當(dāng)量比對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力及排放性能的影響

黃丫，林學(xué)東，張福君，喻莉娟

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012;2.吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022)

隨著全球石油資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，汽車(chē)工業(yè)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整已勢(shì)在必行，儲(chǔ)量更大、價(jià)格更低、污染更小的壓縮天然氣(CNG)是目前技術(shù)上最為成熟的內(nèi)燃機(jī)代用氣體燃料[1-2]。近年來(lái)，為提高動(dòng)力性、降低排放，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其中基于CNG著火界限寬有利于稀燃特點(diǎn)的缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)被認(rèn)為是最具有前景的技術(shù)之一[3]。采用缸內(nèi)直噴供氣技術(shù)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃極限范圍廣，更有易于實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，在稀薄燃燒狀態(tài)下，充足的空氣可以提高燃燒終了時(shí)混合氣的絕熱系數(shù)，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，并且充分的燃燒還可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放。在缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動(dòng)機(jī)中，當(dāng)量比作為進(jìn)入氣缸混合氣濃度的最直觀參數(shù)，對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的壓力、溫度和燃燒速度產(chǎn)生直接影響，因此確定最佳當(dāng)量比是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行后續(xù)性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。

目前，大部分對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力及排放性能的研究工作都是基于樣機(jī)試驗(yàn)完成的，不僅成本較高，并且只能對(duì)某一個(gè)物理量的演化過(guò)程進(jìn)行分析，不能反映CNG燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)各個(gè)物理場(chǎng)的分布特性隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，因而很難揭示出發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)CNG燃燒過(guò)程和燃燒排放性能影響的內(nèi)在機(jī)理[4]。隨著描述發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃料噴射和燃燒過(guò)程的流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和傳熱學(xué)模型的建立，利用計(jì)算機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程成為可能[5-7]，通過(guò)仿真可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的混合氣濃度分布、湍動(dòng)能分布、火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程、溫度分布以及燃燒產(chǎn)物生成速率分布等進(jìn)行準(zhǔn)確的分析預(yù)測(cè)，進(jìn)而從微觀三維物理場(chǎng)的角度研究發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)其動(dòng)力及排放性能的影響。

本研究針對(duì)采用缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，利用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fire，仿真研究當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱特性的影響，將計(jì)算機(jī)仿真得到的氣缸內(nèi)各種三維物理場(chǎng)與樣機(jī)試驗(yàn)得到的放熱率、缸壓等二維曲線有機(jī)地綜合起來(lái)，提出了通過(guò)優(yōu)化當(dāng)量比提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性并降低NO排放的方案，可為實(shí)際缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 CNG試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)

仿真試驗(yàn)基于缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行，其燃燒室為簡(jiǎn)單的凹形。在試驗(yàn)樣機(jī)活塞頂部設(shè)有觀測(cè)窗，可以以563 幀/s的速度用CCD攝像機(jī)記錄氣缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑デ闆r，從而實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的仿真與試驗(yàn)對(duì)比。缸內(nèi)直噴CNG試驗(yàn)樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。在仿真和試驗(yàn)中所采用的CNG主要成分：CH4占85.45%；C2H6占4.51%；C3H8占3.39%；C4H10占3.71%；N2占2.94%。

缸內(nèi)直噴CNG試驗(yàn)樣機(jī)氣缸內(nèi)噴油器和火花塞的位置見(jiàn)圖1。氣缸蓋頂部垂直布置了2個(gè)間隔為80 mm的旋流式噴射器，其最高噴射壓力為7 MPa，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定為5 MPa，噴油時(shí)能夠盡可能形成混合氣的梯度分布。兩火花塞安裝在氣缸蓋側(cè)面，點(diǎn)火針距離氣缸側(cè)壁22.5 mm。仿真時(shí)氣缸內(nèi)各物理場(chǎng)的三維分布取自?xún)蓢娪推髦行奈恢锰幍臍飧卓v截面。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 噴射器及火花塞布置

