點火位置對汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒過程的影響

潘劍鋒， 黃明財， 范寶偉， 潘振華， 胡翔， 陸堯

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

點火位置對汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒過程的影響

潘劍鋒， 黃明財， 范寶偉， 潘振華， 胡翔， 陸堯

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以點燃式汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機為研究對象,建立了相應(yīng)的湍流和燃燒模型,實現(xiàn)了發(fā)動機工作過程的三維動態(tài)模擬,并利用試驗結(jié)果進行對比驗證。在此模型基礎(chǔ)上，模擬計算和分析了4種不同點火位置對缸內(nèi)壓力、溫度、火焰?zhèn)鞑ゼ癗Ox生成的影響。結(jié)果表明:點火位置選擇在燃燒室中軸線上，與轉(zhuǎn)子凹坑中心位置重合，能優(yōu)化燃燒,獲取較大的功率；在燃燒室后部點火時，燃燒初期火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，壓力升高率大，但是受限于燃燒室后部燃料少，壓力峰值不高，且NOx的生成量偏高；在燃燒室前部點火時，在補燃期階段燃燒速度最快，但是點燃后壓力升高階段的燃燒效率一般；點火位置位于燃燒中軸線兩側(cè)錯位排布時，燃燒效率低下導(dǎo)致壓力峰值最低，同時NOx的生成量稍高；一定工況下，雙點火位置的坐標分別為(10 mm，-56 mm，-37.2 mm)和(-10 mm,-56 mm，-37.2 mm)時，該發(fā)動機能獲得最大的功率且NOx生成量較少。

汽油； 轉(zhuǎn)子發(fā)動機； 燃燒過程； 仿真； 點火位置

轉(zhuǎn)子發(fā)動機是一種新穎的內(nèi)燃機，它不同于傳統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動機，而是利用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動代替活塞的直線運動，具有結(jié)構(gòu)簡單、零部件較少、運行平穩(wěn)的特點。該發(fā)動機是目前除了往復(fù)式發(fā)動機以外的另一種應(yīng)用比較多的發(fā)動機，一直以來備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，是研究熱點之一。為獲得缸內(nèi)流場變化及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，在數(shù)值模擬方面，國外的J.Abraham等[1]早期對預(yù)混式天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動機進行了數(shù)值模擬計算，但是受限于當時的計算條件，對于缸內(nèi)燃燒的模擬有所欠缺。在國內(nèi)，李立君等人對汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機的準維模型進行了模擬計算，并對湍流燃燒速率進行修正[2]。周乃君、高宏亮等人[3]對柴油轉(zhuǎn)子發(fā)動機進行了二維的模擬計算?？梢娔壳皣鴥?nèi)外學(xué)者對轉(zhuǎn)子機的模擬研究很大程度上是基于準維、零維和二維的模型進行的，上述模型對發(fā)動機真實燃燒室的流場和燃燒的研究往往不夠詳盡。本研究針對上述問題，采用了動網(wǎng)格計算及UDF(用戶自定義)編程，建立了汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機三維的CFD動態(tài)計算模型，并在此基礎(chǔ)上研究雙點火位置對燃燒過程的影響。本次模擬對發(fā)動機的設(shè)計、工作過程的研究及雙火花塞位置對性能的影響等方面都有重要意義。

1 汽油轉(zhuǎn)子機的幾何模型和網(wǎng)格劃分

1.1 研究對象

轉(zhuǎn)子發(fā)動機由進排氣口、轉(zhuǎn)子、缸體等組成。本研究數(shù)值模擬研究的對象是文獻[4]中所用的Austro Engine GmbH的汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機，該發(fā)動機擁有2個平行于轉(zhuǎn)子徑向的火花塞，采用的是周邊進氣的進氣方式。發(fā)動機的主要參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)子發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)子發(fā)動機建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)缸體和轉(zhuǎn)子的型線方程[5]進行轉(zhuǎn)子機三維建模。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機的3個燃燒室的工作過程完全相同，本研究為了節(jié)約計算成本，只計算其中一個燃燒室的工作過程。具體的模型見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子發(fā)動機三維幾何模型

