預燃室天然氣發動機通道參數的模擬研究

陳　良，冷先銀，何志霞，隆武強，魏勝利，祝傳艮，趙曉丹，盧泓坤

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013； 2.江蘇大學能源研究院， 江蘇鎮江212013；3.大連理工大學內燃機研究所， 遼寧大連116023；4.勝利油田勝利動力機械集團有限公司， 山東東營257061)

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預燃室天然氣發動機通道參數的模擬研究

陳良1，冷先銀2，何志霞2，隆武強3，魏勝利1，祝傳艮4，趙曉丹1，盧泓坤1

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013； 2.江蘇大學能源研究院， 江蘇鎮江212013；3.大連理工大學內燃機研究所， 遼寧大連116023；4.勝利油田勝利動力機械集團有限公司， 山東東營257061)

摘要：為探索預燃室通道結構對勝動12V190型燃氣發動機燃燒特性的影響，利用CONVREGE軟件，對多種預燃室通道參數下發動機燃燒過程進行模擬。結果表明：當β數一定時，通道數太少會使得主燃燒室火焰周向傳播時間太長，而通道數目過多則火焰徑向速度下降，其最佳通道數為4；當通道數一定時，β數過小則主燃燒室火焰偏向燃燒室底部，β數過大則火焰偏向燃燒室頂部，其最佳β數為0.35。且發動機的指示功率隨通道數和β值的增加先增加后減少，而NOx排放率則隨通道數和β值的增加先降低后增加。綜合比較，選取β值為0.35的4通道方案，相對于采用均質混合氣燃燒方式的原型機，該方案顯著提高了燃燒速率，指示功率提高14.1%，NOx排放率分別降低41.5%。

關鍵詞：天然氣發動機；預燃室；分層稀燃；通道參數；燃燒特性；數值模擬

0引言

天然氣用作內燃機的代用燃料，具有燃料經濟性好、無碳煙排放和CO2排放低等顯著優點[1-3]。近年來我國的大功率天然氣發動機產品有了很大的發展，廣泛應用于固定發電機組、海工裝備等領域，但其性能指標與國際先進機型尚有相當的差距，關鍵原因之一即是目前國產機型普遍采用均質混合氣燃燒方式，稀燃能力較差。因此開發新的燃燒系統，拓展稀燃能力，是提升相關產品性能的必由之路，而預燃室分層燃燒方式是其中一個重要的發展方向。鄭清平等[4-5]開發了電熱塞助燃壓燃式天然氣發動機系統，設計了分隔式燃燒室結構避免了發動機的敲缸現象，并且成功降低了NOx排放。郭子銳等[6]采用分層稀燃系統顯著提高了天然氣發動機的功率。研究表明預燃室分層稀燃技術對于氣體發動機的性能改善和NOx排放控制具有顯著的效用[7-9]，但預燃室結構的微小改變就有可能導致燃燒性能的很大差異，合適的預燃室結構可以實現天然氣的快速燃燒；反之則會出現后燃嚴重及排溫過高的現象，熱效率下降。因此有必要對相關結構參數的發動機燃燒和性能的影響予以細致的分析，作為勝動12V190型燃氣發動機預燃室分層燃燒系統開發的一部分工作，本文應用CONVERGE軟件對該機缸內燃燒過程進行三維仿真研究，探討預燃室通道參數和點火正時對燃燒特性的影響。

1預燃室燃燒系統

圖1　預燃室燃燒系統結構圖Fig.1　Structure of pre-chamber combustion system

勝動12V190型燃氣發動機基本參數見表1，該機采用增壓器前預混的方式形成均質混合氣。保持其余結構不變，在缸蓋上設置了一個容積約占預燃室容積3%的預燃室以及燃料加濃噴射系統，形成預燃室分層燃燒系統，如圖1所示。

表1　天然氣發動機的基本參數

2計算模型與方案

2.1計算模型

圖2　計算模型和網格Fig.2　Geometrical model and meshes

本文采用計算流體動力學耦合化學反應動力學計算天然氣發動機的燃燒過程。湍流模型采用RNGk-ε雙方程模型[10]，燃燒模型耦合簡化的CH4化學反應機理，NOx排放模型采用Zeldovich模型[11]。上止點時刻預燃室系統的模型和網格如圖2所示，基礎網格尺寸設定為4 mm，并根據溫度和速度梯度進行動態自適應加密，最小網格尺寸為0.5 mm。

