直喷天然气发动机稀薄燃烧特性的仿真试验

黄 丫，林学东，李德刚，顾静静，侯玉晶

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022)

天然气因其H/C 比高，燃烧清洁，HC、CO 以及CO2排放少等特点，作为一种车用代用燃料被广泛应用［1］。但是由于天然气为气体燃料，在进气道喷射时占一定的体积，降低充气效率约10%～15%左右，因此造成功率损失［2］。随着汽车低碳化的发展需求，基于柴油机压燃模式的缸内直喷稀薄燃烧技术已成为车用发动机的发展趋势，但由于天然气自燃点高，所以国内外就用柴油引燃天然气时的燃烧特性［3-4］以及缸内气流特性等对天然气燃烧过程的影响因素进行研究［5-6］。但是关于缸内直喷CNG 发动机稀薄燃烧机理方面的研究甚少。

本文结合在缸内直喷CNG 光学试验样机上组织稀薄燃烧过程中火焰传播特性的可视化试验研究的结果，基于CFD 专用软件FIRE 对CNG 燃料缸内直喷时的微观物理场及其分布特性进行了仿真计算，由此分析研究了不同喷射方式和点火方式对缸内混合气形成和燃烧过程中浓度场和温度场及其瞬态变化特性的影响，以及这种微观的物理场变化特性对火焰传播特性和NOx生成规律的影响，为实现高效率、低排放的稳定稀薄燃烧过程探索有效途径。

1 研究条件及方法

1.1 试验条件

样机为单缸、4 冲程、点燃式，缸径135 mm，行程280 mm，排量4.0 L，压缩比6.13。图1 为观测火焰传播特性的光学发动机试验测试系统布置图。为了分析不同喷射方式和不同点火方式对火焰传播特性的影响，在气缸盖顶部(如图2 所示)布置了2 个喷油器和2 个火花塞，进排气系统设在气缸盖的侧面，因此燃烧室余隙容积较大，压缩比较低，只有6.13。受样机结构特点的限制其使用转速偏低(200 r/min)，但这不影响火焰传播机理的基础研究。表1 为试验用天然气的主要成分。

图1 光学发动机试验台布置Fig.1 Schematic of the experimental set-up of optical engine

图2 火花塞及喷射器的布置Fig.2 Layout of spark plug and injector

表1 天然气燃料各成分的体积分数Table 1 Main composition fraction of CNG %

进气涡流强度是通过进气口轴线相对气缸中心的偏心量来调节的，根据发动机转速低的特点，将进气涡流强度调节到sw=6.0。在试验过程中采用旋流式喷射器，喷射压力固定在5 MPa 左右。火焰传播过程是通过CCD 高速摄像机以563 幅/s 的速度连续拍摄的。为了分析燃烧过程，同时制取了示功图，每个工况下测10 次缸压后进行平均化处理。采用日本岛津制造所生产的NDA-7000 型NOx测量仪来测量NOx排放量。

1.2 仿真条件及验证

根据CNG 样机燃烧室为简单的凹坑型结构的特点，采用一个圆柱形模型，利用FIRE 软件在不改变压缩比的前提下直接生成气缸模型，并通过Topology 自动生成网格，如图3 所示。

在实际工作过程中气缸容积随活塞的位移发生变化，所以把进气下止点到做功冲程下止点期间，划分成4 层不同的网格:从压缩过程初期的180°CA 到240°CA 和膨胀过程后期的480°CA到540°CA 期间采用60 层网格;压缩过程中期的240°CA 到270°CA 和膨胀过程中期的450°CA到480°CA 期间采用50 层网格;压缩过程后期的270°CA 到350°CA 和膨胀过程初期的370°CA到450°CA 期间采用45 层网格;压缩上止点(360°CA)附近350°CA 到370°CA 期间采用10 层网格。然后利用Fame engine 建立动网格。

图3 计算网格模型图Fig.3 Model diagram of computational grids

作为计算边界条件，令气缸入口处气流状态为均匀，令其压力为0.9×105Pa，温度为350 K;活塞顶面作为移动边界，其温度设定为593 K，气缸壁和气缸盖底面为固定边界，令气缸壁的温度为403 K，气缸盖底面的温度为593 K。计算模型选用标准k-ε模型、Enable 湍流扩散模型以及PDF燃烧模型。

图4 为当量比φ=0.93、双点点火时刻(θi1，θi2)=(－4，－3)°CA、两个喷射器同时喷射，喷射时刻θinj=－120°CA 时，放热规律和火焰传播速度的实测值与仿真计算结果的对比情况。取决于火焰传播速度的放热率平均变化率(放热率峰值与其对应的曲轴转角位置之比)的试验结果与仿真结果的相对误差Δq 为:

图4 仿真与试验结果对比Fig.4 Comparison between numerical and test results

式中:q实测(或q仿真)=(dQ/dθ)max/Δθ，Δθ=θ2－θ1;θ2为分别与实测或仿真的放热率峰值(dQ/dθ)max对应的曲轴转角;θ1为分别与实测或仿真的总放热量的5%所对应的曲轴转角。

