點火參數(shù)對煤油活塞發(fā)動機燃燒影響的數(shù)值模擬

貝太學，魏民祥，劉　銳，李冰林，牛燕華

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

點火參數(shù)對煤油活塞發(fā)動機燃燒影響的數(shù)值模擬

貝太學，魏民祥，劉銳，李冰林，牛燕華

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

為了了解點火參數(shù)對某2沖程航空活塞煤油發(fā)動機燃燒及溫度場的影響，利用G T-Pow er和Fire軟件對該發(fā)動機整機及燃燒室分別建立了仿真模型，選取扭矩、功率以及缸壓數(shù)據(jù)驗證了該模型的正確性，并對發(fā)動機在6000 r/min、全負荷工況下的燃燒和溫度場分布等特性進行分析。結(jié)果表明：當點火時刻由335°CA變化至331°CA時，缸內(nèi)混合氣燃燒放熱量增多，放熱率峰值增大，放熱率峰值對應曲軸轉(zhuǎn)角的提前量變大，燃燒放熱速率加快，混合氣溫度和壓力上升變快，高溫區(qū)范圍增大；當點火能量由28.02 mJ增加至46.73 mJ時，雙火花塞附近的溫度升高，火花塞點火產(chǎn)生的火核尺寸增大，缸內(nèi)燃燒溫度與壓力升高，燃燒放熱速率加快，缸內(nèi)高溫區(qū)分布范圍增大。

燃燒；活塞發(fā)動機；點火參數(shù)；煤油；2沖程；數(shù)值模擬；溫度場

0　引言

2沖程活塞式發(fā)動機結(jié)構(gòu)相對簡單、使用維護方便，在許多領(lǐng)域得到廣泛應用［1-2］。其工作方式使該類型發(fā)動機比4沖程發(fā)動機具有小旋轉(zhuǎn)慣量、大升功率的優(yōu)勢［3］，能夠較好地滿足小型無人直升機高空性和續(xù)航時間較長等要求。與汽油相比，煤油具有閃點低、不易揮發(fā)等特性，使用安全［4-5］，以煤油為燃料的重油發(fā)動機在航空和特殊領(lǐng)域中有廣闊的應用前景。

火花點燃式活塞發(fā)動機需要通過火花塞點火點燃混合氣，完成缸內(nèi)混合氣的膨脹作功［6］。在不同時刻和點火能量條件下點火，會對火花點燃式發(fā)動機的動力、經(jīng)濟與排放性能等產(chǎn)生很大影響［7］。目前一些科研院所通過3維CFD數(shù)值模擬工具AVL Fire對點火時刻及點火能量進行了部分數(shù)值仿真研究［8-10］。Jamrozik A等以Andoria 1hc102型火花點燃式汽油發(fā)動機為研究對象，利用AVL Fire建立了該發(fā)動機的物理模型及燃燒模型，研究了點火時刻對燃燒的影響，結(jié)果表明：在混合氣當量比為1.2、點火提前角取值較大時，該發(fā)動機燃燒異常［11-12］；吉林大學的楊成利用AVL Fire建立了米勒循環(huán)天然氣發(fā)動機的物理模型及燃燒模型，利用數(shù)值模擬方法分析了點火時刻對缸內(nèi)燃燒特性的影響規(guī)律，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著點火時刻的提前，該天然氣發(fā)動機有燃燒不穩(wěn)定的傾向［13］；吉林大學的李昕利用AVL Fire作為3維數(shù)值仿真平臺，建立了CA4102天然氣發(fā)動機的幾何模型、計算網(wǎng)格及燃燒模型等，研究了點火能量為41、80、120以及160 mJ對燃燒過程的影響，結(jié)果表明：隨著點火能量的增加，加速了火核的形成，火焰發(fā)展期變短趨勢明顯［14］。

