双火花塞对改善大EGR率CNG发动机性能的仿真研究*

李垂孝　朱昌吉　李君（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025）



双火花塞对改善大EGR率CNG发动机性能的仿真研究*

李垂孝朱昌吉李君
（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025）

【摘要】以CNG发动机为研究对象，利用AVL-FIRE软件模拟单、双火花塞不同点火策略对发动机燃烧过程及性能的影响。结果表明，在转速为2 840 r/min、75%负荷、25%EGR率、当量比燃烧的条件下，单火花塞点火的最佳点火正时为上止点前65°，双火花塞最佳点火正时同步点火为上止点前55°，双火花塞最佳点火正时异步点火分别为上止点前55°～60°；在最佳点火性能下，双火花塞点火的燃烧持续期比单火花塞缩短20°，指示功率高2 kW，指示燃油消耗率提高8%。

主题词：CNG发动机双火花塞EGR率当量比燃烧

1　前言

目前，国外低排放、大排量天然气发动机为了达到要求，采用当量比+EGR+TWC的技术路线，由于使用当量比燃烧且CNG燃料本身的火焰传播速度慢会使得发动机的热负荷增加，爆震趋势增强［1、2］。需要通入大EGR率以降低爆震和控制热负荷。高EGR率会使得缸内的火焰传播速度进一步降低，使得整机的经济性变差，热效率降低［3、4］。

国外研究者的研究成果［5～10］表明，双火花塞点火可以提高工质燃烧速度，使发动机实际循环更加接近理论循环曲线，在部分负荷允许通入大EGR率（拓宽燃烧界限），可以有效地降低爆震的发生等。近年来，国内的研究者们［11～13］针对双火花塞技术在汽油发动机上对火花塞位置布置、联合可变配气系统、稀薄燃烧等方面进行了相关仿真和试验研究。

本文以采用当量比+EGR+TWC技术路线的大排量天然气发动机为研究对象，仿真研究双火花塞快速燃烧技术对其性能的改善。

2　CNG发动机模型建立及校验

2.1CNG发动机参数

研究所用的发动机是由CA4102汽油机开发的单一燃料CNG发动机，其主要参数见表1。

表1　CNG发动机参数

2.2几何建模及网格划分

该CNG发动机燃烧室由许多不规则、形状复杂的空间曲面组成，为浴盆型燃烧室。CAD建模过程先是采用树脂浇铸燃烧室阳膜，然后扫描出阳膜点云图，将得到的点云图利用CATIA软件进行逆向造型，最后得到燃烧室的封闭曲面，如图1所示。

图1燃烧室CAD模型

图2为用AVL-FIRE软件中的FEP工具进行燃烧室动网格的划分，生成的网格区间是588°～858°（即进气门关闭至排气门开启），其中上止点的网格数为154 467，858°的网格数为557 266。

图2　FEP动网格划分及体网格

2.3CFD模型选择及边界条件设置

AVL-FIRE软件的计算模型选择及边界条件如表2所列。

表2　计算模型选择及边界条件设置

2.4模型验证

在转速2 840 r/min、75%负荷、过量空气系数为1的条件下对该发动机燃烧过程进行仿真研究，将上止点前30°（690°）单火花塞点火的缸内压力与试验值进行校验（图3）可知，误差在范围之内，一致性较好。说明所选模型及参数设置合理，可以进行相关研究。

图3　模型缸内压力校正型线

3　不同点火策略的点火正时优化仿真研究

图4为双火花塞位置定义图示。可知，S点为原机火花塞的安装位置，N点为图4中竖线的1/4处，即另一火花塞位置，基于此种位置进行不同点火策略的仿真研究。

图4　双火花塞位置定义示意

为了进一步研究发动机单、双火花塞点火联合大EGR率（25%）策略的最佳性能，首先进行优化单、双火花塞点火策略所对应的最佳点火正时，然后针对不同点火策略在匹配最佳点火正时下对CNG发动机性能进行对比研究。