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞影響著燃燒模型的準確性，由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機進、排氣口在模擬計算時區(qū)域不變，所以這一塊區(qū)域定為靜態(tài)網(wǎng)格區(qū)域。而轉(zhuǎn)子發(fā)動機的燃燒室在模擬計算時隨時間不斷變化，該區(qū)域設(shè)定為動網(wǎng)格，在該區(qū)域中網(wǎng)格的更新方式采用網(wǎng)格重生方法和彈簧光順法相結(jié)合的方式。將轉(zhuǎn)子邊界條件設(shè)定為剛體運動壁面，而缸體壁面定義為變形區(qū)域。為了研究網(wǎng)格尺寸對內(nèi)燃機缸壓模擬計算的影響，選取尺寸為1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm的網(wǎng)格進行對比分析。從圖2可以看出上述4個網(wǎng)格尺寸對缸壓曲線的影響不大，4條曲線之間的最大誤差在3.8%以內(nèi)，考慮到計算精度和計算成本的要求，選擇網(wǎng)格尺寸為2 mm，網(wǎng)格數(shù)為64 551。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下缸內(nèi)平均壓力

2 數(shù)學(xué)模型及驗證

2.1 計算模型

在模擬的過程中，采用RNGκ-ε模型作為湍流模型[6-7],并添加了與文獻[4]相同的38組分69步的異辛烷簡化機理[8]。燃燒模型選用渦耗散概念模型(EDC模型)，考慮了火焰?zhèn)鞑ヅc湍流運動的耦合作用[9]。NOx生成模型采用了“熱力型”生成機理。

2.2 燃燒模型的驗證

為了驗證模型的準確性，設(shè)置與文獻[4]相同的工況進行模擬，工況參數(shù)見表2。

表2 工況參數(shù)

本研究對上述汽油發(fā)動機進行三維仿真模擬，模擬結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，模擬值與試驗值的最大誤差小于15%，壓力峰值誤差小于5%，說明所建立的轉(zhuǎn)子發(fā)動機三維仿真模型能夠模擬真實汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機的工作過程。產(chǎn)生誤差的主要原因是模擬的過程中沒有考慮燃燒室的氣密性，且燃燒模型、湍流模型與復(fù)雜的轉(zhuǎn)子機的實際情況相接近，不可能完全相同。

圖3 缸內(nèi)平均壓力曲線的對比

3 模擬計算結(jié)果及分析

根據(jù)文獻[4]，模擬計算時選取點火時刻為-18°BTDC。由圖4看到，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，曲軸轉(zhuǎn)角從-54°BTDC到-18°BTDC，燃燒室內(nèi)的渦流不斷被擠壓，逐漸向單向流轉(zhuǎn)變，這與文獻[10-11]中得出的流場演變規(guī)律相似。由于單向流的原因，火焰很難向燃燒室后部傳播，進而燃燒室后部的未燃燒烴不能及時燃燒就排出缸外，不僅造成燃料浪費，而且污染環(huán)境。

為了設(shè)置合理的點火位置，以轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向定義點火位置的前與后，研究不同的點火位置對燃燒的影響。將Y軸坐標固定在56 mm，改變X軸和Z軸參數(shù)，擬定了4種點火位置(見表3)，點火位置示意見圖5。

圖4 不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)流場變化

方案方案一方案二方案三方案四位置aX1010-10-10Y-56-56-56-56Z-28-37．2-28-28位置bX10-10-10-10Y-56-56-56-56Z-46-46-46-46

圖5 4種點火位置示意

3.1 汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒過程及缸內(nèi)平均壓力分析

采用方案二時轉(zhuǎn)子發(fā)動機的缸內(nèi)壓力變化見圖6。從-100°BTDC至-18°BTDC為壓縮階段的變化趨勢，由于在該階段缸內(nèi)沒有燃燒，所以壓力隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動上升較緩慢。而從-18°BTDC至30°ATDC為點燃后的壓力升高階段，該階段分為2部分，即點火延遲期和速燃期[12]。通過點火延遲期的定義(即從著火開始至燃料中10%的熱量釋放時刻的時間)可得方案二的點火延遲期為-18°BTDC至5.76°ATDC，此時火焰核心剛剛形成，缸內(nèi)壓力隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動緩慢上升。5.76°ATDC至30°ATDC為速燃期階段，此時缸內(nèi)平均壓力升高率增加，直至達到壓力峰值；30°ATDC以后，發(fā)動機進入補燃期，在該階段隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，壓力逐漸降低。