2.2計算方案

本文采用無量綱參數β[12]對預燃室和通道結構進行參數化設計。該參數表征通道的相對流通面積與火焰射流的貫穿度，其定義為：

β=B·At/Vpcc,

其中，B是發動機缸徑，At是通道流通面積，Vpcc是預燃室容積。

根據通道數和β值的不同，分別設計了多種預燃室通道結構，圓柱型通道周向均布，與氣缸軸線夾角為70°，具體參數如表2所示，其中每種方案有與之對應的通道直徑。

表2預燃室通道參數及通道直徑

Tab.2Channel parameters and diameter of the channels between pre-chamber and main chamber

mm

圖3　計算結果與試驗結果的比較Fig.3　Comparison of computational and experimental results

計算從進氣門打開時刻(330 ℃A)開始，至排氣門打開時刻(840 ℃A)結束。缸內初始溫度和壓力分別設置為860 K和0.2 MPa，進氣道初始溫度和壓力分別為318 K和0.2 MPa，排氣道內初始溫度和壓力分別為860 K和0.2 MPa。各壁面邊界溫度分布為：活塞及預燃室壁面、缸蓋底面和缸套分別為520 K、500 K、450 K。在預燃室分層燃燒方案中，進氣道的預混合氣過量空氣系數設置為2.0，預燃室內加濃噴射后形成過量空氣系數為1.0的混合氣，且點火提前角設置為28 ℃A。

3模型驗證

發動機計算模型建立的正確與否決定了計算結果的正確性[13]。對額定工況為計算工況進行缸內燃燒過程模擬計算，缸內壓力和放熱率曲線與試驗結果對比如圖3所示。從圖3可見，計算結果與試驗結果吻合良好，峰值壓力和放熱率對應的相位基本相同，其中峰值壓力的數值相差0.1 MPa，誤差為1.10%，此外不同時刻放熱率的預測誤差也都在3%以內。可見對缸內壓力和放熱率的預測精度滿足工程分析的要求，說明所選模型及參數設置較為合理，可以準確地模擬天然氣的燃燒特性。

4模擬結果和討論

4.1通道參數對發動機性能和排放的影響

圖4給出了所有方案的指示功率和NOx排放率的對比，其中縱軸所示皆為相對值，即模擬結果與原機相應參數的比值。由圖4(a)可見，對于所有的通道數方案，指示功率都隨著β值的增大先增大后減小，并且都在β值為0.35時得到最高的指示功率；而對于同一β值方案，指示功率隨著通道數增加先增大后減小，其中4通道方案在所有β值下都獲得了最高的指示功率，而2通道方案在所有β值條件下指示功率都顯著低于其他方案。

(a) 指示功率

(b) NOx排放率

圖4指示功率和NOx排放率對比

Fig.4Comparison of indicated power and NOxemission

由圖4(b)可見，對于所有的通道數方案，NOx排放率都隨著β值的增加先減小后增大，在β值為0.35處獲得最低的NOx排放率；而在β值一定時，4通道方案可獲得最低的NOx排放率。值得說明的是，2通道方案NOx排放總量不高，但由于其指示功率偏低，因此NOx排放率還是偏高。綜合圖4的計算結果可知，對于本文所研究的機型，預燃室最佳通道數為4個，而最佳的β值為0.35。相較于原機，該方案指示功率提高了14.1%，NOx排放率比原機降低了41.5%。李樹生等[14]對一臺缸徑為260 mm的天然氣發動機的預燃室通道結構進行優化研究，所得最佳通道結構對應的β值為0.34左右；張春煥等[15]對一臺缸徑為350 mm的天然氣發動機的預燃室和通道參數進行了研究，認為該機最佳β值為0.38左右。這說明不同機型的最佳β值有一定的差別，但大多在[0.34,0.38]范圍內。