綜上所述，通過采用AVL Fire對點火時刻及點火能量的數(shù)值計算可知，點火參數(shù)對火花點燃式發(fā)動機的燃燒有較大影響。目前國內(nèi)外針對2沖程航空活塞煤油發(fā)動機進行燃燒研究相對較少。本文利用GT-power及AVL Fire軟件建立了2沖程航空活塞煤油發(fā)動機整機及燃燒室的計算模型，并進行試驗驗證了模型的有效性，根據(jù)仿真結(jié)果將點火時刻和能量對燃燒及溫度場的影響進行了研究與分析。

1　建模及模型驗證

1.1模型的建立

為了描述發(fā)動機整機工作過程，建立發(fā)動機模型，如圖1所示。

圖1　發(fā)動機模型

從圖中可見，進氣系統(tǒng)主要包括濾清器、節(jié)氣門、簧片閥、曲軸箱以及進氣道和掃氣道等；排氣系統(tǒng)主要由排氣道和消聲器組成。在發(fā)動機工作時，環(huán)境空氣由濾清器和節(jié)氣門流入進氣道，與從噴油器噴入的燃油，在進氣道內(nèi)充分混合，流經(jīng)簧片閥、曲軸箱和掃氣道等，進入氣缸并在缸內(nèi)燃燒作功，燃燒后的廢氣經(jīng)排氣道排出，完成1個發(fā)動機的工作循環(huán)。

本文研究對象主要技術(shù)參數(shù)見表1［15］，建立的燃燒室AVL Fire計算網(wǎng)格以及GT-Power整機仿真模型分別如圖2、3所示。

表1　2沖程煤油發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

圖2　AVL Fire燃燒室計算網(wǎng)格

圖3　GT-Power仿真計算模型

所建燃燒室計算模型的計算過程從排氣口關(guān)閉相位角272°CA開始，到排氣口開啟相位角448°CA結(jié)束。排氣口關(guān)閉相位角272°CA時的初始溫度、初始壓力以及混合氣當量比等參數(shù)值由試驗得到［15-16］，分別見表2，3。

表2　模型中初始條件

表3　模型中邊界條件K

1.2.1試驗臺架

2沖程煤油發(fā)動機燃燒試驗系統(tǒng)（如圖4所示）主要由試驗發(fā)動機、測功機、風機、控制面板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖4　發(fā)動機試驗系統(tǒng)的臺架現(xiàn)場

1.2.2扭矩、功率

將發(fā)動機臺架試驗測得的發(fā)動機輸出扭矩、功率的數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真計算結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖5所示。從圖中可見，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩和功率隨轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后減小的趨勢，扭矩最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為6000 r/min時，功率最大值則出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為6300 r/min時，仿真計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致。

圖5　扭矩和功率數(shù)值仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

1.2.3缸壓曲線

當n=6000 r/min、全負荷工況下，缸內(nèi)壓力值的仿真與試驗數(shù)據(jù)對比如圖6所示。從圖中可見，試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的2條曲線基本吻合，最大誤差不超過5%，由此可見，所建發(fā)動機的數(shù)值模型較準確地反映了發(fā)動機的工作過程，能夠滿足后續(xù)分析的需要。

圖6　全負荷工況數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

2　點火時刻對燃燒的影響

2.1點火時刻對燃燒過程的影響

在轉(zhuǎn)速為6000 r/min、全負荷、混合氣當量比為1.1、點火能量為35.64 mJ條件下，分別計算在點火時刻分別為335、333、331°CA時對2沖程煤油發(fā)動機燃燒過程的影響。

在點火時刻分別為335、333、331°CA時的缸內(nèi)平均壓力的對比曲線如圖7所示。從圖中可見，隨著點火時刻的逐步提前，缸內(nèi)平均壓力增大，速率逐步加快，缸內(nèi)平均壓力峰值逐步增大，平均壓力峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角逐步提前；反之，隨著點火時刻的推遲，點火提前角逐漸減小，缸內(nèi)平均壓力峰值偏離上止點的相位逐漸增大。