2 試驗(yàn)樣機(jī)仿真模型及其試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)的凹形燃燒室，仿真時(shí)直接采用圓柱形模型，然后利用Fire的FAME Engine建立發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的動(dòng)網(wǎng)格。由于氣缸內(nèi)的容積隨曲軸轉(zhuǎn)角變化，而不同容積所需的仿真精度不同，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)要根據(jù)不同工作狀態(tài)下的仿真精度需求將氣缸分出不同層數(shù)(見(jiàn)圖2)。壓縮過(guò)程初期和膨脹過(guò)程后期采用60層網(wǎng)格，壓縮過(guò)程中期和膨脹過(guò)程中期采用45層網(wǎng)格，壓縮過(guò)程后期和膨脹過(guò)程初期采用30層網(wǎng)格，壓縮上止點(diǎn)附近區(qū)域采用10層網(wǎng)格，其中燃燒室的網(wǎng)格保持不變。

圖2 仿真模型網(wǎng)格劃分

建立試驗(yàn)樣機(jī)仿真模型后，還要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)確定仿真初始條件。受光學(xué)試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)限制，其轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min。氣缸進(jìn)氣壓力和溫度分別為75.55 kPa和323 K，初始渦流強(qiáng)度為1 200 r/min，由進(jìn)氣門(mén)最大升程決定的湍流長(zhǎng)度尺度為3.1 mm；根據(jù)行程和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出的活塞平均速度為1.867 m/s，據(jù)此得到湍流波動(dòng)速度為1.12 m/s，則初始湍動(dòng)能為1.88 m2/s2。設(shè)壓縮上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為360°，則兩火花塞的點(diǎn)火時(shí)刻分別為356°和357°曲軸轉(zhuǎn)角。

仿真邊界條件由試驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果確定，活塞頂面、氣缸壁和氣缸蓋底面的溫度分別為373 K，323 K和373 K。另外，仿真時(shí)間步長(zhǎng)也需要謹(jǐn)慎選擇，步長(zhǎng)太大影響仿真精度，步長(zhǎng)太小則會(huì)極大地增加仿真的運(yùn)算量，所以應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的不同階段分別設(shè)置。噴油和燃燒階段采用的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.5°，壓縮和膨脹階段采用的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1°。

為驗(yàn)證燃燒過(guò)程仿真模型的正確性，將上述仿真模型的仿真計(jì)算結(jié)果與光學(xué)CNG試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相比較，其間相對(duì)誤差小于4.5%，說(shuō)明所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型、仿真參數(shù)及其仿真結(jié)果符合試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際工作情況，因此仿真分析具有實(shí)際參考意義。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響

當(dāng)量比是一定燃料實(shí)際燃燒反應(yīng)的空燃比與恰好完全燃燒時(shí)的空燃比的比值，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排量一定時(shí)，其在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)吸入空氣量一定，則當(dāng)量比完全取決于CNG噴氣量，噴氣量越大當(dāng)量比越高。研究主要針對(duì)稀燃情況下當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，因此當(dāng)量比試驗(yàn)范圍從0.6到1.0以0.02為步長(zhǎng)進(jìn)行仿真。

平均指示壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)燃燒過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的綜合反映，平均指示壓力越高說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性越強(qiáng)。當(dāng)量比對(duì)平均指示壓力的影響見(jiàn)圖3。由圖可知，隨著當(dāng)量比的增大，平均指示壓力也隨之單調(diào)增加，說(shuō)明在稀燃條件下，CNG噴氣量越大發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性越好。但當(dāng)量比越大平均指示壓力的變化率越小，曲線越平，說(shuō)明通過(guò)增大當(dāng)量比提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的效力越來(lái)越低。

圖3 當(dāng)量比對(duì)平均指示壓力的影響

圖4示出在0.7，0.76，0.82，0.88和0.94五種當(dāng)量比條件下，示功圖的變化情況。示功圖是氣缸內(nèi)平均壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線，它能反映出比平均指示壓力更多的信息。由圖可知，當(dāng)量比越大，缸內(nèi)壓力最大值越高，且該最大值所處的曲軸轉(zhuǎn)角位置越接近壓縮上止點(diǎn)，說(shuō)明火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性越好。當(dāng)量比對(duì)燃燒放熱率的影響見(jiàn)圖5，與其對(duì)示功圖的影響相對(duì)應(yīng)，在當(dāng)量比小于1的稀薄區(qū)域，隨著當(dāng)量比的增加，燃燒放熱速率的峰值明顯提高，且峰值所處曲軸轉(zhuǎn)角越靠近上止點(diǎn)。

