點火提前角對天然氣轉子發動機燃燒過程的影響

范寶偉，潘劍鋒，陳瑞，劉楊先，唐愛坤，王謙

(江蘇大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江212013)

0 引言

三角轉子發動機是一種旋轉活塞式四沖程發動機，與傳統的往復式發動機相比，具有體積小、質量輕、高速性能好、功率密度高、運動零部件少、可以燃用多種燃料等優點，世界各國將三角轉子發動機廣泛應用于無人機、軍用特種車輛、海軍陸戰隊登陸艇、小型船舶和坦克輔助電源動力以及空軍輕便發電機，我國也已有多種無人機和軍用車輛使用三角轉子發動機作為動力裝置和發電裝置［1］。

由于轉子發動機燃燒室內可燃物的單向流動，使其更適合燃燒天然氣、氫氣等清潔氣體燃料［2-3］，并且我國天然氣儲量豐富，因此研究天然氣轉子發動機具有重要的理論意義和實際應用價值［4］。

國內外學者對天然氣轉子發動機進行了探索性的研究，研究表明為了克服天然氣燃燒速度慢、后燃嚴重等缺點，采用合理的點火位置和點火提前角能在很大程度上改善燃燒過程［5-6］。但是在燃燒過程中，點火提前角與缸內湍流的耦合作用，究竟如何影響火焰的傳播，國內外相關文獻未見報道。本文基于fluent 軟件進行二次開發，實現了火花點燃式天然氣轉子發動機的動態模擬，在此基礎上，分析得到了點火提前角對缸內流場乃至缸內燃燒過程的影響。

1 物理模型的建立

研究對象是文獻［7］中所用發動機，其由218系列汽油轉子發動機改造而成，發動機進氣方式為周邊進氣，其工況為:節氣門全開，轉速3 600 r/min，缸內平均指示壓力為0.345 MPa. 甲烷和空氣混合氣預混后進入氣缸，其燃空比為1∶22.9(當量比為0.75)，發動機基本參數如表1所示。

表1 轉子發動機基本參數Tab.1 Basic parameters of rotary engine

如圖1所示，發動機內轉子的運動方向為逆時針運動，轉子轉動1 圈，偏心軸轉動3 圈，對應旋轉的角度為1 080°，其中箭頭處為火花塞的安裝位置。結合轉子發動機的工作特點，進排氣道區是計算區域不變的區域，設置為靜態網格區域;轉子機汽缸和轉子之間的工作區域是計算區域隨時間變化的區域，設置為動態網格區域。由于動態網格的生成需要，采用了非結構的三角形網格。經過反復比較，確定的初始網格數量為39 706，圖2為二維初始網格圖。

圖1 偏心軸轉角標識Fig.1 Eccentric shaft angle identification

圖2 二維網格Fig.2 Two-dimensional mesh of chamber

2 計算模型的建立及驗證

2.1 計算模型

轉子發動機缸內氣體為可壓縮黏性流動，一般都具有相當高的湍流度，而RNG κ-ε 湍流模型嚴格考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉和張力的快速變化，它對于復雜流動有更高精度的預測潛力，適用于轉子發動機內部的復雜流動［8］。因此，湍流模型選擇RNG κ-ε 湍流模型。該模型的表達式為

式中:ρ 為密度;t 為時間;v 為速度;x 為坐標;μeff為有效粘度;Gk為層流速度梯度產生的湍流動能;Gb為由浮力而產生的湍流動能;YM為在可壓縮湍流中過渡擴散產生的波動;C1ε、C2ε和C3ε為經驗常數;ακ和αε分別為κ 方程和ε 方程的湍流Prandtl 數;Sκ和Sε為源項。

燃燒采用一步反應方程式，即

為了綜合考慮缸內化學反應速率和湍流脈動對燃燒的影響，選擇層流有限速率/渦耗散結合的計算模型，其中Arrhenius 和渦耗散反應速率都進行計算，凈反應速率取兩個速率的較小值［9］。進排氣口采用壓力邊界條件，設定進排氣口壓力為大氣壓。發動機缸壁溫度采用壁面邊界條件，溫度根據經驗值設定為400 K. 氮氧化物生成模型采用“熱力型”和“快速型”生成機理。

