直噴天然氣發動機稀薄燃燒特性的仿真試驗

黃 丫，林學東，李德剛，顧靜靜，侯玉晶

(吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春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，作為一種車用代用燃料被廣泛應用［1］。但是由于天然氣為氣體燃料，在進氣道噴射時占一定的體積，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展需求，基于柴油機壓燃模式的缸內直噴稀薄燃燒技術已成為車用發動機的發展趨勢，但由于天然氣自燃點高，所以國內外就用柴油引燃天然氣時的燃燒特性［3-4］以及缸內氣流特性等對天然氣燃燒過程的影響因素進行研究［5-6］。但是關于缸內直噴CNG 發動機稀薄燃燒機理方面的研究甚少。

本文結合在缸內直噴CNG 光學試驗樣機上組織稀薄燃燒過程中火焰傳播特性的可視化試驗研究的結果，基于CFD 專用軟件FIRE 對CNG 燃料缸內直噴時的微觀物理場及其分布特性進行了仿真計算，由此分析研究了不同噴射方式和點火方式對缸內混合氣形成和燃燒過程中濃度場和溫度場及其瞬態變化特性的影響，以及這種微觀的物理場變化特性對火焰傳播特性和NOx生成規律的影響，為實現高效率、低排放的穩定稀薄燃燒過程探索有效途徑。

1 研究條件及方法

1.1 試驗條件

樣機為單缸、4 沖程、點燃式，缸徑135 mm，行程280 mm，排量4.0 L，壓縮比6.13。圖1 為觀測火焰傳播特性的光學發動機試驗測試系統布置圖。為了分析不同噴射方式和不同點火方式對火焰傳播特性的影響，在氣缸蓋頂部(如圖2 所示)布置了2 個噴油器和2 個火花塞，進排氣系統設在氣缸蓋的側面，因此燃燒室余隙容積較大，壓縮比較低，只有6.13。受樣機結構特點的限制其使用轉速偏低(200 r/min)，但這不影響火焰傳播機理的基礎研究。表1 為試驗用天然氣的主要成分。

圖1 光學發動機試驗臺布置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數Table 1 Main composition fraction of CNG %

進氣渦流強度是通過進氣口軸線相對氣缸中心的偏心量來調節的，根據發動機轉速低的特點，將進氣渦流強度調節到sw=6.0。在試驗過程中采用旋流式噴射器，噴射壓力固定在5 MPa 左右。火焰傳播過程是通過CCD 高速攝像機以563 幅/s 的速度連續拍攝的。為了分析燃燒過程，同時制取了示功圖，每個工況下測10 次缸壓后進行平均化處理。采用日本島津制造所生產的NDA-7000 型NOx測量儀來測量NOx排放量。

1.2 仿真條件及驗證

根據CNG 樣機燃燒室為簡單的凹坑型結構的特點，采用一個圓柱形模型，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 自動生成網格，如圖3 所示。

在實際工作過程中氣缸容積隨活塞的位移發生變化，所以把進氣下止點到做功沖程下止點期間，劃分成4 層不同的網格: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 層網格;壓縮上止點(360°CA)附近350°CA 到370°CA 期間采用10 層網格。然后利用Fame engine 建立動網格。

圖3 計算網格模型圖Fig.3 Model diagram of computational grids

作為計算邊界條件，令氣缸入口處氣流狀態為均勻，令其壓力為0.9×105Pa，溫度為350 K;活塞頂面作為移動邊界，其溫度設定為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。計算模型選用標準k-ε模型、Enable 湍流擴散模型以及PDF燃燒模型。

圖4 為當量比φ=0.93、雙點點火時刻(θi1，θi2)=(－4，－3)°CA、兩個噴射器同時噴射，噴射時刻θinj=－120°CA 時，放熱規律和火焰傳播速度的實測值與仿真計算結果的對比情況。取決于火焰傳播速度的放熱率平均變化率(放熱率峰值與其對應的曲軸轉角位置之比)的試驗結果與仿真結果的相對誤差Δq 為:

圖4 仿真與試驗結果對比Fig.4 Comparison between numerical and test results

式中:q實測(或q仿真)=(dQ/dθ)max/Δθ，Δθ=θ2－θ1;θ2為分別與實測或仿真的放熱率峰值(dQ/dθ)max對應的曲軸轉角;θ1為分別與實測或仿真的總放熱量的5%所對應的曲軸轉角。

由此表明仿真計算結果與試驗結果吻合良好。

2 試驗結果及分析

2.1 噴射方式對火焰傳播特性的影響

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

表2 噴射方式對混合氣形成時間的影響Table 2 Influence of injection mode on mixture formation process