圖4 當(dāng)量比對(duì)示功圖的影響

圖5 當(dāng)量比對(duì)燃燒放熱率的影響

氣缸內(nèi)各種三維物理場(chǎng)的相互作用是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性變化的內(nèi)在因素。在0.7，0.82和0.94三種當(dāng)量比條件下，通過(guò)濃度場(chǎng)和湍動(dòng)能場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化可以明顯看出，當(dāng)燃料以5 MPa的噴射壓力高速?lài)娙霘飧讜r(shí)，在噴孔的節(jié)流作用以及缸內(nèi)空氣阻力的作用下，燃料束產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流和擾動(dòng)并向燃燒室內(nèi)空氣擴(kuò)散。尤其是點(diǎn)火時(shí)刻(356°)氣缸內(nèi)的濃度場(chǎng)和湍動(dòng)能場(chǎng)對(duì)點(diǎn)火后的稀薄火焰?zhèn)鞑デ闆r起到了決定性的作用(見(jiàn)圖6)。在兩火花塞附近三種當(dāng)量比對(duì)應(yīng)的混合氣濃度和湍動(dòng)能見(jiàn)表2。

圖6 點(diǎn)火時(shí)刻氣缸內(nèi)濃度場(chǎng)和湍動(dòng)能場(chǎng)

當(dāng)量比火花塞2局部當(dāng)量比湍動(dòng)能/m2·s-2 火花塞1局部當(dāng)量比湍動(dòng)能/m2·s-20．70．7160．575 0．8810．5450．820．8040．676 0．9210．6140．940．9340．939 0．9710．849

由表2可知，當(dāng)量比越大，點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近的CNG濃度越高，且湍動(dòng)能越大。在火花塞打火后，一旦形成火焰中心，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快(見(jiàn)圖7)，缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率最大值的出現(xiàn)位置提前，平均指示壓力升高，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性得到提高。

圖7 當(dāng)量比對(duì)火焰場(chǎng)的影響

3.2 當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NO生成量的影響

當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放的影響見(jiàn)圖8。當(dāng)量比從0.6開(kāi)始逐漸增大時(shí)，NO排放隨之增加，在0.82附近達(dá)到最大值，其后NO排放隨著當(dāng)量比的增加而遞減。形成這種現(xiàn)象的根本原因在于火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)后，局部濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布特性。在CNG發(fā)動(dòng)機(jī)中生成NO的途徑主要有兩個(gè)：一是在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中參與燃燒空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)等反應(yīng)而生成的快速型NO；二是在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)后氣缸內(nèi)處于高溫富氧區(qū)空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸纬傻臒崃π蚇O。這兩種NO的生成條件均與氣缸內(nèi)各點(diǎn)處的溫度和混合氣濃度有關(guān)[8-10]。

圖8 當(dāng)量比對(duì)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖9示出在0.7，0.82，0.94三種當(dāng)量比條件下氣缸內(nèi)NO生成速率場(chǎng)的變化情況。在當(dāng)量比為0.7時(shí)，NO主要生成于373°～376°火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)后的高溫富氧區(qū)，屬于熱力型NO。由于火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，氣缸?nèi)的平均指示壓力和燃燒放熱率低，導(dǎo)致溫度場(chǎng)中各點(diǎn)的溫度均較低，因此NO生成速率和生成面積小，總的NO生成量不大。在當(dāng)量比為0.94時(shí)，NO主要生成于367°～370°的火焰?zhèn)鞑^(qū)，屬于快速型NO，但因溫度場(chǎng)的建立較火焰?zhèn)鞑ビ幸欢ǖ难舆t，所以火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中氣缸內(nèi)的溫度還不足以生成大量的NO，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)后的高溫區(qū)內(nèi)，又由于缸內(nèi)混合氣濃度太高、含氧量太低不滿(mǎn)足熱力型NO的生成條件，因此總體上當(dāng)量比為0.94時(shí)NO生成量也不大。在當(dāng)量比為0.82時(shí)，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中溫度升高較快，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)后的高溫區(qū)內(nèi)混合氣濃度適中，因此367°～376°的范圍內(nèi)均有NO大量生成，從而導(dǎo)致當(dāng)量比為0.82時(shí)NO生成量最高。由此可知，缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動(dòng)機(jī)NO生成量取決于點(diǎn)火后氣缸內(nèi)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布變化情況，只有在溫度場(chǎng)中溫度大于2 400 K且在濃度場(chǎng)中當(dāng)量比處于0.72～1.26范圍內(nèi)的環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)NO才能夠大量生成。