3.1单火花塞点火在大EGR率下点火正时优化

点火正时对点燃式发动机的功率、燃油消耗率等性能有重要影响，因此对单火花塞在大EGR率、转速为2 840 r/min、75%负荷条件下根据CFD软件的二维输出相关参数型线进行点火正时优化分析。图5为单火花塞不同点火正时缸内压力图。可知，25%的EGR率抑制了缸内工质燃烧，使得缸内压力变低，随着点火正时往前推移，缸内压力升高，峰值后移，原因可由图6不同点火正时的放热率型线对比图进行分析。点火正时提前一方面使得燃烧过程在上止点前的压缩过程已经开始，一方面缸内工质的放热率在上止点附近的上升速率非常大，从而使得缸内压力升高；而点火正时推迟的燃烧过程主要集中在上止点之后的膨胀过程，随着活塞下行，工质燃烧放热率引起的压力增加不足以弥补活塞下行引起的压力降低，因此点火正时的推迟使得缸内压力峰值趋近于上止点附近（理想的缸内压力峰值曲轴转角出现在上止点后12°～15°）。由表3单火花塞点火策略的燃烧特性参数中可以看出，点火正时从680°提前至650°时，峰值压力对应曲轴转角从上止点后5°移至15°，其中在曲轴转角为655°时缸内压力峰值对应曲轴转角正好出现在理想位置。不同点火正时的压力升高率随着点火正时的不断提前而增大。由图6可以看出，放热率随着点火正时的提前，放热率峰值不断变大，其中点火正时在650°～655°时放热率型线差别已不明显。

图5　单火花塞不同点火正时缸内压力

图6　单火花塞不同点火正时放热率

表3　单火花塞点火策略的燃烧特性参数

图7单火花塞不同点火角平均温度显示的型线变化趋势同放热率型线，点火正时的提前可以有效控制燃烧过程后移的情况，从而降低排气温度。图8为单火花塞不同点火正时NO质量分数图。可知，对应于平均温度对比图，NO生成情况随着点火提前角的提前而生成量增多。

图7　单火花塞不同点火正时平均温度

图8　单火花塞不同点火正时NO质量分数

表4所列为单火花塞点火策略的指示性能指标在不同点火正时的指示特性。可知，点火正时由680°提前至650°时，CNG发动机的指示功率及指示热效率提高23.5%，相应的指示燃油消耗率降低23.5%。指示热效率的增长率幅度呈现出递减的趋势，在点火正时由655°提至650°时其增长率仅不到2%。因此，结合缸内压力峰值对应曲轴转角的理想区间及排放物的生成量，在曲轴转角655°时为单火花塞点火策略的最佳点火正时。

表4　单火花塞点火策略的指示性能指标

3.2双火花塞同步点火在大EGR率下点火正时优化

对双火花塞同步点火策略的点火正时优化研究进行分析。图9为不同点火正时的缸内压力对比。可以看出，缸内压力型线对比图的变化规律与单火花塞点火策略不同，随着点火正时的提前，缸内压力峰值增高，其对应曲轴转角随之前移。双火花塞在不同点火正时放热率（图10）的规律同图9，并且峰值变化率呈降低趋势。

图9　同步点火不同点火正时的缸内压力对比

图10　同步点火不同点火正时的放热率对比

图11和图12为双火花塞不同点火正时的缸内温度及NO质量分数对比图。可知，缸内温度随着点火正时的提前而升高，NO生成量增加。表5为双火花塞同步点火策略的燃烧特性参数。可知，双火花塞在665°同步点火时，缸内峰值压力为6.98 MPa，其对应的曲轴转角为上止点后13°，相比于点火正时为650°、655°时所产生的NO量更少，燃烧温度低，并且缸内压力、放热率、压力升高率、峰值相差不大；其相比于点火正时为670°、680°时的缸内压力、放热率峰值更高，更好的减少了后燃现象。

图11　同步点火不同点火正时的温度对比

图12　同步点火不同点火正时的NO质量分数

表5　双火花塞同步点火策略的燃烧特性参数

表6为双火花塞不同点火正时的动力性及经济性参数指标。通过仿真计算分析，随着双火花塞点火正时的提前，指示功率和指示效率随之上升，指示燃油消耗率随之下降，考虑到热负荷及排放性等因素，在曲轴转角为665°时为双火花塞同步点火最佳点火正时。

