燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響

祝傳艮，李研芳，劉志宇

中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400

0 引言

我國煤層氣(又稱煤礦瓦斯)資源十分豐富，煤層氣是儲(chǔ)存在煤層中的烴類氣體，主要成分為甲烷，為優(yōu)質(zhì)能源。近十幾年來，以煤層氣為燃料的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)(發(fā)電機(jī)組)在市場需求的推動(dòng)下獲得了大力發(fā)展，特別是能適應(yīng)低濃度煤層氣(甲烷的體積分?jǐn)?shù)低于30%)的大功率燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)更受青睞。但煤層氣熱值低且成分經(jīng)常變化，容易引起缸內(nèi)燃燒過程不穩(wěn)定，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生較大不良影響，因此，改善煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒過程、提高其對(duì)燃料變化的適應(yīng)性十分重要。

雖然針對(duì)低濃度煤層氣的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)研究較少，但燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方面的研究成果值得借鑒。改善缸內(nèi)燃燒的方法主要有：1)加大壓縮比，提高熱效率[1-2]；2)優(yōu)化進(jìn)氣道和燃燒室結(jié)構(gòu)，提高缸內(nèi)氣體流動(dòng)速度[3-7]；3)降低空氣過量系數(shù)，減小燃燒循環(huán)波動(dòng)率[8]；4)采用預(yù)燃室式的燃燒系統(tǒng)，提高點(diǎn)火能量[9]。

本文中以發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為研究對(duì)象，在壓縮比不變的前提下，優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，利用三維軟件 Converge數(shù)字解析工具[10-11]，分析不同燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒過程的影響。

1 建模

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

本文中研究的大功率煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)以低濃度煤層氣為燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為12，采用預(yù)燃室火花塞技術(shù)，增壓前將煤層氣和空氣混合，通過優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)提高燃燒效果。計(jì)算中將進(jìn)氣道內(nèi)氣體設(shè)定為煤層氣與空氣按固定比例混合均勻的可燃?xì)怏w。由于各地的低濃度煤層氣成分不完全相同，同一礦井在不同時(shí)間產(chǎn)生的煤層氣成分含量也會(huì)發(fā)生變化，本文中以山西某煤礦低濃度煤層氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 燃燒室模型

1.2.1 參數(shù)設(shè)置

燃燒仿真計(jì)算模型包括進(jìn)氣道、排氣道、活塞、氣門以及預(yù)燃室火花塞等零部件，按照煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)搭建的三維模型(上止點(diǎn)時(shí)刻)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)采用了2進(jìn)、2排的4氣門結(jié)構(gòu)；進(jìn)氣道為獨(dú)立雙進(jìn)氣道，一條為直進(jìn)氣道，另一條為切向氣道；排氣道為并聯(lián)式。預(yù)燃室火花塞位于氣缸蓋底平面中心位置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 燃燒計(jì)算三維模型 圖2 預(yù)燃室火花塞結(jié)構(gòu)

計(jì)算域包括進(jìn)氣道、排氣道和燃燒室；計(jì)算時(shí)間域包含進(jìn)氣門開啟到排氣門關(guān)閉時(shí)刻。網(wǎng)格劃分方式為基礎(chǔ)網(wǎng)格-自適應(yīng)網(wǎng)格-局部加密。具體網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置為：基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為8 mm×8 mm×8 mm，缸內(nèi)溫度和速度梯度各加密3級(jí)[12]；自適應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域包括進(jìn)氣道、氣缸和排氣道；氣門錐角處按局部加密4級(jí)方式處理，模型總網(wǎng)格數(shù)為172 000萬左右。

Converge軟件內(nèi)需要定義物理模型類型和參數(shù)[13-15]，模擬燃燒過程模型為RNGk-ε湍流模型、O′Rourke and Amsden傳熱模型、SAGE燃燒模型和能量源點(diǎn)火模型。

1.2.2 邊界條件

某煤層氣各主要成分的體積分?jǐn)?shù)分別為：甲烷為12%、氧氣為16%、氮?dú)鉃?8%、二氧化碳為4%；按過量空氣系數(shù)為1.6完成進(jìn)氣道、氣缸和排氣管等空間內(nèi)氣體成分定義；進(jìn)氣道入口、氣缸內(nèi)以及排氣道出口等邊界壓力和溫度來源于發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真計(jì)算結(jié)果，其中進(jìn)氣道入口壓力為280 kPa、溫度為320 K，排氣道出口壓力為260 kPa、溫度為900 K；計(jì)算始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為進(jìn)氣門開啟前5°，此時(shí)氣缸內(nèi)壓力為350 kPa、溫度為983 K。