2.2 模型可行性驗證

機型流場的實驗數據，而DeFilippis 等［10］利用激光多普勒測速儀對另外一種同樣采用周邊進氣的轉子發

首先，對流場計算結果進行了驗證，由于缺乏該動機進行了測量，得到了缸內流場的變化過程，圖3為文獻［10］實驗中激光多普勒測速儀的測點位置分布。

圖3 激光多普勒測速儀的測點分布［10］Fig.3 Measurement locations of laser Doppler velocimeter［10］

所以利用已建立的動態模擬模型對文獻［10］中發動機的流場進行數值模擬，模擬結果如表2所示。從表2中可以看出，計算得出的缸內流場分布規律與實驗結果十分相似，包括缸內流場的流速以及渦流的位置。比如曲軸轉角730°CA 時發動機進氣口附近的流速，實驗結果和計算結果都約為20 m/s，而渦流位置，實驗結果和計算結果都位于燃燒室前部區域。曲軸轉角1 000°CA 時由于燃燒室容積減小，渦流被壓縮而破碎成單向流，實驗結果和計算結果都顯示流場為單向流，并且流速都約為10 m/s，由此說明選用的湍流模型對該類周邊進氣轉子發動機缸內流場的計算是準確的，對于其缸內流場具有高度的預測能力。

同時為了驗證燃燒過程計算結果的正確性，采用所建立的計算模型，對文獻［7］中由218 系列改裝的預混天然氣轉子發動機進行了數值模擬，并與文獻［7］中改裝后發動機的實驗數據進行對比。

圖4和圖5分別是計算結果與文獻［7］結果的示功圖對比和燃料已燃質量分數對比，發動機的點火提前角為42°CA，對比的范圍從點火時刻到上止點后60°CA. 計算結果與文獻［7］結果的氣缸壓力平均誤差約12%左右，燃料已燃質量分數平均誤差約9%左右。從圖4和圖5中可以看出:計算結果與文獻［7］結果大體趨勢一致，吻合良好，只是在示功圖(見圖4)中壓力峰值處略有差別，說明所建立的計算模型是合理的。

3 計算結果與分析

3.1 不同點火提前角對燃燒過程的影響

轉子發動機設計的點火提前角為42°CA，現分別取60°CA、56°CA、50°CA、47°CA、42°CA、36°CA作為點火提前角，并分析了相關計算結果。圖6給出了不同點火提前角時燃燒室內的流場，其中黑色圓點表示點火位置，標注的BTDC 表示上止點前。由圖6可以看出，發動機缸內的流場可分為3 個區域，即燃燒室后部的隨轉子運動方向的單向流區域、燃燒室中部的渦流區域、燃燒室前部的隨轉子運動方向的單向流區域。另外，隨著點火角度的推遲，渦流區域與點火中心的距離不斷縮小，其中60°CA、56°CA 時二者距離較大，點火時點火位置完全處于燃燒室前部的隨轉子運動方向的單向流區域;當點火提前角分別為50°CA、47°CA、42°CA 時，點火位置處于燃燒室中部渦流區與前部單向流區之間的過渡區域;而36°CA 時，二者距離最小，點火中心已基本處于渦流區域中。

根據點火時，點火位置所處的3 種不同的區域，表3～表5給出了點火提前角分別為60°CA、47°CA、36°CA 時發動機做功行程中流場和溫度場的演變過程。表中BTDC 表示上止點前，ATDC 表示上止點后。

缸內的流場是隨著時間不斷變化的，當采用不同點火提前角時，點火時刻不同，火花塞附近氣體的流動速度和方向均不同，點火后，流場的不同還導致反應氣體和產物的傳熱傳質不同，直接影響了到火焰傳播的方向和速度，進而影響到發動機的經濟性、動力性及排放性能。表3～表5分別描述了點火后缸內流場和缸內火焰輪廓分布圖。

