0.70、θinj= －120°CA、兩個(gè)噴油器(Inj1和inj2)同時(shí)噴射時(shí)，不同點(diǎn)火方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懭鐖D13 所示。相對(duì)單點(diǎn)噴射(－7，x)方式，采用雙點(diǎn)噴射時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快，所以放熱速率提高，燃燒持續(xù)期縮短，有利于改善燃燒熱效率(見圖14)。當(dāng)雙點(diǎn)點(diǎn)火的時(shí)刻不同時(shí)，對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懜黠@，而且火焰?zhèn)鞑C(jī)理也不同。如圖15 所示，在單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于缸內(nèi)氣流速度和火焰帶上的燃燒反應(yīng)速度，其中氣流速度對(duì)火焰起牽引作用(見圖15(a));當(dāng)雙點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火時(shí)，兩個(gè)火花塞同時(shí)跳火形成火焰中心后，缸內(nèi)氣流對(duì)兩個(gè)火焰的牽引作用以及兩個(gè)火焰?zhèn)鞑ニ俣然鞠嗤?見圖15(b));但當(dāng)兩個(gè)火花塞非同時(shí)點(diǎn)火時(shí)，首先點(diǎn)火形成的火焰1 受氣流的牽引作用而傳播的過程中受到后續(xù)點(diǎn)火而形成的火焰2 的推動(dòng)作用被加速。后續(xù)點(diǎn)火的火焰2 在傳播時(shí)受到火焰1 的擠壓作用，使其傳播速度受到限制，反而形成壓力場(chǎng)。這一壓力場(chǎng)對(duì)火焰1 的傳播起推動(dòng)作用(見圖15(c))，因此促進(jìn)火焰快速傳播。

圖13 點(diǎn)火方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊慒ig.13 Influence of ignition mode on flame propagation

圖14 點(diǎn)火方式對(duì)燃燒過程的影響Fig.14 Influence of ignition mode on combustion process

圖15 點(diǎn)火方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊慒ig.15 Influence of ignition mode on flame propagation

2.2.2 點(diǎn)火方式對(duì)NO 生成規(guī)律的影響

圖16 為點(diǎn)火方式對(duì)缸內(nèi)混合氣濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及NO 生成速率的影響。由此表明點(diǎn)火方式對(duì)混合氣濃度場(chǎng)及其變化規(guī)律的影響不大(見圖16(a))，但是如圖13 所示，不同點(diǎn)火方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌渥兓?guī)律的影響較大，因此導(dǎo)致缸內(nèi)溫度場(chǎng)及其變化規(guī)律不同(見圖16(b))。所以對(duì)于一定的混合氣濃度梯度分布，根據(jù)溫度場(chǎng)及其變化特性，造成環(huán)帶形NO 生成區(qū)的變化規(guī)律(見圖16(c))。這就是說，點(diǎn)火方式主要是通過改變瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布特性來影響NO 的生成規(guī)律。

圖16 點(diǎn)火方式對(duì)NO 生成規(guī)律的影響Fig.16 Influence of ignition mode on the formation of NO

圖17 為在點(diǎn)火時(shí)刻為(－4，－3)時(shí)，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角位置為371 ℃A 時(shí)刻N(yùn)O 生成速率最大的局部區(qū)域所對(duì)應(yīng)的濃度和溫度條件。由此可觀察到使NO 生成速率最大的區(qū)域是在溫度超過2300 K，當(dāng)量比為0.8 ～1.6 時(shí)所形成的。

圖18 為點(diǎn)火方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，由此表明通過雙點(diǎn)點(diǎn)火方式在平均指示壓力基本保持不變的前提下，可以有效改善稀薄燃燒穩(wěn)定性，而且相對(duì)單點(diǎn)點(diǎn)火，通過推遲雙點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)刻，在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性基本保持不變的前提下可以有效抑制NO 的生成量。

圖17 NO 生成條件Fig.17 Conditions for NO Formation

圖18 點(diǎn)火方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.18 Influence of ignition mode on engine performance

3 結(jié) 論

(1)濃度場(chǎng)的控制是缸內(nèi)直噴CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的稀薄燃燒過程的關(guān)鍵;可通過當(dāng)量比和噴射時(shí)刻優(yōu)化控制混合氣的形成時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

(2)NO的生成規(guī)律不僅取決于溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，還取決于濃度場(chǎng);可以通過點(diǎn)火方式改變溫度場(chǎng)來影響NO 的生成規(guī)律。

(3)溫度場(chǎng)的建立依賴于濃度場(chǎng)，但相對(duì)火焰?zhèn)鞑螅耘c溫度密切相關(guān)的熱力NO 是在火焰?zhèn)鞑蟮母邷馗谎鯀^(qū)生成，而與混合氣濃度密切相關(guān)的快速NO 形成于溫度較高的火焰區(qū);混合氣濃度梯度越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，稀薄燃燒越穩(wěn)定。

(4)通過雙點(diǎn)非同時(shí)點(diǎn)火方式，在第1 火焰?zhèn)鞑サ乃俣葓?chǎng)，用后續(xù)點(diǎn)火而形成的第2 火焰建立壓力場(chǎng)，從而可以有效提高第1 火焰的傳播速度。

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