1.2.3 模型驗(yàn)證

為確保燃燒仿真模型參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分的合理性，將試驗(yàn)測試缸壓曲線與仿真計(jì)算缸壓曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)與仿真計(jì)算缸壓對(duì)比曲線

由圖3可知：仿真計(jì)算缸壓曲線與試驗(yàn)測試缸壓曲線高度重合；試驗(yàn)峰值壓力為9.6 MPa，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為371.3°，仿真峰值壓力為9.3 MPa，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為370.9°，2曲線峰值壓力與位置基本相同。仿真模型搭建合理，可以用于計(jì)算。

2 燃燒室方案設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 方案設(shè)計(jì)

該發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的形狀為：缸蓋火力面為平面形狀，活塞頂也為平面形狀，活塞頂燃燒室凹坑采用淺盆形燃燒室結(jié)構(gòu)，周圍是圓柱形氣缸套。因此，在壓縮比一定的前提下，決定燃燒室結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)為活塞頂處的壓縮余隙H、坑口直徑d及坑底圓角半徑r，燃燒室結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 燃燒室參數(shù)簡圖

將壓縮余隙、坑口直徑及坑底圓角半徑3個(gè)參數(shù)作為變量，設(shè)計(jì)4種燃燒室方案，如表2所示。

表2 燃燒室方案 mm

2.2 計(jì)算結(jié)果

仿真計(jì)算得到4種燃燒室方案對(duì)應(yīng)的燃燒特征曲線如圖5所示。

a)缸壓與放熱率 b)缸內(nèi)平均溫度與累積放熱量

由圖5可知：方案4的瞬時(shí)放熱率峰值最高，累積放熱量最大，缸壓峰值最大；方案2的瞬時(shí)放熱率峰值最小，累積放熱量最少，缸壓峰值最低；方案1和3處于上述2個(gè)方案之間，方案1的燃燒性能稍微優(yōu)于方案3。因此，4種方案的燃燒性能從優(yōu)到劣順序?yàn)椋悍桨?、1、3、2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為探索燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒過程的具體影響，從燃燒特征參數(shù)及燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)、缸內(nèi)溫度場和缸內(nèi)流體速度場3方面進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 燃燒特征參數(shù)及燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)4種方案的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到的燃燒特征參數(shù)如表3所示,表中CA5、CA50、CA90分別為5%、50%和90%累積放熱量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，分別代表燃燒始點(diǎn)、燃燒重心和燃燒終點(diǎn)，CA5～CA90為燃燒持續(xù)期。

由表3可知：方案1、3、4的燃燒重心(CA50)相當(dāng)，方案2的燃燒重心相對(duì)滯后；方案4的燃燒持續(xù)期(CA5～CA90)最短，為44.2°；方案2燃燒持續(xù)期最長，比方案4多10°。

表3 燃燒特征參數(shù)對(duì)比 (°)

根據(jù)燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算4種方案對(duì)應(yīng)的凹坑容積和擠氣面積比，結(jié)果如表4所示。

表4 4種燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)比

由表4可知：壓縮余隙由小到大依次為方案4、1、3、2，與計(jì)算的4種方案燃燒性能優(yōu)劣排序相吻合；凹坑容積由小到大依次為方案2、3、1、4(與壓縮余隙大小排序相反)，說明減小壓縮余隙，可以縮短燃燒持續(xù)期，對(duì)促進(jìn)缸內(nèi)燃燒過程有利；擠氣面積比對(duì)提高缸內(nèi)擠流效果作用不明顯，可能是坑口直徑變化范圍過小導(dǎo)致的。

3.2 缸內(nèi)溫度

溫度場可以給出缸內(nèi)某時(shí)間、某區(qū)域的溫度分布，分析缸內(nèi)溫度場是研究內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的一種重要手段。不同曲軸轉(zhuǎn)角下4種方案的缸內(nèi)溫度場如圖6～10所示。