表2 不同角度的流場Tab.2 Velocity distribution at different times

圖4 缸內平均壓力曲線對比Fig.4 Comparison of calculated and measured pressures

圖5 燃料已燃質量分數曲線對比Fig.5 Comparison of calculated and measured mass fractions of burned fuel

圖6 不同點火提前角缸內的流場Fig.6 Velocity distribution in cylinder at various ignition advance angles

表3 點火提前角為60°CA 缸內的流場和溫度場Tab.3 Temperature distribution and velocity distribution at ignition advance angle of 60°CA

表4 點火提前角為47°CA 缸內的流場和溫度場Tab.4 Temperature distribution and velocity distribution at ignition advance angle of 47°CA

表5 點火提前角為36°CA 缸內的流場和溫度場Tab.5 Temperature distribution and velocity distribution at ignition advance angle of 36°CA

燃燒初期，當點火提前角為60°CA 時，點火位置完全處于燃燒室前部的隨轉子運動方向的單向流區域，火焰傳播主要受到燃燒室前部單向流的影響，如表3不同時刻溫度流場中曲軸轉角10°CA 時，火焰中心形成后，火焰前鋒很快隨氣流的方向傳播到燃燒室的前部，引燃前部的未燃混合氣，而很難逆向地向燃燒室后部傳播;當點火提前角為47°CA 時，點火位置已處于燃燒室中部渦流區與前部單向流區之間的過渡區域，如表4不同時刻溫度流場中曲軸轉角10°CA 時，火焰前鋒除了隨燃燒室前部的單向流，快速地向前傳播外，還會由于燃燒室中部渦流的作用，把已燃的高溫混合氣帶回燃燒室的中后部，從而引燃中后部的未燃混合氣，這在很大程度上改善了后部未燃混合氣不易燃燒的狀況;當點火提前角為36°CA 時，點火位置已基本位于中部渦流區域。火焰傳播主要受到中部渦流的作用，從表5可看出不同時刻溫度流場中曲軸轉角10°CA 時，雖然渦流區域的流速很大，但只有少部分已燃混合氣會被渦流帶回燃燒室的中后部，這主要有兩個方面的原因:首先，火花塞點火時處于渦流區域中，此時其附近流場的速度很大，初期火焰中心已燃混合氣產生的熱量容易散失，不利于燃燒初期火焰中心的快速增大，所以初期已燃混合氣較少;其次，如表5不同時刻流場中曲軸轉角10°CA 時，此時缸內流場中部的渦流已經開始破碎，高速渦流對已燃高溫混合氣的作用時間太短。

燃燒中期，當點火提前角為60°CA 時，如表3不同時刻流場中曲軸轉角20°CA 時，轉子由于接近上止點，導致燃燒室空間狹小，從而燃燒室內部渦流消失，缸內整體流場為隨轉子運動方向的單向流，其進一步推動已燃的高溫混合氣繼續向燃燒室前端運動，如表3不同時刻溫度流場中曲軸轉角20°CA時，導致前部混合氣的快速燃燒，而后部未燃混合氣無法及時燃燒;當點火提前角為47°CA 時，如表4不同時刻流場中曲軸轉角20°CA 時，同樣由于燃燒室空間的狹小，缸內渦流消失成隨轉子運動方向的單向流，這同樣加速了燃燒室前部的未燃混合氣的燃燒，如表4不同時刻溫度流場中曲軸轉角20°CA時，而燃燒室尾部的未燃混合氣仍舊無法及時的燃燒;當點火提前角為36°CA 時，如表5不同時刻流場中曲軸轉角20°CA 時，缸內渦流消失形成的隨轉子運動方向的單向流，很快把中部已燃的高溫混合氣推向前部未燃混合氣區域，如表5不同時刻溫度流場中曲軸轉角20°CA 時，所以整體上中部和前部的未燃混合氣可以及時燃燒，但后部的混合氣卻無法及時地被引燃。

