活塞形状对点燃式天然气发动机性能的影响.pdf

第 3 期 总第 2 0 6期 2 0 1 3 年 6 月 车用发动机 VEHI CLE ENGI NE No． 3 Se r i a l No． 20 6 J u n ． 2 0 1 3 活塞形状对点燃式天然气发动机性能的影响 莫海俊 ， 魏弟清。 ，冒晓健 ，卓 斌 1 ．上海交通大学机械与动力工程学 院， 上 海2 0 0 2 4 0 ；2 ．广西大学机械工程学院 ，广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ； 3 ．广西玉柴机 器股份 有限公司 ，广西 玉林6 3 7 0 0 5 摘要 结合 天然气发动机的性能优化 ， 在一 定压 缩比下， 设计 了两种不 同形状的燃烧 室， 对缸 内气体流动及 燃 烧过程进行 了数值模拟 ， 并在 台架上进行 了试验验证。模拟得 出了不 同结构燃烧 室的湍动 能、 火焰前锋 面位置 、 燃 烧放热率等 ， 结果表 明， 中心 凹陷燃烧 室效果较好 ， 与 中心凸起燃 烧 室相 比 ， 产生 的湍流 强度 较大 ， 燃烧速度 更快 ， 克 服 了天 然 气燃 烧 速 度 慢 的缺 点 ， 因 此 动 力 性 和 经 济 性 较 好 ， 然 而 N0 排 放 量 也 较 大 。 关键词 天然气发 动机 ；燃烧室 ；湍动能 ； 性能 D0I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 1 - 2 2 2 2 ． 2 O 1 3 ． 0 3 ． 0 1 0 中图分类号 TK 4 3 3 ． 3 3 文献标志码 B 文章编 号 1 0 0 1 - 2 2 2 2 2 0 1 3 0 3 0 0 4 5 - 0 5 天 然气 作 为清 洁 能 源具 有 资源 丰 富 、 污 染 小 的 优势 ， 但是 由于其层流火焰速度较低 ， 采用稀燃方式 后更需要促进湍流火焰的传播 ， 所以缸 内的气流运 动 对燃 烧过 程尤 为重 要 。而 活塞形 状对 缸 内气体 的 流动有 着 至关 重 要 的影 响 ， 研 究 表 明l 2 。 ] 对 于 稀 薄 燃烧的天然气发动机来说 ， 敞 口型、 直 口碗型、 缩 口 型燃烧 室 的湍 动能顺 次增 大； 湍动 能高 的燃烧 室 NO生成量高、 动力性和经济性好 ； 尺寸对燃烧过程 的影 响远小 于燃 烧 室形状 对燃 烧过 程 的影 响 。本 研 究的重点是燃烧室底部形状 的改变对气体流动、 燃 烧 过程 和发 动机 性 能的影 响 。 通过数值计算可 以获得燃烧过程 的大量信息 ， 这些信息能充分反映燃烧室几何形状的变化对燃烧 过程的影响。本研究应用 C F D软件对燃烧过程进 行了三维数值模拟计算 ， 得 出了 2种不 同结构燃烧 室的缸 内温度场 、 湍动能分布 、 气缸压力示功图等结 果 ， 详细分析了不同燃烧室形状的缸 内混合气湍动 能分布和温度分布及湍动能对火焰传播的影响。 1 燃烧 室设计方案 研究机型为 l台由柴油机改装成的涡轮增压火 花 点火 4气 门天 然 气发 动 机 ， 发 动 机 的基 本 参 数见 表 1 。 由于前期 的研 究表 明直 口型 燃烧 室 比较适 用 于天然气发动机 ， 因而在保 留直 口形状的 同时对燃 烧室的底部进行了改动 ， 在压缩 比为 1 1 ． 5 1的条 件 下 ， 设 计 了 如 图 1所 示 的 两 种 燃 烧 室 方 案 活 塞 A 底 部 凸起 ； 活 塞 B 底 部 凹陷 。 表 1 发动机主要性能参数 型式 立式、 直列、 四行程 进气方式 增压 中冷 气缸数／ 个 4 缸径／ mm 1 0 8 行程／ mm 1 1 5 排量／ L 4 ． 2 压缩 比 1 1 ． 