圖6 方案二缸內(nèi)壓力變化趨勢

表4示出了4種方案下點火延遲期以及速燃期的對比。可以看出，方案一至方案四進入速燃期的階段均處于上止點后。方案二的點火延遲期最短，其原因是利用上止點附近缸內(nèi)燃料在燃燒室前后分布不同且集中于凹坑中的特點，該方案的火花塞正好處于凹坑軸線上，能點燃更多的燃料。方案一的延遲期最長，是因為火花塞處于燃燒室前部，點燃的是燃燒室前部少量的燃料。方案三、方案四速燃期雖長，但速燃期階段，燃燒室后部的燃料逐漸聚集于燃燒室前部，此時火花塞僅僅點燃了后部少量的燃料，未能達到最優(yōu)的點燃效果。

表4 4種方案的點火延遲期和速燃期

圖7示出了4種點火方案下的缸內(nèi)平均壓力的變化曲線。從圖7可知，不同點火方案對缸內(nèi)壓力影響較大。其中在速燃期階段，方案二與方案三的壓力升高率較大，方案四最小，導(dǎo)致4種方案缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)明顯差異，其中方案二壓力峰值最大，方案三與方案一次之，方案四最小。與文獻[4]中的轉(zhuǎn)子發(fā)動機的點火位置進行比較，方案二與方案三壓力峰值提升了9.5%和2.3%，方案四則減小了5%。4種點火方案的壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角基本上都處于25°～35°ATDC之間。

圖7 不同點火方案下的缸內(nèi)平均壓力變化

3.2 不同點火位置下汽油轉(zhuǎn)子機的缸內(nèi)溫度及火焰?zhèn)鞑シ治?/p>

圖8示出了4種方案下的缸內(nèi)平均溫度。不同方案在延遲期階段缸內(nèi)溫度的差別很小，在速燃期出現(xiàn)顯著的差別。方案二在速燃期階段溫度上升最快，同一曲軸轉(zhuǎn)角下4種方案缸內(nèi)的最大溫差可達到200 K。在補燃期階段溫差逐步縮小，最大溫差已不足70 K。

圖8 不同點火方案下的缸內(nèi)溫度

為了深入了解不同點火位置對速燃期階段影響，對比了上止點后7°ATDC及35°ATDC曲軸轉(zhuǎn)角下的火焰擴散形狀(見圖9)。

圖9 火焰擴散形狀對比

在7°ATDC時，4種方案均剛進入速燃期階段，處于燃燒室后部的火焰受燃燒室容積變小和單向流的影響，沿X軸方向的傳播速度大于火焰沿Z軸的速度，所以火焰呈現(xiàn)橢圓狀。而燃燒室前部，由于燃燒室容積逐漸變大使得流速減小，火焰沿X軸方向的傳播速度與火焰沿Z軸的速度差異不大，火焰近乎為圓形，但隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，著火面積出現(xiàn)不同的變化。在上止點前，方案一點火位置均處于燃燒室前部，此時燃燒室前部的空間狹小、流速大、燃料少，而且為單向流，對燃燒不利。上止點以后，燃料大量向燃燒室前部涌進，特別是在補燃期階段，方案一的點火方式卻成了有利的條件，相比其他點火方案，其火焰鋒面前沿較寬，能點燃更多的燃料，導(dǎo)致了溫度、壓力均比其他方案高。方案二在燃燒初期點燃凹坑中聚集燃料，該方案點火特點是火焰面積沿X軸最大，而到了補燃期階段，由于火焰鋒面前沿的寬度比方案一窄，所以燃燒速度稍差一些。方案三在速燃期階段，由于凹坑中仍有部分燃料沒被點燃，造成了速燃期階段燃燒速度較慢，壓力峰值也不如方案二大。方案四點火位置既沒點燃凹坑中密集的燃料，且速燃期階段其中一個點火位置處于燃燒室后部，最終使得方案四的點火效率最差。