圖9 當(dāng)量比對(duì)NO生成速率的影響

4 結(jié)論

a) 在缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣缸內(nèi)混合氣濃度的瞬態(tài)分布特性和氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了稀薄火焰的傳播特性；在稀燃(當(dāng)量比小于1)條件下，適當(dāng)?shù)靥岣弋?dāng)量比可縮短混合氣形成時(shí)間，提高點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)火花塞附近混合氣濃度和氣流的湍動(dòng)能，從而加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高氣缸?nèi)的燃燒壓力和燃燒放熱速率，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性得到提升；

b) 氣缸內(nèi)的NO生成速率取決于溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的瞬態(tài)分布，只有在溫度場(chǎng)中溫度大于2 400 K且在濃度場(chǎng)中當(dāng)量比處于0.72～1.26范圍內(nèi)的環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)NO才能夠大量生成；

c) 在當(dāng)量比較小時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，燃燒放熱速率降低，使得缸內(nèi)溫度較低，不利于NO生成；在當(dāng)量比處于0.82附近時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)較快，缸內(nèi)溫度升高，氣缸內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)適中，導(dǎo)致NO生成的反應(yīng)速率激增，NO生成量也最大；在當(dāng)量比大于0.82小于1的范圍內(nèi)，隨著當(dāng)量比的增大，雖然缸內(nèi)溫度提高，各曲軸轉(zhuǎn)角位置下的高溫區(qū)域擴(kuò)大，但由于快速燃燒后火焰帶后高溫區(qū)產(chǎn)生的已燃產(chǎn)物增加，使得高溫區(qū)的氧濃度不足，反而引起NO生成量急劇下降；

d) 對(duì)于缸內(nèi)直噴稀燃CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)量比宜設(shè)置在0.9～1之間，這樣既有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，也有利于減少NO排放。

[1] 徐恒，盧占領(lǐng)，楊秀玲.汽油/CNG發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性對(duì)比研究[J].汽車(chē)零部件，2016(4)：33-35.

[2] 唐為義.汽油-壓縮天然氣(CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)Ⅴ排放標(biāo)定匹配研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2016，33(1)：10-13.

[3] 姜士陽(yáng).天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)理論空燃比與稀燃對(duì)比研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010(10)：195-198.

[4] 周立迎，徐富水，羅福強(qiáng).缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程測(cè)量分析[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014(4)：83-88.

[5] 江冰，武昭暉，何云堂.CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室形狀對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒特性的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(1)：338-344.

[6] 黎明，孫霞，鄭清平，等.點(diǎn)燃式CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2016，22(5)：475-479.

[7] 柏瑩，黎蘇，白巴特爾.CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)優(yōu)化分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2015，32(3)：52-56.

[8] Mohamad T I,Geok H H.Combustion characteristics of compressed natural gas in a direct microchannel-injection engine under various operating conditions[J].Applied Mechanics and Materials,2013，315:793-798.

[9] 林學(xué)東，黃丫，袁芳恩.缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動(dòng)機(jī)噴射方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦约靶阅艿挠绊慬J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30(5)：440-445.

[10] Mohd Ali M F,Manshoor B,Kidoguchi Y,et al.Distribution of two-stage direct injection CNG-air mixture near lean limit using CFD[J].Applied Mechanics and Materials,2014，465:448-452.