氩氧氛围下天然气发动机的燃烧特性研究＊

郑雷 詹羽 邓俊 金少也 李理光,2

（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.同济大学 中德学院，上海 200092）

主题词：氩氧氛围 天然气 热效率 燃烧特性

1 前言

随着CO2排放问题的日益突出，如何进一步提高发动机的热效率已成为交通领域面临的最大挑战。Eugene A.Lauman 和Rollin K.Reynolds[1]于1978 年提出了一种高效低排放的氩气循环发动机的新概念，用于柴油机发电。由奥托循环理论热效率公式可知，提高缸内工质的比热比可提高发动机热效率[2]，氩气作为单原子分子，比热比为1.67，高于双原子分子和多原子分子，而且氩气作为惰性气体不会参与反应，可降低污染物的排放量。Rentaro等[3]研究表明，氢气可在氩氧混合气中稳定燃烧，用氩氧混合气代替空气可提高热效率。Hany等[4]发现，随着氩气比例的提高，燃烧温度、燃烧压力和燃烧放热率的峰值均增大，且对应的曲轴转角提前。邓俊等[5]研究了氩气比例对发动机热效率及爆震的影响，试验结果表明，随着氩气比例的升高，热效率得到提高，爆震得到削弱。

压缩行程结束时，混合气温度越高，爆震倾向越大，导致燃烧循环变动剧烈[6-7]。由于燃烧循环变动较大，内燃机可能在每个循环中都不处于最佳燃烧状态，这对发动机的热效率和平均指示压力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）有负面影响。Ozdor等[8]研究指出，如果可以消除燃烧过程中的循环变动，在相同燃料消耗下平均指示压力可提高10%以上。影响燃烧循环变量的主要因素有缸内湍流强度、混合气组分和分布、流体运动[9]。Hamai等[10]研究表明，火花塞间隙内的混合气流速对燃烧循环变动有明显影响，由于火焰形成过程和火花持续时间都受其影响，当混合气速度过高时甚至会发生失火。燃烧循环变动也会受到空燃比的影响，因为空燃比的变化会导致火核形成速率的波动[11]。

本文基于一台改装的天然气进气道喷射点燃式发动机，以甲烷（CH4）为燃料，试验研究过量氧气系数、氩气比例、点火时间对指示热效率、平均指示压力和燃烧循环变动的影响，并利用Chemkin 进行仿真，为燃烧特性的分析和燃烧优化提供依据。

2 试验及仿真过程

2.1 试验过程

以氩氧混合气代替空气作为工质的发动机称为氩气发动机。本文所用试验装置与文献[5]相同，发动机结构参数如表1所示。试验过程中每0.5°CA采集一次缸压信号，每工况采集100个循环的数据。

表1 发动机结构参数

试验工况如表2所示。对于氩氧混合气，发动机的点火正时变化范围为0°～20°CA BTDC；对于空气混合气，点火正时变化范围为15°～30°CA BTDC，增量均为5° CA。氩气比例指氩氧混合气中氩气所占的体积分数，为与空气对比，同时研究氩气比例变化对缸内燃烧特征的影响，氩气比例选择75%、79%和82%。过量氧气系数λ定义为1 kg 燃料实际提供的氧气量与完全燃烧理论需要的氧气量的比值，为了对比稀混合气对氩气发动机热效率的影响和浓混合气对发动机动力性的影响，过量氧气系数选择0.85、1.00和1.10。

变动系数（Coefficient of Variation，CoV）为燃烧循环变动的量化标准，IMEP的变动系数为：

式中，σpmi、分别为IMEP的标准偏差和平均值。

表2 试验工况

Cpmax为峰值压力变动系数，计算方法与式（1）相同，为峰值压力标准偏差与峰值压力平均值的比值。Cpmi常被用来评价燃烧循环变动的情况，Cpmax可作为燃烧相位循环变动的评价指标，因为燃烧始点对其数值的影响很大[12]。本文同时用这2个参数表征燃烧过程的循环变动情况。

2.2 仿真过程

通过Chemkin软件对空气氛围和氩氧混合气（氩气比例Ar=79%）氛围的甲烷燃烧过程进行仿真。仿真所用机理为Aramco 1.3[13]，采用闭口发动机模型，模型结构参数与表1设置相同。在保证压缩起点温度和压力相同的前提下，探究发动机内空气氛围与氩氧氛围下甲烷燃烧的反应速率。采用闭口均质定容反应器，设置不同氛围下的反应初始温度和压力相同（温度增量为20 K），即等同于固定了发动机压缩终了温度和压力，以使氩气和温度对燃烧反应速率的影响进行解耦，进一步探究氩气本身对甲烷反应速率的影响。仿真工况参数如表3所示。