圖6 曲軸轉(zhuǎn)角為332°時(shí)4種方案的缸內(nèi)溫度場

圖7 曲軸轉(zhuǎn)角為342°時(shí)4種方案的缸內(nèi)溫度場

圖8 曲軸轉(zhuǎn)角為352°時(shí)4種方案的缸內(nèi)溫度場

圖9 曲軸轉(zhuǎn)角為392°時(shí)4種方案的缸內(nèi)溫度場

圖10 曲軸轉(zhuǎn)角為412°時(shí)4種方案的缸內(nèi)溫度場

由圖6～10可知：曲軸轉(zhuǎn)角為332°時(shí)，由預(yù)燃室噴向缸內(nèi)的火焰基本相同；342°時(shí)，缸內(nèi)溫度分布出現(xiàn)了差別，方案1、4基本相同，方案2的高溫區(qū)域所占面積最??；曲軸轉(zhuǎn)角為352°～392°，方案1、3、4燃燒室的高溫區(qū)域基本相同，但最高燃燒溫度不同，與缸內(nèi)平均溫度的變化趨勢(shì)相同，方案2的燃燒過程始終滯后，這是因?yàn)殡S著活塞繼續(xù)下行，燃燒室四周壁面處因氣流的擴(kuò)散作用較弱，火焰?zhèn)鞑ポ^慢，且存在一定的未燃區(qū)域；曲軸轉(zhuǎn)角為412°時(shí)，方案4中未燃區(qū)域最少，方案2、3未燃區(qū)域較多；4種方案中的未燃區(qū)均位于活塞頂與缸蓋底面之間的缸套壁面附近。分析認(rèn)為：壓縮余隙越大(缸內(nèi)形成擠流的能力下降)，燃燒速度相對(duì)降低，在相同的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，燃燒室內(nèi)未燃區(qū)域會(huì)增大。

3.3 缸內(nèi)流體速度

研究燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流體速度的目的是：點(diǎn)火初期，在火花塞電極周圍形成具有高湍動(dòng)能和較低動(dòng)能的氣體，保障火核穩(wěn)定發(fā)展；在火焰?zhèn)鞑r(shí)，缸內(nèi)氣體應(yīng)具有盡可能高的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)快速燃燒。曲軸轉(zhuǎn)角分別為352°、362°、382°時(shí)4種方案的缸內(nèi)流體速度云圖如圖11～13所示。

圖11 曲軸轉(zhuǎn)角為352°時(shí)4種方案的缸內(nèi)流體速度場

圖12 曲軸轉(zhuǎn)角為362°時(shí)4種方案的缸內(nèi)流體速度場

圖13 曲軸轉(zhuǎn)角為382°時(shí)4種方案的缸內(nèi)流體速度場

由圖11～13可知：上止點(diǎn)前，方案1、2、3的氣流由四周壁面向氣門位置匯集，而方案4的氣流明顯向中心位置(火花塞)匯集；隨著活塞下行，方案1、2、3的缸內(nèi)氣體流動(dòng)發(fā)生了變化，氣流出現(xiàn)由中間向四周壁面運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；而方案4中氣流繼續(xù)向中心位置匯集；燃燒后期，方案1和3的氣流運(yùn)動(dòng)相對(duì)減弱，方案2中的氣流不但出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)相對(duì)減弱且不均勻，方案4中的氣流仍然保持前面的運(yùn)動(dòng)特征。由此可見，方案4中氣流由四周向中心位置的運(yùn)動(dòng)對(duì)促進(jìn)缸內(nèi)燃燒有重要作用。這種流動(dòng)效果是由活塞上行時(shí)因強(qiáng)烈的擠流形成的，減小壓縮余隙可以提高缸內(nèi)擠流運(yùn)動(dòng)；坑底圓角半徑越大，缸內(nèi)氣體流向中心位置的趨勢(shì)越差，不利于提高燃燒速度。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)4種燃燒室方案的仿真計(jì)算和對(duì)比，壓縮余隙最小的設(shè)計(jì)方案燃燒性能相對(duì)較好。

2)通過對(duì)比燃燒特征參數(shù)、缸內(nèi)溫度場和速度場可知，決定燃燒室結(jié)構(gòu)形狀的3個(gè)參數(shù)中，壓縮余隙對(duì)燃燒性能的影響最大；小范圍內(nèi)優(yōu)化坑口直徑對(duì)燃燒性能的影響相對(duì)不明顯；增大坑底圓角半徑不利于提高缸內(nèi)氣流的流動(dòng)，對(duì)燃燒過程不利。

3)壓縮余隙對(duì)燃燒室內(nèi)未燃區(qū)體積有影響，壓縮余隙越大，未燃區(qū)越大，應(yīng)盡可能地降低壓縮余隙。