4.2通道參數對火焰傳播的影響

預燃室通道參數對缸內流動及燃燒過程具有重要影響。圖5給出了無量綱數β值為0.35的條件下，不同通道數方案預燃室與主燃燒室溫度云圖。從圖5中可見，在12 ℃ABTDC時刻，3通道和4通道方案中火焰前鋒已到達預燃室底部，其余方案火焰傳播稍慢。到6 ℃ABTDC時刻，預燃室中的火焰以高速射流的形式經通道傳播到了主燃燒室內，發展成為多束火焰。此時，2、3、4通道方案的火焰已傳播到活塞燃燒室凹坑的外緣，并且火焰沿通道向主燃室底部空間發展。而5通道和6通道方案的火焰貼近主燃燒室頂部，傳播稍慢。到上止點時刻，火焰在橫截面上擴展的面積顯著增大，2通道方案雖然單束火焰的面積很大，但通道數太少使得其未燃區仍然很大，3通道方案的未燃區顯著縮小，4通道方案的未燃區最小，而5通道和6通道方案，因火焰發展不均勻以及貫穿距較短，未燃區比4通道方案有所增加。因此4通道方案的火焰傳播與燃燒最快，有利于提高熱效率，并抑制爆震。

2通道3通道4通道5通道6通道上止點前12℃A(12℃ABTDC)上止點前6℃A(6℃ABTDC)上止點(TDC)

圖5不同通道數下的燃燒室內溫度分布

Fig.5Temperature contours in chamber under condition of different channel numbers

圖6給出了預燃室通道數目為4，不同β值的條件下，預燃室與主燃燒室溫度場分布。在12 ℃ABTDC時刻，β值為0.35、0.42方案的火焰已達預燃室底部，其余方案火焰傳播較慢。到6 ℃ABTDC時刻，從橫切面看，主燃燒室內出現4束火焰，其中β值為0.22、0.35、0.42方案的火焰貫穿距較長。從縱切面上看，盡管各方案的通道方向相同，但火焰在縱切面上的傳播方向卻有所差異：β值為0.35的方案火焰基本沿通道向斜下方發展，能兼顧氣缸底部和頂部的混合氣的燃燒；β值為0.42和0.56的方案火焰發展方向稍偏向頂部，不利于底部混合氣的燃燒；而β值為0.14的方案火焰則偏向底部中央，致使其徑向貫穿距非常短，火焰難以傳播到燃燒室外圍，必然導致不完全燃燒。

圖7給出了6 ℃ABTDC時刻，不同方案的缸內速度云圖。可見在不同通道數方案下，2通道和3通道方案氣流運動強烈，其高速氣流可達120 m/s，而其他方案的氣流運動強度稍弱。這是因為縱截面方向上2通道和3通道已燃區域較廣，火焰傳播產生的高溫促進了氣流運動。在不同β值的4通道方案下，由于火焰傳播的差異，氣流運動強度也有不同。其中β值為0.14的方案，高速氣流主要集中在通道附近，而其他方案氣流向徑向運動強烈，此外由于β值為0.35和0.42方案火焰發展偏向底部，因此橫截面上氣流運動較弱。

因此，在β值一定的條件下，通道數過多，則主燃燒室內火焰射流貫穿距不足，火焰的徑向傳播需要更多時間，燃燒持續期增加；而通道數太少，則盡管火焰射流貫穿距足夠大，但火焰的周向傳播需要太多的時間，也使得燃燒持續期增加。而在通道數一定的條件下，β過小則主燃燒室火焰偏向燃燒室底部，過大則火焰偏向燃燒室頂部，均不利于火焰的傳播。

β=0.14β=0.22β=0.35β=0.42β=0.5612℃ABTDC6℃ABTDCTDC

圖6　不同β值下的燃燒室內溫度分布

圖76 ℃ABTDC時刻不同方案氣流速度分布

Fig.7Velocity contours in chamber of different schemes at 6 ℃ABTDC

4.3通道參數對燃燒參數的影響

β值為0.35時，不同通道數方案的預燃室及主燃燒室壓力和放熱率對比如圖8所示。由圖8可見，所有方案預燃室壓力曲線都會出現兩個峰值：其第一峰值由預燃室內的濃混合氣燃燒產生并與主燃燒室形成壓差；隨著主燃燒室內稀薄混合氣的燃燒，在主燃燒室壓力出現峰值的同時，預燃室壓力出現第二峰值。對比不同方案的壓力曲線發現，4通道方案的預燃室壓力第一峰值和主燃燒室壓力峰值都比其余方案高，其次為3通道方案，另外三個方案預燃室壓力峰值相對較低，4通道方案的主燃燒室放熱率峰值也最高，約為700 J/℃A，其次為3、5、6通道方案，約為600 J/℃A，2通道方案的主燃室壓力和放熱率顯著低于其余方案，其原因應該是燃燒不完全。