51 标定功率／ k W 1 0 3 标定功率转速／ r mi n 2 8 0 0 最大扭矩／ N IT I 4 2 0 最大扭矩转速／ r mi n 1 3 0 0 ～1 5 0 0 全负荷最低燃油消耗率／ g k W h - 1 2 0 0 活塞A 活塞B 图 1 不同形状燃烧室示意 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 1 0 6 ；修 回日期 2 0 1 3 - 0 4 2 8 作者简介 莫海俊 1 9 7 9 一 ， 女 ， 博士 ， 研究方 向为发动机性能优化 ； c h e r r y mh j 1 6 3 ． c o m。 车用发动机 2 0 1 3年第 3 期 2 燃烧过程 的数值模拟 2 ． 1 计 算模 型 模拟计算所依据的守恒定律为质量守恒、 动量 守恒和能量守恒 ； 给定壁面边界条件 ； 湍流模型为经 过 压缩 修正 的 e双 方 程 湍 流 模 型 ； 燃 烧模 型 采 用 相干 火 焰 模 型 c o h e r e n t f l a me mo d e 1 。相 干 火 焰 模型中火焰被假设为把反应物与生成物分开的无限 薄的表面 ， 燃烧过程变成了求解输运方程在火焰表 面的传播过程 。燃烧速度由火焰面积、 层流火焰传 播速度和未燃气体密度决定。该模型最大的优势是 对化学反应尺度和湍流尺度进行解耦， 其控制方程 包 括 1 火焰表面密度方程 a ∑ ． O u j ∑ a， V t a ∑、 r 一 一 ∑ ～ 卢 阻 ∑。 ； 一 ● ‘一 2 燃油物质分数方程 一 3 x j a pf 3 xj3 x 一 灿s ； a ’ a z ‘ “ m v L 3 2步燃油 消耗 机理 C H m o2一 CO2 m H2 O， C H 昙o 2 一 c o -H 。 式 中 ∑为 湍流 火 焰 表 面 密 度 ； 为湍 流 的运 动 黏 度 ； 为湍流施密特 s c h mi d t 数 ； K 为火焰 的平 均延伸率 ； a ， 为调节常数， 通过调节 a ， 数值 ， 可 改变火焰表面密度 ； p f r 为新鲜气体 的密度； Y 【 u ． t 为 燃料在新鲜气体 中所 占的质量分数 ； S 为层流火焰 速度 。 2 ． 2 模 型可 行性 验证 示功 图是 检验 模型 正确 性 的途 径 之一 。为 了验 证所选模型和计算 方法并确定计算所需初始条件 ， 首先应用活塞 A进行了台架试验 ， 得到 了不 同工况 下的缸压曲线。通过对 比发现转 速为 1 8 0 0 r ／ mi n 时 ， 全负荷工况下 的模拟 及试 验结果吻合 良好 见 图 2 ， 验证了模 型选取 的合理性 ， 同时为后续火花 点火天然气发动机模拟计算工作中模型参数的设置 提供了依据。 燃烧过程的数值模拟计算从进气 门关 闭起 ， 至 排气 门打 开止 。缸 内初 始压 力 为 0 ． 2 0 2 MP a ， 燃 料 与空气均匀混合 ， 燃料当量比为 0 ． 7 1 5 ； 火花塞位于 缸套正 中央 ， 凸出缸盖底面 5 mm， 点火时刻为上止 点前 2 O 。 曲轴转角 ， 火焰为直径 3 mm 的球形 ， 初始 火焰密度 2 0 0 0 m～。通过计算 ， 对缸 内气 体流动 过程 中湍流参数的变化、 压力分布、 温度分布及燃烧 产物的浓度分布进行 了分析和预测。 图 2缸 压 曲 线 对 比 2 ． 3 计 算结 果 图 3示 出两 种 燃烧 室 在 1 8 0 0 r ／ mi n ， 1 0 0 负 荷下的计算结果 。从图 3所示 的燃烧过程看 ， 在相 同进气压力 、 转速及负荷下 ， 考虑到活塞在下止点附 近时缸 内气流运动主要受气道结构参数的影 响， 因 此假设 不 同活塞在 进气 门关 闭时 刻缸 内的湍 动能 一 致。直至排气门打开， 缸内的湍动能经历 了一个非 单调的递减过程 ， 湍动能均先减小 ， 然后增大， 再减 小 。这说 明缸 内涡流运 动所 包含 的湍 动能 在活塞 上 升 过程 中不 断衰减 ， 但在 2 9 5 。 ～ 3 1 5 。 区 间缸 内湍 动 能 几乎保 持不 变 ， 这 是 由于在 活塞上 升过 程 中 ， 活塞 的挤流作用增加了缸 内的湍动能 ， 与涡流湍动能 的 衰减相互抵消。随着活塞运动速度的降低 ， 缸 内总 的湍动能下降。当活塞 由上止点 向下运动时， 燃烧 室外侧开始出现由回流导致的湍动能增加， 此时， 缸 内湍动能出现峰值。