燃燒后期，當點火提前角為60°CA 時，由于燃燒室容積增大，轉子凹坑內會出現一個強度不大的渦流，如表3不同時刻流場中曲軸轉角60°CA 時，這個渦流可以在很大程度上加速燃燒室后部的燃燒速率。但是如表3不同時刻溫度流場中曲軸轉角60°CA 時，由于此時中后部的混合氣沒有被引燃，火焰無法利用渦流對其燃燒速率的加速作用，所以整個燃燒過程持續時間長，燃燒速率較低;當點火提前角為47°CA 時，如表4不同時刻流場中曲軸轉角60°CA 時，同樣轉子凹坑內會出現一個強度不大的渦流，其加速了前部已燃高溫混合氣與后部未燃混合氣的混合速度，增加了反應速率，此時如表4不同時刻溫度流場中曲軸轉角60°CA 時，燃燒室內的未燃混合氣基本燃燒干凈，整個燃燒過程縮短，燃燒效率較高;當點火提前角為36°CA 時，如表5不同時刻溫度流場中曲軸轉角60°CA 時，同樣由于此時后部的混合氣沒有被引燃，所以火焰無法利用此時流場中渦流對其燃燒速率加速作用，整體上燃燒過程較長，燃燒速率較低。

綜上所述，當點火提前角在47°CA 附近時，燃燒效率最高。這是因為點火提前角在47°CA 時，火花塞處于渦流到單向流的過渡區域，并且其附近流場速度不是太大，這有利于燃燒初期火核的快速形成，燃燒速度的快速增加。在渦流消失時間一定的情況下點火提前角47°CA 相比較原點火提前角42°CA，更加充分利用了渦流對火焰傳播所作用的時間。雖然點火提前角60°CA、56°CA、50°CA 也充分利用了渦流的作用時間，但由于在這些時刻點火時，點火位置位于燃燒室前部隨轉子運動方向的單向流區域附近，火焰傳播主要受到燃燒室前部單向流的影響。火焰中心形成后，火焰前鋒很快隨氣流的方向傳播到燃燒室的前部，引燃前部的未燃混合氣，而很難逆向地向燃燒室中后部傳播，所以位于中部的渦流沒能起到加速火焰傳播的促進作用。總體上說:點火提前角以47°CA 為一個分水嶺，即在渦流消失時刻一定的情況下，為了盡量充分利用渦流的作用時間，應該適當地增大點火提前角，以47°CA為界限，燃燒效率最高，點火提前角增加或降低時，燃燒速率均減小。

3.2 不同點火提前角燃料已燃質量分數曲線和示功圖

從圖7不同點火提前角缸內的燃料已燃質量分數曲線可以看出:當點火提前角為47°CA 時，燃燒過程中燃料已燃質量分數曲線的斜率最大，燃燒持續時間最短，即未燃混合氣燃燒速度最快，50°CA、42°CA 次之，60°CA、56°CA、36°CA 較差，所以燃燒速率以點火提前角47°CA 時最高，并向兩邊遞減。由示功圖8可以看出:點火提前角為47°CA 時，壓力峰值最大，50°CA、42°CA 時次之，60°CA、56°CA、36°CA 時較小，其中47°CA、50°CA 時，比原點火提前角42°CA 時大，即壓力峰值的整體趨勢與燃燒效率的變化趨勢相似，都是以點火提前角47°CA 時最高，并向兩邊遞減。

圖7 不同點火提前角時燃料已燃質量分數曲線Fig.7 Mass fractions of fuel burned in cylinder at various ignition advance angles

圖8 不同點火提前角時缸內的壓力曲線對比Fig.8 Comparison of calculated pressures at different ignition advance angles