圖7　不同點火時刻下缸內(nèi)平均壓力曲線

在點火時刻分別為335、333、331°CA時的缸內(nèi)平均溫度的對比曲線如圖8所示。從圖中可見，在曲軸轉(zhuǎn)角為360～375°CA之間，2沖程煤油發(fā)動機在3種點火時刻的平均溫度均迅速升高，隨著點火時刻的逐步提前，平均溫度升高速率逐步加快，峰值逐步增大，峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角逐步提前。

圖8　不同點火時刻下缸內(nèi)平均溫度曲線

不同點火時刻的放熱率曲線如圖9所示，累積放熱量曲線如圖10所示。從圖9、10中可見，隨著點火時刻逐步提前，放熱率峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角逐步提前，缸內(nèi)混合氣的累積放熱量逐步增大。

圖9　不同點火時刻下放熱率曲線

圖10　不同點火時刻下累積放熱量曲線

2.2點火時刻對溫度場分布的影響

當發(fā)動機缸內(nèi)混合氣被點燃后，火焰向四周傳播，缸內(nèi)溫度隨之上升，對發(fā)動機進行數(shù)值計算時，缸內(nèi)溫度場的變化可以體現(xiàn)缸內(nèi)混合氣溫度分布以及燃燒過程［17-18］。不同點火時刻的2沖程煤油發(fā)動機的缸內(nèi)溫度場分布如圖11所示。

圖11　不同點火時刻下溫度場分布

從圖中可見，點火時刻為335°CA時，當活塞上行到345°CA，火焰前鋒面積較?。换钊闲械?60 °CA，在已燃區(qū)、火焰前鋒面以及未燃區(qū)已形成了明顯的分層現(xiàn)象，已燃區(qū)的溫度遠高于未燃區(qū)；當活塞下行到365°CA時，缸內(nèi)已燃區(qū)范圍增大，缸內(nèi)混合氣溫度較高。在點火時刻為331°CA時，活塞上行到345°CA，火焰核心已穩(wěn)定形成；活塞上行到360 °CA，與點火時刻為335°CA時相比，缸內(nèi)溫度場分布的分層現(xiàn)象更明顯，已燃區(qū)溫度更高，火焰前鋒面及未燃區(qū)溫度均較高；當活塞下行到365°CA時，缸內(nèi)燃燒接近完成，燃燒溫度高于點火時刻為335°CA時的缸內(nèi)溫度。

3　點火能量對燃燒的影響

3.1點火能量對燃燒過程的影響

在轉(zhuǎn)速為6000 r/min、全負荷、混合氣當量比為1.1、點火時刻為335°CA條件下，分別計算點火能量為28.02、35.64和46.73 mJ對煤油發(fā)動機燃燒過程的影響。

不同點火能量下的缸內(nèi)平均壓力曲線如圖12所示。從圖中可見，隨著點火能量的增加，缸內(nèi)平均壓力峰值增大，并且平均壓力峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角提前。

不同點火能量下的缸內(nèi)平均溫度曲線如圖13所示。從圖中可見，在曲軸轉(zhuǎn)角范圍為360～375°CA之間，2沖程煤油發(fā)動機缸內(nèi)平均溫度急劇升高，并且隨著點火能量的增加，缸內(nèi)混合氣平均溫度逐步升高。

圖12　不同點火能量下缸內(nèi)平均壓力曲線

圖13　不同點火能量下缸內(nèi)平均溫度曲線

不同點火能量下的放熱率曲線以及累積放熱量曲線分別圖14、15所示。從圖14、15中可見，隨著點火能量的增加，放熱率峰值與累積放熱量均略有增大，并且放熱率峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)逐步提前的趨勢。