上止点附近， 活塞 A的湍动能 明显 比活塞 B小 ， 这 意味着 活 塞 B在 该 时段 的湍 流 火焰传播速率较大 ， 将使得整个燃烧过程较短 ， 放热 过程整体提前 ， 放热率曲线峰值增大并相应提前 ， 更 接近上止点位置， 致使急燃期明显缩短， 压力峰值也 提前并增大， 缸 内燃烧温度亦随之升高 ， 由此使 NO 生成量提高。从 3 7 0 。 曲轴转 角时的缸 内燃烧脉 动 强度来看 见图 3 f ， 湍动能较大的活塞 B火焰更快 到达最后的燃烧区域 ， 这在一定程度上有利于抑制 爆震的发生， 纵然爆震与缸 内温 度的关系 比较大 。 总的来说 ， 活塞 B的燃烧速度快 ， 放热率高且提前 ， 燃烧压力高， 从燃烧角度评价 比较 理想 ， 动力性较 好 ， 但燃烧温度较高 ， NO生成量也较大。 2 0 1 3 年 6 月 莫 海俊 ， 等 活塞形状对点燃式天然气发动机性能 的影响 、 憩 建 露 2 7 3 2 9 3 3 1 3 3 3 3 3 5 3 3 7 3 3 9 3 曲轴转角9 ／ 。 a平均湍流强度 曲轴转角‘ P ／ o d 平均温度 3 5 5 3 6 0 3 6 5 3 7 0 3 7 5 3 8 O 曲轴转角 ／ 。 b放热率 0 ．0 0 3 O． 0D 2 整 0 ． 0 0 2 0． 0 01 Z 0 ．0 01 0 ．0 0 0 曲轴转角 ／ 。 c缸 内压力 燃烧 脉动强度 匿Ⅱ工Ⅱ 5 ． 1 e 一 0 1 2 n 0 5 0 0 ． 1 0 0 0 ． 1 5 0 02 O 0 0 ． 2 5 0 0025 0． 0 75 01 20 01 70 02 2 0 3 6 0 3 7 O 3 8 0 3 9 0 4 0 0 。 f 3 7 0 。曲轴转角时缸内 e N o 质 量 分 数 燕 旎H 糯 ⋯ ～ 图 3 不同燃烧室燃烧过程的计算结果 3 性能试 验 在数值模拟的基础上， 对两种不 同形状燃烧室 进行了试验 ， 发动机控制采用 自主开发 的稀薄燃烧 电控 E C U系统 ， 根据转 速和进气质量流量 等参数 确定 发 动机 工 况， 精 确控 制 喷气 和 点火 ， 并 利 用 N GK公司的宽域氧传感器 UE GO对发动机空燃 比 进 行 实时 检测 和反馈 。试 验装 置示 意见 图 4 。 图 4 试验装置示 意 在转速 1 8 0 0 r ／ mi n ， 1 0 0 负荷下 ， 燃用同一气 源 ， 保证相同的输出功率 ， 对不同点火提前角和过量 空气系数下的耗气率、 指示热效率 、 排气温度和 NO 排放进行了比较 ， 并 比较 了两种不同燃烧室的爆震 界 限 。 从 图 5中可 以看 出 ， 同一点火 提前 角下 ， 随着过 量空气系数的增加排气温度显著降低 ， 这 主要是由 于过量的空气对可燃混合气进行了有效稀释， 使燃 烧温度显著降低 ， 有利于降低 NO排放。对于气耗 率和指示热效率来说， 二者受过量空气系数和点火 提 前角 的共 同影 响 ， 而且 点 火 提 前 角 的影 响 明显 比 过 量空 气 系数 的影响 大 。 通过试验结果的比较可知 在较大范 围的过量 空气系数和点 火提前 角下 ， 燃烧室 B的气耗率较 低 、 指示热效率较 高、 排气温度较低 ， 其中气耗最大 相 差 5 g ／ k W h 左 右 ， 排 气 温 度 最 大 相差 2 5℃ 左右。正如数值模拟计算和分 析的结果 ， 燃烧室 B 产生的湍流强度较大， 有利于提高燃烧火焰 的传播 速度 ， 缩短燃烧时间， 从而使快速燃烧期更加靠近上 止点 ， 提高了热效率 见图 5 d至图 5 f ， 进而降低 了 燃气消耗 见图 5 a至图 5 c ， 但 同时 ， 由于最高燃烧 压力的提 高导 致 了缸 内最高 燃烧 温度 的升高 ， 使 N O排放量也明显升高 见 图 6 。当过量 空气系数 处于较小和较大值时 ， 两活塞 的试验结果相差较为 明显 ， 这是因为在混合气较浓和较稀的情况下 ， 涡流 对燃烧的影响更为明显。 4 8 车用发动机 2 0 1 3年第 3 期 錾 呈 王 、 上 ● ● 料 涎 肇 点火提前角／ 。 