喷管结构及位置对天然气发动机燃烧特性的影响

杨立平， 桑卫辉， 宋恩哲， 王佳琦， 刘振廷

(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

燃料供给方式对天然气发动机性能具有重要 的影响。目前，天然气发动机供气方式可分为：单点供气(混合器或单点喷射)、歧管多点喷射、缸内直喷和复合供气[1-3]。其中，歧管多点喷射发动机由于成本较低、各缸燃料分配一致性好、对负荷变化响应快以及可实现单缸空燃比独立控制等优点，在车用、船用和路用发电等领域得到了广泛应用。但是，采用歧管多点喷射供气方式时天然气与空气混合时间较短，天然气和空气混合不充分，容易致使进入缸内混合气不均匀，而对缸内混合气分布不均匀性进行控制并加以利用，可以改善点火的稳定性，进而有利于提高稀燃天然气发动机热效率[4-6]。但目前对多点喷射天然气发动机缸内混合气分布不均匀性和燃烧优化问题的研究比较少。

为了指导玉柴YC6K400LN-C30发动机多点喷气系统的设计开发，考虑燃气射流与气道内空气的交互作用和进气及时性，针对多点喷射天然气发动机混合气形成及燃烧优化问题，本文从燃气射流与进气来流的角度以及喷气射流出口位置2个方面，利用CFD仿真方法，对比研究了喷管结构及位置对天然气发动机燃烧特性的影响规律，旨在为实现天然气发动机高效清洁燃烧提供理论依据。

1 仿真模型建立与实验验证

1.1 天然气发动机结构参数

本研究在玉柴YC6K400LN-C30天然气发动机上开展，原机是一台单点喷射、增压中冷、四气门、六缸天然气发动机，缸径：129 mm，冲程：165 mm，额定功率和转速分别为294 kW和1 800 r/min，将原机改为歧管多点喷射式发动机，并自主开发了发动机电控系统，可实现喷气正时和燃料流量的灵活调整和精确控制。

1.2 喷管结构

燃气喷嘴结构对混合气形成、燃烧过程和稀燃界限具有重要影响[7-10]。在对燃气喷射阀流量特性分析的基础上，设计了管径为8 mm的4种不同结构喷嘴，分别为喷孔中心线与空气来流方向呈0°、45°、60°、90°夹角。其中，带有0°喷孔的喷嘴是一个单孔喷管，即喷嘴出口不封闭且侧壁不打孔。多孔喷管是将单孔喷管出口封闭，在管壁上加工出多个与进气来流方向呈不同角度的小孔来实现，每种多孔喷管的喷孔位于6个经向截面内，每个截面上均布6个喷孔，共36个喷孔，为了确保每个喷孔喷出天然气与空气充分接触，不同截面上喷孔都不在同一轴向截面内，如图1所示。

图1 不同喷管的结构Fig.1 Structures of the different nozzles

1.3 计算网格划分及边界条件设置

由于所研究天然气发动机进气总管入口位于发动机一侧，为了更真实模拟天然气发动机进气流动、压缩和燃烧过程，本研究所建立的三维几何模型，不仅包括进气道、进气门、气缸和活塞等常规结构，而且还包括整个进气总管。为了降低计算量、节约计算机资源，在进气结束后，压缩和燃烧过程去除进气总管和进气道，活塞位于进气下止点时(540 ℃A)的网格数最多为302万。为了对喷管内燃气流动、燃气在进气道内的分布、缸内混合气形成和燃烧过程进行详细分析，选择了3个具有代表性的切片位置，如图2所示。

注：1.过喷管出口中心且平行于气缸中心线,2.过喷管中心线且垂直于气缸中心线线,3.过火花塞中心2个交叉轴向截面。 图2 截面的位置Fig.2 Positions of the sections

燃气喷管入口和喷管壁面的温度设置为300 K，进气道温度设置为310 K，进气门和排气门的温度分别为350、490 K，缸盖表面温度为400 K, 而活塞的温度为510 K。

1.4 仿真模型验证

本研究采用CFM-2A拟序小火焰模型、k-ε双方程湍流模型、火花点火模型、Zeldovich NOx生成模型。为了对模型进行验证，在转速为1 640 r/min，75%负荷条件下，过量空气系数为1.46，对采用8 mm、0°天然气喷管时发动机的燃烧进行了测试。喷气持续期为13.43 ms，天然气喷气量为43.5 kg/h，考虑到燃气喷射阀开启后燃气从喷管喷出存在延迟，喷气正时选为进气上止点前5 ℃A、点火正时为压缩上止点前30 ℃A。实验与仿真结果对比如图3所示，由图可见，仿真结果与试验结果的一致性较好，仿真获得的缸压和放热率峰值比试验结果略高(分别高2.1%和0.8%)。所选模型可以用于天然气发动机燃烧过程的预测分析。

