大缸徑天然氣發動機不同壓縮比的燃燒仿真分析

汪亞芳

摘 要：建立了大缸徑天然氣發動機三維仿真模型，研究分析壓縮比分別為10.5和11對發動機性能的影響。對比分析仿真結果可知：隨著壓縮比的升高，天然氣發動機的最大缸壓值增加，指示燃油消耗率下降了；同時壓縮比增加，改善了燃燒過程，火焰傳播速率加快，縮短了燃燒持續期。

關鍵詞：天然氣發動機；壓縮比；燃燒；發動機性能

大多數天然氣發動機都是由汽油機或柴油機改裝而來的 [1，2]。為了進一步分析不同壓縮比對大缸徑天然氣發動機性能影響規律，本文借助于AVL-Fire軟件分別建立壓縮比10.5、11的天然氣發動機三維模型，對燃燒過程進行仿真分析，通過對比結果，為進一步優化設計提供理論依據。

1 三維模型的建立和驗證

（1）三維仿真模型的建立。本研究所采用發動機是一臺六缸、直列、水冷、四沖程的天然氣發動機，壓縮比為10.5。將三維模型轉換為STL格式導入AVL-Fire中，借助于AVL-Fire中的FEP模塊進行動網格劃分。圖1即為動網格劃分過程中計算模型的體網格。

（2）模型驗證。為了驗證模型的準確性，在轉速為1000r/min，點火提前角為28°CA 的試驗工況條件下對模型進行驗證，將該工況條件下的模擬缸壓值和試驗值進行對比，如圖2所示。兩者最大缸壓值的誤差小于5%，誤差在允許范圍內。因此可以以此模型為基礎進行不同壓縮比對大缸徑天然氣發動機燃燒過程影響的分析。

2 不同壓縮比活塞的設計

原機的壓縮比ε=10.5，通過改變活塞頂隙的方法來改變壓縮比，以此保證燃燒室的形狀沒有改變。新的壓縮比ε=11。

3 模擬結果分析

（1）壓縮比對發動機性能影響的分析。如圖3即為不同壓縮比的缸壓對比圖。ε=11時最高缸壓明顯大于ε=10.5時最高缸壓值，說明壓縮比增大，燃燒速度加快，缸壓有較大幅度增加。一方面是因為壓縮比增加導致在壓縮終點時壓力和溫度升高，點火燃燒后缸內峰值壓力會相應增加；另一方面由于壓縮比增加，缸內燃燒速度加快，缸內最高燃燒壓力也會增加[3-5]。

對比分析兩者的指示燃油消耗率可知，當ε=11時，指示燃油消耗率較ε=10.5時下降了5%。由此可知壓縮比增加，天然氣發動機燃油經濟性得到一定改善。

（2）壓縮比對燃燒過程的影響。計算所采用的發動機是火花點火式發動機，點燃包含著局部著火和火焰傳播。其中火焰由一點向四周擴散的過程就是溫度場發生變化的過程[6]。圖4可以明顯觀察到，在火焰傳播的過程中隨著壓縮比增加，其火焰半徑大，傳播速度快，燃燒速度增快。

4 結論

建立了大缸徑天然氣發動機三維仿真模型，研究了不同壓縮比對天然氣發動機性能的影響，主要結論如下：

（1）隨著壓縮比的增加，最大缸壓增加，指示燃油消耗率下降，燃油經濟性得到一定改善；

（2）燃燒過程中，壓縮比越大，火焰半徑越大，燃燒速度越快。

參考文獻：

[1]王建昕，帥石金.汽車發動機原理[M].北京：清華大學出版社，2011：345.

[2]Johansson B. Combustion Chambers for Natural Gas SI Engine Part 1 .SAE Paper 950469.

[3]鄭建軍，王金華，王彬，黃佐華，寧德忠，張英佳.壓縮比對直噴天然氣發動機燃燒與排放特性的影響[J].內燃機學報，2010，28（01）：20-25.

[4]斯海林，姜在先，王志洪，何義團.配氣相位和壓縮比對CNG發動機性能影響的模擬研究[J].客車技術與研究，2013（03）：28-29.

[5]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2102：108.

[6]焦運景.稀燃天然氣發動機燃燒過程研究和燃燒系統開發[D].天津：天津大學，2009.endprint