点火提前角／ 。 d 点火提前角／ 。 g 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 点火提前角／ 。 b 点火提前角／ 。 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 O 3 2 3 4 点火提前角／ 。 h 、 槲 彝 1 点火提前角／ 。 点火提前角／ 。 i 点火提前角／ 。 图 5 不 同过量空气系数及点火提前角下气耗率 、 指示 热效 率和排气温度试验结果 的比较 点火提前角 ／ 。 图 6 1 ． 3 2时 NO排放试验结果的 比较 两个活塞爆震界限的比较见 图 7 。从图中可 以 看 出， 发动机爆震倾向随着空燃 比的增加而减小 ， 即 稀混合气可 以起 到抑 制爆 震 的作用 。根 据 自燃机 理 ， 引起这种结果的原因主要有两个 一是混合气 变稀降低 了末端气体 中燃 油的浓度 ， 即使在相同的 压力温度条件下也不会轻易发生 自燃 ； 二是空气量 的增加使得缸内最高燃烧温度和压力降低， 从而抑 制 了爆 震 的发生 。 1 -2 4 1 ．2 7 1 _3 0 l _3 3 1 -3 6 1 - 3 9 过量空气系数 咖 图 7爆震 界限的比较 另外 ， 活塞 B的爆震界限 比较宽 。活塞 B燃烧 过程 的缸 内平均 温度 比较高 ， 这说 明该 工况 下 ， 当过 量 ． I ． 瓣 器 、 斛赣穰 、 爵揆蕞幅 、 赠 瑚 踟咖 啪鲫 锄枷锄啪 锄 鲫 、 赠 } } ＼ 赠 箍 一 。 一 、 柱 2 0 1 3 年 6 月 莫 海俊 ，等活塞形状对点燃式天然气发动机性能 的影 响 4 9 量空气系数大于一定 的值后 ， 缸 内温度不是决定爆 震的主要 因素。活塞 B具有较 高的湍动能 ， 能促进 火焰的快速传播， 使得末端混合气能在更短的时间 内正常着火燃烧 ， 因此在一定程度上抑制了爆震 的 产生 。 4 结 论 a 数值模拟计算显示 ， 燃烧过程 中底部凹陷比 底部凸起的燃烧室湍动能大， 较高的湍动能促进火 焰 的快速传播 ， 使燃烧放热更集中、 更靠近上止点 ； b 燃 烧室 B具有 较高的湍动能 ， 因而经济性 好 、 爆震界限宽、 NO生成量 高， 在具备 NO后处理 的条件 下 ， 燃 烧 室 B可 以作 为满 足 低 气 耗 、 宽 运 行 区域 的天然 气发 动机 的设 计方 案 。 参考文献 E l i [ 2 ] [ 3 ] [ 4 3 E 5 ] [ 6 ] 李娜 ， 张 强 ， 王 志明． 燃 烧 室结构 对天 然气发 动机 燃烧过程 的影 响E J ] ． 农 业机 械 学报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 2 5 2 5 5。 7 1 ． 焦运景 ， 董 宏 ， 张惠明， 等． 燃烧 室形状 时天 然气发动 机燃烧过程 影响的研 究E J ] ． 内燃机 工程 ， 2 0 0 9 ， 3 0 4 2 8 3 3． 司鹏鹞 ， 张惠明 ， 杨 志勇， 等． 燃烧 室结构对稀燃 天然气 发动机性 能 的影 响[ J ] ． 农 业机 械 学报 ， 2 0 0 9 ， 4 0 4 5 3 - 5 7． 杨 立平 ， 李 君 ， 高 莹， 等． 燃烧 室形状对天 然气发 动 机缸 内流动和燃烧 过程 的影 响l- j ] ． 吉林 大学 学报 工 学 版 ， 2 0 0 7 ， 3 7 6 1 2 5 7 - 1 2 6 2 ． 周龙保． 内燃机 学[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 于 吉超． 稀 薄燃烧汽 油机爆震 特性 [ J ] ． 燃烧科 学与技 术 ， 2 0 0 7 ， 1 3 1 7 2 7 5 ． Ef f e c t o f Pi s t o n S ha pe o n S I NG En g i n e Pe r f o r m a n c e MO Ha i j u n ，WEI Di q i n g ，MAO Xi a o j i a n ，Z HUO Bi n 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ，Ch i n a ； 2．