2 喷气方向对燃烧及排放影响分析

2.1 缸压、放热率和NO排放对比

图4给出采用不同结构喷管时缸压和放热率对比曲线。由图可见，喷管结构对燃烧有较大影响。采用0°、45°和60°喷管时缸压峰值相差较小，最高峰值压力出现在采用60°喷管时，为9.76 MPa，而采用90°喷管时最低，为9.16 MPa，比60°喷管低0.6 MPa，下降6.1%。而放热率按照0°、45°、60°和90°的顺序依次降低。虽然0° 喷管放热率峰值较大，但是放热率峰值相位晚于45°和60°喷管，与90°喷管相同，为735 ℃A。

图5给出不同结构喷管时NO排放对比曲线。由图可见0°喷管NO排放值最大。90°喷管NO排放最小。而45°和60°喷管NO排放量相当，介于0°喷管与90°喷管之间。

图3 实验与仿真缸压对比Fig.3 Comparisons of in-cylinder pressure between experiment and simulation

图4 喷气方向对缸内压力和放热率的影响Fig.4 Effect of gas fuel injection direction on cylinder pressure and heat release rate

图5 喷气方向对NO排放的影响Fig.5 Effect of gas fuel injection direction on NO emission

2.2 进气过程仿真分析

图6给出了进气过程中进气道内甲烷的分布情况，图6(a)为过喷管出口中心、平行于气缸中心线(位置1)且活塞位于400 ℃A时甲烷浓度场分布情况。由图可见，随着天然气射流与空气来流方向夹角的增加，天然气在歧管内与空气的接触面积增加，混合更充分。由于该气体发动机采用双进气道，采用0°喷管时天然气主要是从远离喷管处的进气门进入气缸，而随着喷管角度的增大，进入2个进气道内燃料的差异性减小。这是由于0°喷管的燃气喷射方向与进气来流的方向一致，燃气与空气的接触面积较小，且燃气射流具有较高的运动能量，因此在进气道内形成了受燃气射流支配的燃气分配方式。随着喷管角度的增大，天然气在与空气来流垂直方向的速度分量增加，贯穿的距离增大，与空气接触面积增加，相互作用增强，形成了一定程度的预混，进气道内逐渐形成了受空气流动支配的燃气分配方式，天然气从2个进气门进入缸内的一致性得到改善。

图6(b)给出了活塞位于560 ℃A时经喷管中心轴线且垂直于气缸轴线截面(位置2)歧管内甲烷浓度场。由图可见，在进气门关闭后，采用不同结构喷管时，在进气道内存在不同程度的甲烷残余，并随着喷孔角度的增大，甲烷残留量增多。这意味着在相同的燃气喷射脉宽下，进入气缸的燃料减少，如图7所示。

图6 喷气方向对进气管内甲烷浓度分布的影响Fig.6 Effect of gas fuel injection direction on methane concentration distribution in intake port

图7 喷气方向对进入缸内甲烷质量的影响Fig.7 Effect of gas fuel injection direction on methane mass in cylinder

由图7可见，在天然气供给量均为158 mg的情况下，0°喷管进入缸内的天然气量最多，为149 mg；90°喷管最少142 mg，比0°喷管减少4.7%，这是导致90°喷管放热率和缸压峰值较低的原因之一。由于随着喷气角度的增大，燃气与空气的作用增强，使空气的流速降低，迟滞了进气过程，同时在燃气喷射阀关闭后，喷管内的气体流出速度降低，导致实际燃气喷射持续期变长，因此进气门关闭后，部分气体燃料未来得及进入气缸，导致燃料残余问题。

2.3 缸内流动、混合气形成与燃烧过程分析

图8分别是不同曲轴转角下经过火花塞中心的2个交叉轴向截面内的速度场、浓度场和火焰面密度。由图8(a)可见，在压缩过程挤流运动作用下，气体向气缸中心流动，气体在燃烧室中心附近碰撞并掺混，导致靠近火花塞的燃烧室中心附近形成了大范围的低速区，60°和90°喷管的低速区范围较大，火花塞附近较低的气体流速有利于稳定的初始火核形成。由图8(b)可见，喷管结构对缸内混合气浓度分布有较大影响，采用不同结构喷管时，在缸内都会形成一定程度的局部浓混合气，特别是0°喷管由于在进气阶段燃料与空气混合不充分，导致压缩上止点附近，靠近一侧挤气间隙位置出现较大范围的局部浓混合气，这是导致0°喷管滞燃期较长、后期放热速度快以及放热率峰值大的原因。而采用多孔喷管时缸内出现局部混合气较浓或分层现象说明：即使经过进气阶段的混合和压缩阶段的大尺度掺混，缸内混合气仍存在较大的不均匀性，缸内混合气浓度分布是由燃料与空气在进气道内的预混和缸内大尺度掺混共同决定。由图8(c)可见，火花塞点火后，火花塞位于流场的低速区域，有利于初始火核的形成。由于相比于0°和90°喷管，采用45°和60°喷管时缸内甲烷浓度分布相对均匀，浓混合气距离火花塞较近，所以燃烧速度较快。