表3 仿真工况

3 仿真及试验结果分析

3.1 仿真结果分析

甲烷在燃烧初期的主要消耗方式是从CH4到CH3，因此CH4到CH3的转化率可以作为CH4反应速率的特征参数。通过对闭口发动机模型进行仿真，在着火时刻附近，不同的曲轴转角对应的CH4至CH3的主要元素反应速率如图1所示，图2所示为不同曲轴转角对应的H、O、OH的摩尔分数变化规律。图1、图2中的基元反应包括：

图1 闭口发动机模型中CH4消耗率随曲轴转角的变化

图2 闭口发动机模型中H、O、OH摩尔分数随曲轴转角的变化

从图1a 和图1b 可以看出，不同曲轴转角下3 种基元反应在着火时刻附近的反应速率变化趋势大致相同。氩氧混合气中CH4的反应速率是空气中的2 倍以上，说明氩气发动机在燃烧过程中具有较高的等容度。而且从仿真中可以看出，氩气发动机的着火时刻为21° CA BTDC，而空气工质下为16° CA ATDC，这是因为氩氧混合气具有较高的比热比，压缩行程温度上升较快，导致氩气发动机更早着火。从图2a 和图2b 中可以看出，OH、H和O在这3个基元反应中起着重要作用，且氩气发动机缸内OH 峰值的摩尔分数是空气中的2倍，这与CH4的转化率变化趋势十分吻合。

利用闭口均质定容反应器进一步分析在相同温度和压力环境下，氩氧和空气氛围对CH4转化速率的影响，由于式（2）～式（4）对应的基元反应中CH4的消耗率变化趋势相同，故仅取式（3）对应的CH4消耗率峰值的绝对值来表征CH4反应速率。氩氧和空气氛围下CH4消耗率峰值及其对应的温度随反应初始温度的变化曲线如图3所示。从图3a中可以看出，氩氧氛围中CH4的反应速度明显较空气氛围中的高，结合图3b可以看出，在燃料反应的过程中，氩气的高比热比使温度更快升高，加速了反应的进行。因此，在氩气发动机中，压缩行程与反应初始阶段均促进了缸内温度的迅速上升，加快了氩氧氛围中燃料的反应速率，造成氩气发动机在燃烧的过程中有更高的等容度。

图3 闭口均质反应器中CH4消耗率峰值及对应温度随反应初始温度的变化

3.2 氩气发动机经济性、动力性试验与分析

图4a 所示为过量氧气系数λ=1.00 时，不同氩气比例下，指示热效率η和IMEP 与点火时刻的关系，二者均由试验数据计算所得。从图4a 中可以看出，随着氩气比例的升高，发动机的指示热效率会提高，当氩气比例为82%时达到最高热效率47.8%。但是，氩气比例过高时IMEP 下降。分析认为，氩气比例的增大使得气缸内工质比热比增大，进而提高发动机的热效率，但同时降低了每循环燃料喷射量，使得动力性有所下降。

图4 η和IMEP与氩气比例、点火时刻、λ的关系

图4b和图4c显示了在氩氧混合气（Ar=79%）和空气作为工质时，不同过量氧气系数下，η和IMEP与点火时刻的关系。结果表明，氩气发动机和传统天然气发动机在稀混合气下均能获得较好的指示热效率，而在浓混合气下能获得较好的平均指示压力。当λ=1.00 时，将进气由空气替换为79%氩气比例的氩氧混合气，可使指示热效率从原机最高值35.9%提高到43.0%，同时，IMEP也从0.81 MPa提高到0.95 MPa。且从图4b和图4c中可以看出，在稀燃工况下（λ=1.10），氩气发动机的指示热效率可从过量氧气系数为1时达到的最高热效率47.8%提高到49.8%，而其对应的IMEP 虽然降低到0.85 MPa，但仍高于空气工况下所达到的值。