3.3双火花塞异步点火在大EGR率下的点火正时优化

双火花塞同步点火策略的最佳点火正时在665°附近，因此对于双火花塞异步点火策略最优点火正时的研究是基于保持一个火花塞（S处）的点火正时为665°，另一火花塞（N处）的点火正时在此基础上分别提前和推迟5°、10°、15°，以研究其对发动机缸内燃烧过程的影响。由CFD软件的三维输出结果对两火花塞左右（SN）点火和右左（N-S）点火的缸内压力曲线等数据处理，结果显示两种情况所得到的型线及峰值情况相同，因此仅给出一种情况（S-N）下的状态。图13～图16为双火花塞异步点火策略在不同点火正时的缸内压力、放热率、缸内平均温度、NO生成量型线对比图。可知，双火花塞异步点火策略随点火正时的变化规律同双火花塞同步点火策略。

表6　双火花塞同步点火的动力性及经济性指标

图13　异步点火不同点火正时缸内压力对比

图14　异步点火不同点火正时放热率对比

表7为双火花塞异步点火策略燃烧特性分析。可知，D3、D4缸内压力峰值压力位于理想的曲轴转角区间，相比于D5、D6可以取得更高的缸内压力，并保持相对高的压力升高率，从而较好的改善燃烧，保证整机的动力性；相比于D1、D2，产生的NO量少，平均缸内温度低，即有好的排放性和较低热负荷。由缸内压力对比图可知，D3比D4产生的峰值缸内压力高，且在大EGR率下的压力升高率更大。

图15　异步点火不同点火正时平均温度对比

图16　异步点火不同点火正时NO生成量对比

表7　双火花塞异步点火策略的燃烧特性参数

表8为双火花塞异步点火策略在不同点火正时的动力性及经济性指标数值分析即点火特性分析。可知，指示功率、指示热效率随着点火提前角的前移而升高，指示燃油消耗率随之降低，通过具体数值可以看出动力性及经济性指标的变化幅度不大，明显要低于单火花塞、双火花塞同步点火的变化幅度。665°-655°点火相比于665°-650°点火指示热效率的变化率不超过1%。其中D3所得到的动力性指标及经济性指标相比于D1、D2情况时相差很少，而比D4～D6的性能更加优越。综合上述分析，在双火花塞异步点火为665°-660°时为最佳点火正时方案。

4　不同点火策略性能对比分析

在不同点火策略最佳点火正时下（单火花塞点火正时655°、双火花塞同步点火正时665°、双火花塞异步点火正时665°-660°）分别对CNG发动机的燃烧参数及指标进行对比分析。由图17和18不同点火策略的缸内压力和放热率型线对比图可以得出，双火花塞点火的放热率上升速率更快，因此加快了火焰的传播速度，缸内压力峰值更高，可以改善燃烧质量。图19和图20为不同点火提前角的缸内平均温度和NO生成量对比图。可知，双火花塞点火策略较单火花塞点火产生较高的缸内温度，温度峰值对应的曲轴转角大大提前，减小了后燃趋势，25%的EGR率可以极大降低NO的生成量，但由于双火花塞产生的高温使NO生成量高于单火花塞。

图17　不同点火策略缸内压力对比

图18　不同点火策略放热率对比

表9为不同点火策略最佳点火正时的燃烧特性参数。通过数值计算分析，双火花塞点火的缸内压力峰值要比单火花塞高27%，温度峰值对应的曲轴转角提前20°；而压力升高率峰值因为点火正时的不同而有所差异，其中双火花塞异步点火的放热率峰值最高。

图19　不同点火策略平均温度对比

图20　不同点火策略NO生成量对比

表9　不同点火策略的燃烧特性参数

表10为不同点火策略对应最佳点火正时的动力性和经济性指标。可知，在25%EGR率、75%负荷、2 840 r/min、当量比为1时双火花塞点火的指示功率和指示热效率比单火花塞点火平均高2 kW，经济性提高8%。