由此表明仿真计算结果与试验结果吻合良好。

2 试验结果及分析

2.1 喷射方式对火焰传播特性的影响

表2 中给出了不同喷射条件下混合气形成的时间Δt。Δt 是从喷射终了时刻到点火时刻所经历的时间。Δt 越短，说明燃料喷射后混合气形成时间越短，易形成混合气浓度的梯度分布;反之Δt 越长，混合气形成时间更充分，混合气更趋于均匀分布。

表2 喷射方式对混合气形成时间的影响Table 2 Influence of injection mode on mixture formation process

2.1.1 当量比对燃烧特性的影响

当喷射时刻为－120°CA、点火时刻(θi1，θi2)为(－4，－3)°CA 时，喷气量(用平均当量比φ表示)对火焰传播特性的影响如图5 所示。由表2 可见，当φ 增大时，喷射脉宽增加，相对一定的喷射时刻，混合气形成时间Δt 缩短。特别是当φ=0.93 时，Δt=－3.3 ms，表明点火时刻喷射过程仍没有结束，因此在气缸内形成更大的混合气浓度梯度，使火焰传播速度加快，放热速率及其峰值明显提高，燃烧持续期缩短(见图6);而且如图7 所示，平均指示压力pmi随当量比呈线性增加，燃烧过程更加稳定，NOx排放量也明显降低。与φ=0.70 时相比较，当φ=0.93 时pmi约增加了30.7%，用pmi的标准偏差表示的循环变动量σ 降低了50%，NOx排放量也降低了63%。

图5 当量比对火焰传播特性的影响Fig.5 Influence of equivalence ratio on flame propagation

图6 当量比对燃烧过程的影响Fig.6 Influence of equivalence ratio on combustion process

图7 当量比对发动机性能的影响Fig.7 Influence of equivalence ratio on engine performance

图8 为在组织稀薄燃烧过程中当量比对NOx生成规律的影响。如前所述，火焰传播速度取决于混合气浓度场的分布特性，而缸内温度场又依赖于燃烧过程及其瞬态燃烧过程中释放的热量。因此在366°CA 之前的火焰传播初期(见图5)火焰传播面积较小，燃烧释放的热量少，缸内温度较低，所以基本不发生NO 的生成反应;当超过370°CA 以后，火焰在不同当量比下先后在整个燃烧室内传播完毕。但当当量比增加时，缸内建立更大的混合气浓度梯度，所以火焰传播速度加快，因此温度迅速上升，建立更大的温度梯度，使最高燃烧温度超过2300 K，从而引起NO 的快速反应(见图8)。但是随着当量比的增加，NO 形成的反应持续时间较短，所以总的NO 排放量减少。也就是说，NO 的生成不仅依赖于温度场的变化规律，而且还与混合气浓度场的分布特性有关。而温度场的建立及其变化规律又取决于火焰传播特性，但相对火焰传播滞后。所以依赖于温度的热力NO 不可能在火焰带上形成，而是生成于火焰传播之后的高温富氧区。

图8 当量比对NO 生成规律的影响Fig.8 Influence of equivalence ratio on the formation of NO

2.1.2 喷射定时对燃烧特性的影响

为了分析不同浓度场对CNG 发动机稀薄燃烧过程的影响，在平均当量比φ=0.70，点火时刻(θi1，θi2)=(－4，－3)°CA，两个喷油器同时喷射时，不同喷射时刻对混合气浓度场及其瞬态变化特性和火焰传播速度的影响进行了仿真计算分析，结果如图9 所示。

如表2 所示，当推迟喷射时刻(如－90°CA)时，混合气形成时间Δt 变短，所以在缸内形成更大的混合气浓度梯度(见图9(a))，使火焰传播速度加快(见图9(b))，不仅提高了初期燃烧放热速率及其峰值，而且燃烧持续期也明显缩短，有利于提高燃烧热效率，如图10 所示。由图11 可见，推迟喷射时刻时，在平均指示压力基本保持不变的条件下，稀薄燃烧更加稳定，但NOx排放量有所增加。图11 表明在喷气量和点火时刻相同的条件下，当喷射时刻为－180°CA 时，不同喷射方式对发动机性能的影响。

与两个喷射器同时喷射相比，只用一个喷射器喷射时，喷射持续时间将增加一倍，所以混合气形成时间Δt 缩短，从而形成浓度梯度更大的混合气，因此如图11 所示稀薄燃烧更稳定(σ 减小)。特别是安装在离火花塞1 更近的喷油器2 独立喷射时，在火花塞1 附近形成浓度梯度更大的混合气，所以火焰传播速度更快，循环变动(σ)更小，但NOx排放量有所增加。表明在组织稀薄燃烧过程中火花塞附近混合气浓度的分布状态对稀薄燃烧稳定性、火焰传播特性以及NOx的生成规律都有直接的影响。