3.3 不同曲軸轉(zhuǎn)角下燃料的消耗及NOx的生成

圖10示出了在不同曲軸轉(zhuǎn)角下4種方案消耗的C8H18質(zhì)量分數(shù)的變化情況。方案二在燃燒前期燃料消耗的最快，但是隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，方案一燃料消耗速度超過方案二，這與之前分析的4種方案燃燒速度相一致，體現(xiàn)了后置火花塞有利于燃料在補燃期階段的燃燒。

圖10 不同點火位置下已燃燃料的質(zhì)量分數(shù)

NOx的生成受溫度影響比較大，在燃燒溫度超過1 600 K時對熱力型NOx的生成影響較大，對燃料型NOx和快速型NOx的影響都比較小[13]，所以本研究也針對熱力型NOx進行分析。在補燃期階段4種點火方案最大溫差不足70 K，可知在補燃期階段，4種點火方案對NOx生成速率的影響逐漸減弱。圖11示出了4種點火方案下汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機NOx生成的模擬結(jié)果。在曲軸轉(zhuǎn)角為60°ATDC之前，方案三NOx的生成量最高，其次是方案二和方案一，方案四最小。方案三在燃燒室后部點火，在上止點附近，燃料在狹長的空間內(nèi)燃燒,流速大、空間小，燃燒環(huán)境惡劣，生成的NOx質(zhì)量分數(shù)最大。而方案四在60°ATDC后NOx質(zhì)量分數(shù)突然升高，主要原因是受方案四自身特點影響，補燃期階段火焰逐漸擴散到轉(zhuǎn)子凹坑，由于凹坑處的未燃燃料較多，所以此時燃燒速度明顯增大致使溫度驟升，導(dǎo)致NOx隨之增大。

圖11 不同點火位置下NOx質(zhì)量分數(shù)

4 結(jié)論

a) 對4種不同點火方案下的汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動機進行了模擬計算，方案二的點火位置選擇在燃燒室中軸線上，和轉(zhuǎn)子凹坑中心位置重合，在點燃后壓力升高階段的燃燒效率最優(yōu)，能獲取最大的功率且NOx生成量較少;

b) 由于補燃期階段4種方案的溫差逐漸縮小，降低NOx排放的關(guān)鍵在于降低速燃期的NOx的生成量，分析可得在燃燒室后部點火時，燃燒初期火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，壓力升高率快，但是受限于燃燒室后部燃料少的原因，壓力峰值不高，且NOx的生成量偏高；

c) 點火位置均位于燃燒室前部時，點火初期的壓力升高率小，壓力峰值偏小，但是燃料消耗率最大，NOx的生成量較低；

d) 點火位置位于燃燒中軸線兩側(cè)錯位排布時，燃燒效率低下導(dǎo)致對外做功能力最差，同時NOx的生成量稍高。

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[編輯： 姜曉博]

Influence of Ignition Position on Combustion Process of Gasoline Rotor Engine

PAN Jianfeng, HUANG Mingcai, FAN Baowei, PAN Zhenhua, HU Xiang, LU Yao

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China )

The turbulence and combustion models of gasoline rotor engine were established and 3D dynamic simulation on working process was conducted and verified with the experimental results. With the model, the influences of four kinds of ignition positions on in-cylinder pressure, temperature, flame propagation and NOxgeneration were calculated and analyzed. The results show that the ignition position on the chamber axis coinciding with rotor pit center can optimize the combustion and improve the power output. At the rear of the combustion chamber, the flame propagation speed and the pressure rise rate are higher, but less fuel injection leads to low pressure peak and high NOxemission. At the front of the combustion chamber, the combustion runs fast during the afterburning period, but the combustion efficiency cannot reach the optimal during the pressure rise period. When two spark plugs locate on both sides of the chamber axis, low combustion efficiency leads to the lowest pressure peak and higher NOxproduction. Generally, engine can output the highest power and produce relatively less NOxemission when conducting the ignition at the coordinates of (10 mm, -56 mm, -37.2 mm) and (-10 mm, -56 mm, -37.2 mm).

gasoline； rotor engine； combustion process； simulation； ignition position

2016-06-18；

2016-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51576093)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(201610299034Z)

潘劍鋒(1978—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為動力機械燃燒過程和燃燒系統(tǒng)研究；mike@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.011

TK45

B

1001-2222(2017)01-0059-06