表10　不同点火策略的动力性及经济性指标

图21为不同点火策略对应最佳点火正时的燃烧持续期柱状图对比，单火花塞的燃烧持续期为48°，双火花塞同、异步点火的燃烧持续期在27°～28°。双火花塞

点火使得燃烧持续期缩短了20°，加快了CNG火焰的传播速度，一定程度上降低了非正常燃烧情况的发生。

图21　不同点火策略的燃烧持续期柱状图

5　结束语

a.在大EGR率（25%）下，合理的点火正时可以更好的将单、双火花塞点火策略对CNG发动机的性能发挥到最佳，双火花塞的最佳点火正时比单火花塞点火推迟10°，双火花塞点火策略的热负荷高于单火花塞点火策略；

b.点火正时对不同点火策略的影响程度为：单火花塞的影响最大，双火花塞同步点火次之，双火花塞异步点火影响最小。

c.双火花塞点火相比单火花塞点火的指示功率提高2 kW，指示燃油消耗率提高8%，火焰持续期缩短20°，改善了CNG发动机性能及燃烧质量。

参考文献

1李西秦，刘冰，黎苏.CNG/LNG和LPG汽车动力性研究状况.小型内燃机与摩托车，2009（3）：54～57.

2刘云岗.车用发动机的市场趋势及技术发展动向.国外内燃机，2015（1）：6～13.

3Sellnau M，Sinnamon J，Oberdier L，et al.Development of a Practical Tool for Residual Gas Estimation in IC Engines. SAE Paper 2009-01-0695

4李垂孝，朱昌吉，李君.基于GT-Power的EGR率对当量比燃烧的发动机性能影响研究.汽车技术，2015（12）：25～28，33.

5Ismail Altin，Ismet Sezer.Effects of the Stroke Bore Ratio on the Performance Parameters of a Dual-Spark-Ignition （DSI）Engine.Energy Fuels，2009，23（4）：1825～1831

6Ismail Altın，Bilgin A.A parametric study on the perfor⁃mance parameters of a twin-spark SI engine.Energy Con⁃version and Management，2990（50）：1902～1907

7Bilgin A.Geometric features of the flame propagation pro⁃cessfor an SI engine having dual-ignition system.Energy Res，2002，26：987～1000.

8Ramtilak A，Joseph A，Sivakumar G，et al.Digital twin spark igniion for improved fuel economy and emissions on four stroke engine.SAE 2005-26-008.

9Bozza F，Gimelli A.A Quasi-Dimensional Three-Zone Mod⁃el for Performance and Combustion Noise Evaluation of a Twin-Spark High-EGR Engine.SAE 2004-01-0619.

10Lauvergne R，Hallot J.Investigation of the Effect of Double Ignition on the Combustion Processes in a 2-valves Gaso⁃line Engine Through 3D Simulation.SAE 2003-01-0010.

11黄琪.小型高速汽油机双火花塞速燃多工况VVT系统研究：［学位论文］.重庆：重庆大学，2009.

12陆薛松，王显会.双火花塞小型内燃机燃烧过程数值模拟.拖拉机与农用运输车，2012（1）：42～44，46.

13李林，张力，张瑜，等.双火花塞点火汽油机轻度分层混合气生成过程的数值模拟.汽车工程，2010（8）：673～677.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年3月1日。

中图分类号：U464.174

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）07-0030-07

*基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2008AA11A167）。

通讯作者：朱昌吉，男，教授，E-mail：zhucj@jlu.edu.cn。

Simulation Research on Improvement of CNG Engine Performance under High EGR Rate with Double Spark Plugs

Li Chuixiao，Zhu Changji，Li Jun
（State Key Lab of Automobile Simulation&Control，Jilin University，Changchun 130025）

【Abstract】In this research，we use AVL-FIRE software to simulate different ignition strategies（single and double spark plug ignition）for research combustion process and performance of CNG engine.Results of the research show that at the speed of 2840 r/min，75%load and 25%EGR rate，stoichiometric combustion conditions，the optimum ignition timing of the single spark plug is 65°BTDC（before top dead center），double ignition spark plug is 55°BTDC，the optimum ignition asynchronous ignition of double spark plug is 55°～60°BTDC；Under the optimum ignition performance，ignition combustion duration of double spark plug is shortened 20°than single spark plug，indicated power improved by 2kW，indicated specific fuel consumption increased by 8%.

Key words:CNG engine，Double spark plugs，EGR rate，Stoichiometric combustion