圖14　不同點火能量下放熱率曲線

圖15　不同點火能量下累積放熱量曲線

3.2點火能量對溫度場的影響

2沖程煤油發(fā)動機在點火能量分別為28.02、35.64和46.73 mJ下，不同曲軸轉(zhuǎn)角對應的缸內(nèi)溫度場分布如圖16所示。

圖16　在不同點火能量下的溫度場分布

從圖中可見，在345 °CA時，雙火花塞同時點火使火花塞電極附近的混合氣進行化學反應釋放能量，形成穩(wěn)定火核，其附近存在高溫區(qū)。隨著點火能量增大，雙火花塞附近的溫度升高。當活塞上行至上止點時，火花塞附近的混合氣已產(chǎn)生已燃區(qū)，其中混合氣已燃區(qū)的溫度明顯高于未燃區(qū)的溫度，并且點火能量越大，已燃區(qū)的高溫分布范圍以及溫度峰值越大。當活塞下行至365°CA時，隨著點火能量的增加，缸內(nèi)高溫分布范圍越大，溫度峰值也越大。

4　結(jié)論

利用GT-Power和AVL Fire軟件對某2沖程航空活塞煤油發(fā)動機進行建模，在6000 r/min、全負荷工況條件下，對燃燒和溫度場分布等進行了仿真研究，結(jié)果表明：

（1）在點火時刻分別為335、333、331°CA時點燃缸內(nèi)混合氣，點火時刻提前量越大，2沖程煤油發(fā)動機的缸內(nèi)混合氣燃燒放熱量越多，放熱率峰值越大，放熱率峰值對應的曲軸轉(zhuǎn)角的提前量越大，燃燒放熱速率越快，缸內(nèi)混合氣溫度和壓力上升越快，缸內(nèi)高溫區(qū)范圍也會越大；

（2）在點火能量分別為28.02、35.64和46.73 mJ下點燃缸內(nèi)混合氣時，點火能量越大，雙火花塞附近的溫度越高，火花塞點火產(chǎn)生的火核尺寸增大，缸內(nèi)燃燒溫度與壓力越高，燃燒放熱速率越快，缸內(nèi)高溫區(qū)分布范圍越大。

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（編輯：張寶玲）

Numerical Simulation on Influence of Ignition Parameters on Combustion of Kerosene Piston Engine

BEI Tai-xue，WEI Min-xiang，LIU Rui，LI Bing-lin，NIU Yan-hua
（College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In order to understand the influence of ignition parameters on combustion and temperature distribution of two-stroke kerosene piston engine，the simulation models of engine and combustor were established respectively using GT-Power and AVL Fire.The experiment data of torque，power，and cylinder pressure have been selected to verify the correctness of the model.The combustion and temperature distribution were analyzed at the 6000 r/min and full load condition.The results show that:when ignition time varied from 335 to 331°CA to ignite the air/fuel mixture in the cylinder，the greater the amount of the advance ignition timing，the amount ofthe combustion heat release increased，the peak of heat release rate increased and appeared earlier，the heat release rate of combustion was faster，the mixed gas temperature and pressure rose faster，the range of high temperature zone increased；when the spark plug ignition energy increased from 28.02 to 46.73 mJ to ignite the air/fuel mixture in the cylinder，the temperature increased in the vicinity of the dual spark plug，the flame kernel size increased，the temperature and pressure increased，the heat release rate of combustion was faster，the range of high temperature zone increased.

combustion；aero-piston engine；ignition parameters；kerosene；two-stroke；numerical simulation；temperature field

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.011

2015-12-24基金項目：國防預研資助項目（513250203）、江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（KYLX_0244）資助

貝太學（1985），男，在讀博士研究生，研究方向為活塞發(fā)動機仿真建模及性能分析；E-mail：beitaixue@126.com。

引用格式：貝太學，魏民祥，劉銳，等.點火參數(shù)對煤油活塞發(fā)動機燃燒影響的數(shù)值模擬［J］.航空發(fā)動機，2016，42（4）：55-59.BEITaixue，WEIMinxiang，LIU Rui，etal.Numericalsimulationoninfluenceofignitionparametersoncombustionofkerosenepistonengine［J］.Aeroengine，2016，42（4）：55-59.