2.1.1 當量比對燃燒特性的影響

當噴射時刻為－120°CA、點火時刻(θi1，θi2)為(－4，－3)°CA 時，噴氣量(用平均當量比φ表示)對火焰傳播特性的影響如圖5 所示。由表2 可見，當φ 增大時，噴射脈寬增加，相對一定的噴射時刻，混合氣形成時間Δt 縮短。特別是當φ=0.93 時，Δt=－3.3 ms，表明點火時刻噴射過程仍沒有結束，因此在氣缸內形成更大的混合氣濃度梯度，使火焰傳播速度加快，放熱速率及其峰值明顯提高，燃燒持續期縮短(見圖6);而且如圖7 所示，平均指示壓力pmi隨當量比呈線性增加，燃燒過程更加穩定，NOx排放量也明顯降低。與φ=0.70 時相比較，當φ=0.93 時pmi約增加了30.7%，用pmi的標準偏差表示的循環變動量σ 降低了50%，NOx排放量也降低了63%。

圖5 當量比對火焰傳播特性的影響Fig.5 Influence of equivalence ratio on flame propagation

圖6 當量比對燃燒過程的影響Fig.6 Influence of equivalence ratio on combustion process

圖7 當量比對發動機性能的影響Fig.7 Influence of equivalence ratio on engine performance

圖8 為在組織稀薄燃燒過程中當量比對NOx生成規律的影響。如前所述，火焰傳播速度取決于混合氣濃度場的分布特性，而缸內溫度場又依賴于燃燒過程及其瞬態燃燒過程中釋放的熱量。因此在366°CA 之前的火焰傳播初期(見圖5)火焰傳播面積較小，燃燒釋放的熱量少，缸內溫度較低，所以基本不發生NO 的生成反應;當超過370°CA 以后，火焰在不同當量比下先后在整個燃燒室內傳播完畢。但當當量比增加時，缸內建立更大的混合氣濃度梯度，所以火焰傳播速度加快，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(見圖8)。但是隨著當量比的增加，NO 形成的反應持續時間較短，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的變化規律，而且還與混合氣濃度場的分布特性有關。而溫度場的建立及其變化規律又取決于火焰傳播特性，但相對火焰傳播滯后。所以依賴于溫度的熱力NO 不可能在火焰帶上形成，而是生成于火焰傳播之后的高溫富氧區。

圖8 當量比對NO 生成規律的影響Fig.8 Influence of equivalence ratio on the formation of NO

2.1.2 噴射定時對燃燒特性的影響

為了分析不同濃度場對CNG 發動機稀薄燃燒過程的影響，在平均當量比φ=0.70，點火時刻(θi1，θi2)=(－4，－3)°CA，兩個噴油器同時噴射時，不同噴射時刻對混合氣濃度場及其瞬態變化特性和火焰傳播速度的影響進行了仿真計算分析，結果如圖9 所示。

如表2 所示，當推遲噴射時刻(如－90°CA)時，混合氣形成時間Δt 變短，所以在缸內形成更大的混合氣濃度梯度(見圖9(a))，使火焰傳播速度加快(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，推遲噴射時刻時，在平均指示壓力基本保持不變的條件下，稀薄燃燒更加穩定，但NOx排放量有所增加。圖11 表明在噴氣量和點火時刻相同的條件下，當噴射時刻為－180°CA 時，不同噴射方式對發動機性能的影響。

與兩個噴射器同時噴射相比，只用一個噴射器噴射時，噴射持續時間將增加一倍，所以混合氣形成時間Δt 縮短，從而形成濃度梯度更大的混合氣，因此如圖11 所示稀薄燃燒更穩定(σ 減小)。特別是安裝在離火花塞1 更近的噴油器2 獨立噴射時，在火花塞1 附近形成濃度梯度更大的混合氣，所以火焰傳播速度更快，循環變動(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對稀薄燃燒穩定性、火焰傳播特性以及NOx的生成規律都有直接的影響。

為了分析NO 的生成規律，研究了不同噴射時刻對濃度場、溫度場以及NO 反應速率的影響，結果如圖12 所示。當推遲噴射時刻時，缸內形成的混合氣濃度梯度增加，從而加快火焰傳播速度，導致缸內溫度快速上升，形成較大的溫度梯度，最高溫度也升高，因此NO 的形成時刻提前，而且NO 生成速率也明顯提高，導致NO 生成量增加。同時，在這種基于混合氣濃度場梯度分布的稀薄燃燒過程中，將燃燒室空間按濃度場可劃分為濃區和稀薄區，按溫度場劃分為高溫區和低溫區，這樣NO 主要形成于混合氣濃度和溫度適當的環帶區。在濃區雖溫度高但缺氧，所以不產生NO;反之在稀薄區雖富氧但溫度較低同樣也不能產生NO。而在NO 生成的環帶上，根據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傳播速度和NOx生成速率的關鍵。