這主要是因為:當點火提前角為60°CA、56°CA時，點火位置在燃燒室前部隨轉子運動方向的單向流區域，導致燃燒室后部的混合氣不能及時燃燒，整個燃燒過程持續時間太長，所以其燃燒效率和壓力最大值小于其他點火提前角的情況。當點火提前角為50°CA、47°CA、42°CA 時，火花塞點火時，其位于湍流到單向流的過渡區，點火后，火焰會同時向前部和后部傳播，缸內混合氣可以及時燃燒，整個燃燒過程持續時間短，所以它們的壓力曲線峰值要明顯高于其他點火提前角。其中當點火提前角為47°CA時點火位置處于湍流到單向流的過渡區，而且相比原點火提前角42°CA，其更充分利用了渦流對火焰傳播加速的作用時間，所以燃燒速率最大，壓力曲線峰值也最大。雖然點火提前角為50°CA 時，相比原點火提前角42°CA 也充分利用了渦流的作用時間，但其點火位置更接近于前部的單向流區，火花塞點火時，火焰前鋒很快隨氣流的方向傳播到燃燒室的前部，引燃前部的未燃混合氣，而很難逆向地向燃燒室中后部傳播，所以位于中部的渦流沒能起到加速火焰傳播的促進作用。當點火提前角為36°CA 時，點火位置點火時，雖然其已完全位于渦流區域中，但點火位置處流場速度過大，不利于初期火焰的形成，并且在燃燒中期，渦流對已燃高溫混合氣的作用時間較短，所以整體燃燒速率仍然較低，同樣無法獲得較高的壓力峰值。

3.3 不同點火提前角缸內平均溫度和NOx生成量

由圖9缸內平均溫度曲線和圖10NOx生成曲線可以看出:NOx生成量在點火提前角為50°CA 時最多，56°CA、47°CA、42°CA 時次之，60°CA、36°CA 時較少。點火提前角為47°CA 時，燃燒速率最大，但其NOx生成量卻低于50°CA 時，這主要是由于其燃料的快速燃燒導致其燃燒持續期相比點火提前角為50°CA 時短，所以在發動機的膨脹行程行程初期其缸內平均溫度比點火提前角為50°CA 時的缸內平均溫度大，但在膨脹行程后期的大部分階段，其缸內平均溫度比點火提前角為50°CA 時的缸內平均溫度小，所以NOx生成量整體小于點火提前角為50°CA時的NOx生成量。

圖9 不同點火位置的溫度曲線對比Fig.9 Comparison of temperature distributions in cylinder at different ignition advance angles

整體上，點火提前角為60°CA、36°CA 時，燃燒速率較小，相應的NOx的生成量也較低。點火提前角為47°CA 時，相對于其他點火提前角既考慮了比較少的NOx排放量，又獲得了最大的壓力峰值，所以點火提前角為47°CA 時最合理。

圖10 不同點火位置的NOx 生成量曲線對比Fig.10 Comparison of productions of NOx at different ignition advance angles

4 結論

1)通過對Fluent 軟件的二次開發，建立了符合轉子發動機工作過程的湍流模型、燃燒模型等，并將計算結果與已有文獻［7］數據進行對比，建立了符合火花點燃式轉子發動機燃燒過程的二維模擬模型。

2)燃燒室內部渦流對火焰傳播起著積極的加速作用，火花塞點火時應于渦流區向單向流過渡的區域，并且其附近的流場速度不能太大。也就是說，點火初期，火焰中心應在比較穩定的氣流環境中發展，中期和后期應該有較劇烈的渦流運動作用火焰燃燒區域，使火焰能同時向燃燒室前部和后部傳播。

3)燃燒室內的渦流對火焰傳播起到了積極的加速作用，但是隨著轉子運動，渦流會因燃燒室容積減小而受到擠壓并消失，在渦流消失時刻一定的情況下，為了盡量充分利用渦流對火焰傳播的作用時間，應該適當地增大點火提前角。

4)計算工況條件下，當點火提前角為47°CA時，壓力峰值和燃燒速率的整體趨勢是最高的。以47°CA 為分水嶺，點火提前角增加或降低時壓力峰值和燃燒速率整體上均減小。

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