为了分析NO 的生成规律，研究了不同喷射时刻对浓度场、温度场以及NO 反应速率的影响，结果如图12 所示。当推迟喷射时刻时，缸内形成的混合气浓度梯度增加，从而加快火焰传播速度，导致缸内温度快速上升，形成较大的温度梯度，最高温度也升高，因此NO 的形成时刻提前，而且NO 生成速率也明显提高，导致NO 生成量增加。同时，在这种基于混合气浓度场梯度分布的稀薄燃烧过程中，将燃烧室空间按浓度场可划分为浓区和稀薄区，按温度场划分为高温区和低温区，这样NO 主要形成于混合气浓度和温度适当的环带区。在浓区虽温度高但缺氧，所以不产生NO;反之在稀薄区虽富氧但温度较低同样也不能产生NO。而在NO 生成的环带上，根据混合气浓度和温度的分布特性不同，NO 的生成速率也不一样。因此在组织稀薄燃烧过程中，混合气浓度的梯度分布特性是影响火焰传播速度和NOx生成速率的关键。

图9 喷射时刻对浓度场及火焰传播速度的影响Fig.9 Influence of injection time on the in cylinder equivalence ratio and flame propagation velocity

图10 喷射时刻对燃烧过程的影响Fig.10 Influence of injection time on combustion process

图11 喷射时刻对发动机性能的影响Fig.11 Influence of injection time on engine performance

图12 喷射时刻对NO 生成规律的影响Fig.12 Influence of injection time on the formation of NO

2.2 点火方式对燃烧特性的影响

2.2.1 火焰传播机理

当φ=0.70、θinj= －120°CA、两个喷油器(Inj1和inj2)同时喷射时，不同点火方式对火焰传播特性的影响如图13 所示。相对单点喷射(－7，x)方式，采用双点喷射时，火焰传播速度明显加快，所以放热速率提高，燃烧持续期缩短，有利于改善燃烧热效率(见图14)。当双点点火的时刻不同时，对火焰传播特性的影响更明显，而且火焰传播机理也不同。如图15 所示，在单点点火时火焰传播速度取决于缸内气流速度和火焰带上的燃烧反应速度，其中气流速度对火焰起牵引作用(见图15(a));当双点同时点火时，两个火花塞同时跳火形成火焰中心后，缸内气流对两个火焰的牵引作用以及两个火焰传播速度基本相同(见图15(b));但当两个火花塞非同时点火时，首先点火形成的火焰1 受气流的牵引作用而传播的过程中受到后续点火而形成的火焰2 的推动作用被加速。后续点火的火焰2 在传播时受到火焰1 的挤压作用，使其传播速度受到限制，反而形成压力场。这一压力场对火焰1 的传播起推动作用(见图15(c))，因此促进火焰快速传播。

图13 点火方式对火焰传播特性的影响Fig.13 Influence of ignition mode on flame propagation

图14 点火方式对燃烧过程的影响Fig.14 Influence of ignition mode on combustion process

图15 点火方式对火焰传播特性的影响Fig.15 Influence of ignition mode on flame propagation

2.2.2 点火方式对NO 生成规律的影响

图16 为点火方式对缸内混合气浓度场、温度场以及NO 生成速率的影响。由此表明点火方式对混合气浓度场及其变化规律的影响不大(见图16(a))，但是如图13 所示，不同点火方式对火焰传播速度及其变化规律的影响较大，因此导致缸内温度场及其变化规律不同(见图16(b))。所以对于一定的混合气浓度梯度分布，根据温度场及其变化特性，造成环带形NO 生成区的变化规律(见图16(c))。这就是说，点火方式主要是通过改变瞬态温度场的分布特性来影响NO 的生成规律。

图16 点火方式对NO 生成规律的影响Fig.16 Influence of ignition mode on the formation of NO

图17 为在点火时刻为(－4，－3)时，当曲轴转角位置为371 ℃A 时刻NO 生成速率最大的局部区域所对应的浓度和温度条件。由此可观察到使NO 生成速率最大的区域是在温度超过2300 K，当量比为0.8 ～1.6 时所形成的。

图18 为点火方式对发动机性能的影响，由此表明通过双点点火方式在平均指示压力基本保持不变的前提下，可以有效改善稀薄燃烧稳定性，而且相对单点点火，通过推迟双点点火时刻，在动力性和经济性基本保持不变的前提下可以有效抑制NO 的生成量。

图17 NO 生成条件Fig.17 Conditions for NO Formation

图18 点火方式对发动机性能的影响Fig.18 Influence of ignition mode on engine performance

3 结 论

(1)浓度场的控制是缸内直喷CNG 发动机实现稳定的稀薄燃烧过程的关键;可通过当量比和喷射时刻优化控制混合气的形成时间来实现。

(2)NO的生成规律不仅取决于温度场的变化规律，还取决于浓度场;可以通过点火方式改变温度场来影响NO 的生成规律。

(3)温度场的建立依赖于浓度场，但相对火焰传播滞后，所以与温度密切相关的热力NO 是在火焰传播滞后的高温富氧区生成，而与混合气浓度密切相关的快速NO 形成于温度较高的火焰区;混合气浓度梯度越大，火焰传播速度越快，稀薄燃烧越稳定。

(4)通过双点非同时点火方式，在第1 火焰传播的速度场，用后续点火而形成的第2 火焰建立压力场，从而可以有效提高第1 火焰的传播速度。

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