圖9 噴射時刻對濃度場及火焰傳播速度的影響Fig.9 Influence of injection time on the in cylinder equivalence ratio and flame propagation velocity

圖10 噴射時刻對燃燒過程的影響Fig.10 Influence of injection time on combustion process

圖11 噴射時刻對發動機性能的影響Fig.11 Influence of injection time on engine performance

圖12 噴射時刻對NO 生成規律的影響Fig.12 Influence of injection time on the formation of NO

2.2 點火方式對燃燒特性的影響

2.2.1 火焰傳播機理

當φ=0.70、θinj= －120°CA、兩個噴油器(Inj1和inj2)同時噴射時，不同點火方式對火焰傳播特性的影響如圖13 所示。相對單點噴射(－7，x)方式，采用雙點噴射時，火焰傳播速度明顯加快，所以放熱速率提高，燃燒持續期縮短，有利于改善燃燒熱效率(見圖14)。當雙點點火的時刻不同時，對火焰傳播特性的影響更明顯，而且火焰傳播機理也不同。如圖15 所示，在單點點火時火焰傳播速度取決于缸內氣流速度和火焰帶上的燃燒反應速度，其中氣流速度對火焰起牽引作用(見圖15(a));當雙點同時點火時，兩個火花塞同時跳火形成火焰中心后，缸內氣流對兩個火焰的牽引作用以及兩個火焰傳播速度基本相同(見圖15(b));但當兩個火花塞非同時點火時，首先點火形成的火焰1 受氣流的牽引作用而傳播的過程中受到后續點火而形成的火焰2 的推動作用被加速。后續點火的火焰2 在傳播時受到火焰1 的擠壓作用，使其傳播速度受到限制，反而形成壓力場。這一壓力場對火焰1 的傳播起推動作用(見圖15(c))，因此促進火焰快速傳播。

圖13 點火方式對火焰傳播特性的影響Fig.13 Influence of ignition mode on flame propagation

圖14 點火方式對燃燒過程的影響Fig.14 Influence of ignition mode on combustion process

圖15 點火方式對火焰傳播特性的影響Fig.15 Influence of ignition mode on flame propagation

2.2.2 點火方式對NO 生成規律的影響

圖16 為點火方式對缸內混合氣濃度場、溫度場以及NO 生成速率的影響。由此表明點火方式對混合氣濃度場及其變化規律的影響不大(見圖16(a))，但是如圖13 所示，不同點火方式對火焰傳播速度及其變化規律的影響較大，因此導致缸內溫度場及其變化規律不同(見圖16(b))。所以對于一定的混合氣濃度梯度分布，根據溫度場及其變化特性，造成環帶形NO 生成區的變化規律(見圖16(c))。這就是說，點火方式主要是通過改變瞬態溫度場的分布特性來影響NO 的生成規律。

圖16 點火方式對NO 生成規律的影響Fig.16 Influence of ignition mode on the formation of NO

圖17 為在點火時刻為(－4，－3)時，當曲軸轉角位置為371 ℃A 時刻NO 生成速率最大的局部區域所對應的濃度和溫度條件。由此可觀察到使NO 生成速率最大的區域是在溫度超過2300 K，當量比為0.8 ～1.6 時所形成的。

圖18 為點火方式對發動機性能的影響，由此表明通過雙點點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定性，而且相對單點點火，通過推遲雙點點火時刻，在動力性和經濟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 點火方式對發動機性能的影響Fig.18 Influence of ignition mode on engine performance

3 結 論

(1)濃度場的控制是缸內直噴CNG 發動機實現穩定的稀薄燃燒過程的關鍵;可通過當量比和噴射時刻優化控制混合氣的形成時間來實現。

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

(3)溫度場的建立依賴于濃度場，但相對火焰傳播滯后，所以與溫度密切相關的熱力NO 是在火焰傳播滯后的高溫富氧區生成，而與混合氣濃度密切相關的快速NO 形成于溫度較高的火焰區;混合氣濃度梯度越大，火焰傳播速度越快，稀薄燃燒越穩定。

(4)通過雙點非同時點火方式，在第1 火焰傳播的速度場，用后續點火而形成的第2 火焰建立壓力場，從而可以有效提高第1 火焰的傳播速度。

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