Co l l e ge o f M e c ha n i c a l En gi ne e r i n g，Gu a ngx i Uni v e r s i t y，Na nni ng 53 00 0 4，Chi na； 3 ． Gu a n g x i Yu c h a i M a c h i n e r y Co ． ，Lt d ．，Yu l i n 5 3 7 0 0 5，Ch i n a Ab s t r a c t Co mb i n i n g t h e p e r f o r ma n c e o p t i mi z a t i o n o f NG e n g i n e ，t WO d i f f e r e n t c o mb u s t i o n c h a mb e r s we r e d e s i g n e d wi t h a c o n s t a n t c o mp r e s s i o n r a t i o ．Th e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f i n - c y l i n d e r g a s f l o w a n d c o mb u s t i o n p r o c e s s wa s c a r r i e d o u t a n d v e r i f i e d o n t h e t e s t b e n c h ． Th e t u r b u l e n c e k i n e t i c e n e r g y，f l a me f r o n t s u r f a c e p o s i t i o n a n d h e a t r e l e a s e r a t e o f d i f f e r e n t c o mb u s t i o n c h a mb e r s we r e a c q u i r e d b y t h e s i m u l a t i o n ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t ，c o mp a r e d wi t h t h e c o mb u s t i o n c h a mb e r wi t h b u l g e c e n t e r ， t h e c o mb u s t i o n c h a mb e r wi t h c u p c e n t r e h a s b e t t e r c o mb u s t i o n p r o c e s s d u e t O t h e h i g h e r t u r b u l e n c e i n t e n s i t y a n d t h e f a s t e r b u r n i n g r a t e wh i c h c o mp e n s a t e s t h e s l o w NG b u r n i n g r a t e ． Ac c o r d i n g l y ，t h e p o we r p e r f o r ma n c e a n d f u e l e c o n o my o f c o mb u s t i o n c ha mb e r wi t h c u p c e n t e r a r e be t t e r ，b ut i t s N0 e mi s s i o n i s hi gh e r ． Ke y wo r ds NG e n g i n e ；c o mb u s t i o n c h a mb e r ；t u r b u l e n c e e n e r g y ；p e r f o r ma n c e [ 编辑潘丽丽]