图4a、图4b 中不同工质、不同氩气比例的最大指示热效率对应工况点的缸内压力与曲轴转角的关系曲线如图5a、图5b 所示。从图5a 中可以看出，氩气发动机最高缸内压力达5.4 MPa，明显高于传统天然气发动机最高缸内压力，这主要是因为氩气发动机具有较高的比热比。氩气发动机的最大压力升高率(dP/dφ)max和最大燃烧放热率(dQ/dφ)max也明显高于天然气发动机，这说明氩气发动机燃烧的过程较为迅速，这与仿真结果一致，都说明氩气氛围下可提高燃料燃烧的等容度。从图5b 中可以看出：当氩气比例为75%时，(dP/dφ)max=0.44 MPa·[(°)CA]-1和(dQ/dφ)max=85.4 J·[(°)CA]-1均达到最大值；当氩气比例为79%时，平均指示压力为0.96 MPa 达到最大值；当氩气比例为82%时，η=47.8%达到最大值。因此可能存在一个最优的氩气比例来平衡各特征参数，如η、平均指示压力、(dP/dφ)max、(dQ/dφ)max等。图5c、图5d 分别为不同工质、不同氩气比例下燃烧放热率与曲轴转角的关系，工况点与图5a、图5b相同。

3.3 点火正时、λ及氩气比例对变动系数影响的试验与分析

图6 所示为空气和氩氧混合气（Ar=79%）分别作为工质时，不同过量氧气系数λ下，Cpmi、Cpmax和着火延迟期（定义为燃料释放能量2%时对应的曲轴转角与点火正时对应曲轴转角的差值）随点火正时的变化曲线。

图5 最大指示热效率对应工况下缸压和燃烧放热率随曲轴转角的变化曲线

从图6a中可以看出，在相同点火正时下，传统天然气发动机和氩气发动机的Cpmi均随混合气浓度的增大而降低。由于稀薄混合气的燃烧速率较低，延长了燃烧持续时间，使得燃烧过程中容易受到气缸内流场变化的影响，造成燃烧过程不稳定，因此使循环变动增大。氩气发动机因在压缩冲程温度上升较快，更容易发生爆震，故点火提前时，氩气发动机的Cpmi较传统天然气发动机高；较浓的可燃混合气对爆震有一定的抑制作用，导致氩气发动机和天然气发动机Cpmi差异减小。

图6b中随λ的增大，氩气和天然气发动机Cpmax均增大，这与Cpmi的变化趋势相同。但是氩气发动机的Cpmax却明显低于天然气发动机，这是因为Cpmax对着火时刻的变化十分敏感，氩氧混合气作为工质时因缸内压缩时具有较高的温度而缩短着火延迟期，造成着火时刻变动较小。从图6c 中可以明显看出，氩气发动机的着火延迟期远低于天然气发动机。

图6 不同过量氧气系数下Cpmi、Cpmax和着火延迟期随点火正时的变化

从图4b和图6a的对比可以看出，Cpmi与η随点火正时变化的规律具有一致性。在相同的过量氧气系数下，Cpmi越高，对应的η越低，因为燃烧循环变动越大，表明发动机的许多循环都不能达到最佳燃烧状态，因此降低发动机的指示热效率。

当λ=1.00时，氩气比例对Cpmi、Cpmax和着火延迟期的影响如图7所示。从图7a中可以看出，随着氩气比例的升高，Cpmi呈现下降趋势，这是因为氩气比例的升高可明显抑制氩气发动机的爆震[5]，使得燃烧过程更加稳定，燃烧循环变动降低。而Cpmax随氩气比例的升高而增大，从图7b中可以看出，氩气比例增大使着火延迟期加长，导致燃烧始点波动增大，最终Cpmax升高。

图7 不同氩气比例下Cpmi、Cpmax和着火延迟期随点火正时的变化（λ=1.00）

4 结论

a.氩气发动机在压缩行程与燃烧过程中温度升高较快，共同促进燃烧的进行，提高燃料反应速率，使得氩气发动机燃烧过程中等容度较高。

b.由于氩氧氛围中燃料燃烧具有更高的等容度，直接采用79%比例的氩氧混合气代替空气作为工质，可将原发动机的指示热效率从36.9%提高到43.0%，平均指示压力从0.81 MPa提高到0.95 MPa；通过提高氩气比例至82%，指示热效率可增大到47.8%；进一步采用少量稀燃的方式，在过量氧气系数为1.10，氩气比例为79%时，指示热效率提高到49.8%。

c.混合气较浓时可同时改善燃烧循环变动和燃烧相位循环变动，氩气比例升高使得燃烧循环变动降低，燃烧相位循环变动升高；指示热效率和燃烧循环变动随点火正时的变化具有较好的一致性，当燃烧循环变动较小时，对发动机的指示热效率有改善作用。