通道數目為4時，不同β值方案的主燃燒室壓力和放熱率對比如圖9所示。由圖9可見，隨著β值的增大，主燃燒室的峰值壓力呈現先增大后減小的趨勢，β值為0.35時，峰值壓力為最高值。此時其放熱率也最高，約為700 J/℃A；β值為0.14的方案放熱慢，缸內混合氣未能完全燃燒。這說明在通道數一定的條件下，β值過大或過小都不利于火焰傳播。

由此可見，在無量綱數β值一定的條件下，通道數過多或過少均會使燃燒速率變慢，燃燒持續期增加；而在通道數一定的條件下，β值過大或過小都不利于火焰快速傳播，燃燒變得緩慢。

圖8不同通道數下預燃室及主燃燒室壓力和放熱率對比

Fig.8Comparison of pressure and heat release rate between pre-chamber and main chamber with different channel numbers

圖9不同β值下主燃燒室壓力和放熱率對比

Fig.9Comparison of pressure and heat release rate in main chamber with differentβvalues

5結論

①在相同過量空氣系數條件下，發動機的指示功率隨通道數和β值的增加先增加后減少，而NOx排放則隨通道數和β值的增加先降低后增加。

②通道數目過少則主燃燒室火焰周向傳播時間太長，而通道數目過多則火焰徑向速度下降，對于所有的β值方案，最佳通道數目都為4個。

③對于4通道方案，無量綱數β過小則主燃燒室火焰偏向燃燒室底部，過大則火焰偏向燃燒室頂部，β值過大或過小都不利于火焰快速傳播，使燃燒變得緩慢，其最佳值為0.35。

④綜合比較，β值為0.35的通道結構方案最優，相對于采用均質混合氣燃燒方式的原機，該方案能使指示功率提高了14.1%，NOx排放率降低了41.5%。

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(責任編輯梁健)

收稿日期：2016-01-05；

修訂日期：2016-02-03

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51106065)；江蘇省自然科學基金項目(BK20130514)；工業和信息化部高技術船舶科研項目(工信部聯裝2012[533]號)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)；江蘇大學高級專業人才科研啟動基金資助項目(12JDG080)

通訊作者：冷先銀(1980—)，湖北孝感人，江蘇大學副教授，博士;E-mail: xy.leng@foxmail.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0714

中圖分類號：TK431.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)03-0714-08

Numerical study on channel parameters of natural gas engine with pre-chamber

CHEN Liang1, LENG Xian-yin2, HE Zhi-xia2, LONG Wu-qiang3, WEI Sheng-li1, ZHU Chuan-gen4, ZHAO Xiao-dan1, LU Hong-kun1

(1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Institute for Energy Research，Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;3.Institute of Internal Combustion Engines,Dalian University of Technology, Dalian 116023, China;4.Shengli Oilfield Shengli Power Machinery Group Co., LTD， Dongying 257061, China)

Abstract:To investigate the effects of the structures of channels between pre-chamber and main chamber on the combustion characteristics of gas engine typed Shengdong 12V190, the in-cylinder combustion processes under different channel structures were calculated by using CONVERGE package. The numerical results show that, under the constant amount of β, inadequate channels will lead to a decrease of the flame circumferential propagation speed, while excessive channels will result in decrease of the flame radial propagation speed, and the optimal value for channel number is 4. Furthermore, under the constant amount of channels, over low or over high value of the β number will cause the flame overly deflect towards bottom or top parts of the main chamber respectively, and the optimal value for β number is 0.35. Moreover, the indicated power first increase and then decrease by increasing channels and β, while NOx emission is the opposite. Finally, the set of 4 channels with β value of 0.35 is confirmed as the optimized structure, which remarkably enhances the combustion rate, leading to a reduction of 41.5% for NOx emission rate and an increase of 14.1% for indicated power, respectively.

Key words:natural gas engine; pre-combustion chamber; stratified lean burn; channel parameters; combustion characteristics; numerical simulation

引文格式：陳良，冷先銀，何志霞,等.預燃室天然氣發動機通道參數的模擬研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(3)：714-721.