3 喷气位置对燃烧及排放影响分析

针对采用多孔喷管时由于燃气射流导致进气的迟滞以及由其引起的气体燃料残留增加问题，提出了利用加长喷管强化气体的方法，旨在挖掘改变喷气出口位置对降低进气残留的潜力，进而获得喷气位置对缸内混合气形成和燃烧的影响规律。通过上文对比不同角度喷管的仿真结果发现，90°喷管在天然气喷射量相同情况下，进入燃烧室内的天然气质量最少，缸内峰值压力最低。因此，相对于原90°喷管位置将喷嘴向进气门方向分别移动了10、20、30 mm。

3.1 缸压、放热率和NO排放对比

图9给出不同位置的90°喷管缸压和放热率对比曲线。由图可见，喷管位置对燃烧有较大的影响，随着喷管出口位置向进气门方向移动，缸压和放热率峰值增加，峰值相位提前，采用延长30 mm的喷管时峰值压力最大，为9.88 MPa，比采用90°原位置喷管高7.3%。

图9 喷气位置对缸内压力和放热率的影响Fig.9 Effect of gas fuel injection position on cylinder pressure and heat release rate

图10给出NO质量分数对比曲线，由图可见，随着喷管位置靠近进气门，NO排放逐渐增加。

图10 喷气位置对NO排放的影响Fig.10 Effect of gas fuel injection position on NO emissio

3.2 进气过程三维仿真分析

图11为进气道内甲烷的分布情况。由图可见随着喷管向进气门方向移动，进入2个进气道内燃气的差异性在进一步减小(如图11(a)所示)。这是由于90°喷管燃气射流与进气流动方向相垂直，距离进气门较远时，燃气射流受空气流运动影响较大，是以空气流动为主导的燃气分配方式。随着喷管位置逐渐靠近进气门，与空气的作用时间缩短，空气的主导作用降低，所以进一步改善了进入2个进气道天然气的均匀性。

图11(b)给出560 ℃A时(位置2)歧管内甲烷浓度场。由图可见，在相同的燃气喷射脉宽下，随着喷管位置接近进气门，在进气门关闭时甲烷残余减少，进入气缸的燃料增多，如图12所示。

图11 喷气位置对进气管内甲烷浓度分布的影响Fig.11 Effect of gas fuel injection position on methane concentration distribution in intake port

在天然气供给量均为158 mg的情况下，采用原位置喷管时进入缸内的天然气量最少，为142 mg；采用延长20 mm和30 mm喷管时均为145 mg，比采用原位置90°喷管时增加了2.1%，进气残留降低了23.5%。

图12 喷气位置对进入缸内甲烷质量的影响Fig.12 Effect of gas fuel injection position on methane mass in cylinder

3.3 缸内流动、混合气形成与燃烧三维仿真分析

图13给出不同曲轴转角下经过火花塞中心的2个交叉轴向截面内的速度场、浓度场和火焰面密度。由图13(a)可见，燃气喷管位置对缸内的流场和缸内甲烷浓度的分布规律有一定影响，但相对喷管结构而言影响较弱，喷管位置向进气门方向移动时缸压和放热率峰值增加、相位提前，主要是由于进气残留减少，进入缸内的天然气量增加，引起缸内的全局当量比增加，因此改善了发动机燃烧过程。

图13 喷气位置对缸内燃烧过程的影响Fig.13 Effect of gas fuel injection position on combustion process in cylinder

4 结论

1) 喷管结构对进气混合、缸内混合气浓度分布和燃烧过程有明显影响，随着喷管喷气射流与进气来流方向夹角增大，天然气与空气在歧管内接触面积增大，而且在2个进气道内，形成了以受燃气射流为主导的燃料分配方式向以进气为主导的燃料分配方式转变，混合气更均匀，但残余量增加。采用60°喷管时缸压峰值最大，而 NO排放较低。

2) 相对于喷管结构而言，喷管位置对进气混合和缸内混合气浓度分布影响较小，随着喷管逐渐靠近进气门，进气残留逐渐减少，但是减小的幅度逐渐降低。采用向进气门方向延长30 mm的90°喷管时，进气残留比采用原90°喷管时，减少了23.5%，全局当量比的增加是燃烧和放热率增加的主要原因。