雙火花塞對改善大EGR率CNG發(fā)動機(jī)性能的仿真研究*

李垂孝　朱昌吉　李君（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025）

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雙火花塞對改善大EGR率CNG發(fā)動機(jī)性能的仿真研究*

李垂孝朱昌吉李君
（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025）

【摘要】以CNG發(fā)動機(jī)為研究對象，利用AVL-FIRE軟件模擬單、雙火花塞不同點火策略對發(fā)動機(jī)燃燒過程及性能的影響。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為2 840 r/min、75%負(fù)荷、25%EGR率、當(dāng)量比燃燒的條件下，單火花塞點火的最佳點火正時為上止點前65°，雙火花塞最佳點火正時同步點火為上止點前55°，雙火花塞最佳點火正時異步點火分別為上止點前55°～60°；在最佳點火性能下，雙火花塞點火的燃燒持續(xù)期比單火花塞縮短20°，指示功率高2 kW，指示燃油消耗率提高8%。

主題詞：CNG發(fā)動機(jī)雙火花塞EGR率當(dāng)量比燃燒

1　前言

目前，國外低排放、大排量天然氣發(fā)動機(jī)為了達(dá)到要求，采用當(dāng)量比+EGR+TWC的技術(shù)路線，由于使用當(dāng)量比燃燒且CNG燃料本身的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷龝沟冒l(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷增加，爆震趨勢增強(qiáng)［1、2］。需要通入大EGR率以降低爆震和控制熱負(fù)荷。高EGR率會使得缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步降低，使得整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性變差，熱效率降低［3、4］。

國外研究者的研究成果［5～10］表明，雙火花塞點火可以提高工質(zhì)燃燒速度，使發(fā)動機(jī)實際循環(huán)更加接近理論循環(huán)曲線，在部分負(fù)荷允許通入大EGR率（拓寬燃燒界限），可以有效地降低爆震的發(fā)生等。近年來，國內(nèi)的研究者們［11～13］針對雙火花塞技術(shù)在汽油發(fā)動機(jī)上對火花塞位置布置、聯(lián)合可變配氣系統(tǒng)、稀薄燃燒等方面進(jìn)行了相關(guān)仿真和試驗研究。

本文以采用當(dāng)量比+EGR+TWC技術(shù)路線的大排量天然氣發(fā)動機(jī)為研究對象，仿真研究雙火花塞快速燃燒技術(shù)對其性能的改善。

2　CNG發(fā)動機(jī)模型建立及校驗

2.1CNG發(fā)動機(jī)參數(shù)

研究所用的發(fā)動機(jī)是由CA4102汽油機(jī)開發(fā)的單一燃料CNG發(fā)動機(jī)，其主要參數(shù)見表1。

表1　CNG發(fā)動機(jī)參數(shù)

2.2幾何建模及網(wǎng)格劃分

該CNG發(fā)動機(jī)燃燒室由許多不規(guī)則、形狀復(fù)雜的空間曲面組成，為浴盆型燃燒室。CAD建模過程先是采用樹脂澆鑄燃燒室陽膜，然后掃描出陽膜點云圖，將得到的點云圖利用CATIA軟件進(jìn)行逆向造型，最后得到燃燒室的封閉曲面，如圖1所示。

圖1燃燒室CAD模型

圖2為用AVL-FIRE軟件中的FEP工具進(jìn)行燃燒室動網(wǎng)格的劃分，生成的網(wǎng)格區(qū)間是588°～858°（即進(jìn)氣門關(guān)閉至排氣門開啟），其中上止點的網(wǎng)格數(shù)為154 467，858°的網(wǎng)格數(shù)為557 266。

圖2　FEP動網(wǎng)格劃分及體網(wǎng)格

2.3CFD模型選擇及邊界條件設(shè)置

AVL-FIRE軟件的計算模型選擇及邊界條件如表2所列。

表2　計算模型選擇及邊界條件設(shè)置

2.4模型驗證

在轉(zhuǎn)速2 840 r/min、75%負(fù)荷、過量空氣系數(shù)為1的條件下對該發(fā)動機(jī)燃燒過程進(jìn)行仿真研究，將上止點前30°（690°）單火花塞點火的缸內(nèi)壓力與試驗值進(jìn)行校驗（圖3）可知，誤差在范圍之內(nèi)，一致性較好。說明所選模型及參數(shù)設(shè)置合理，可以進(jìn)行相關(guān)研究。

圖3　模型缸內(nèi)壓力校正型線

3　不同點火策略的點火正時優(yōu)化仿真研究

圖4為雙火花塞位置定義圖示。可知，S點為原機(jī)火花塞的安裝位置，N點為圖4中豎線的1/4處，即另一火花塞位置，基于此種位置進(jìn)行不同點火策略的仿真研究。

圖4　雙火花塞位置定義示意

為了進(jìn)一步研究發(fā)動機(jī)單、雙火花塞點火聯(lián)合大EGR率（25%）策略的最佳性能，首先進(jìn)行優(yōu)化單、雙火花塞點火策略所對應(yīng)的最佳點火正時，然后針對不同點火策略在匹配最佳點火正時下對CNG發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行對比研究。

3.1單火花塞點火在大EGR率下點火正時優(yōu)化

點火正時對點燃式發(fā)動機(jī)的功率、燃油消耗率等性能有重要影響，因此對單火花塞在大EGR率、轉(zhuǎn)速為2 840 r/min、75%負(fù)荷條件下根據(jù)CFD軟件的二維輸出相關(guān)參數(shù)型線進(jìn)行點火正時優(yōu)化分析。圖5為單火花塞不同點火正時缸內(nèi)壓力圖。可知，25%的EGR率抑制了缸內(nèi)工質(zhì)燃燒，使得缸內(nèi)壓力變低，隨著點火正時往前推移，缸內(nèi)壓力升高，峰值后移，原因可由圖6不同點火正時的放熱率型線對比圖進(jìn)行分析。點火正時提前一方面使得燃燒過程在上止點前的壓縮過程已經(jīng)開始，一方面缸內(nèi)工質(zhì)的放熱率在上止點附近的上升速率非常大，從而使得缸內(nèi)壓力升高；而點火正時推遲的燃燒過程主要集中在上止點之后的膨脹過程，隨著活塞下行，工質(zhì)燃燒放熱率引起的壓力增加不足以彌補(bǔ)活塞下行引起的壓力降低，因此點火正時的推遲使得缸內(nèi)壓力峰值趨近于上止點附近（理想的缸內(nèi)壓力峰值曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)在上止點后12°～15°）。由表3單火花塞點火策略的燃燒特性參數(shù)中可以看出，點火正時從680°提前至650°時，峰值壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角從上止點后5°移至15°，其中在曲軸轉(zhuǎn)角為655°時缸內(nèi)壓力峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角正好出現(xiàn)在理想位置。不同點火正時的壓力升高率隨著點火正時的不斷提前而增大。由圖6可以看出，放熱率隨著點火正時的提前，放熱率峰值不斷變大，其中點火正時在650°～655°時放熱率型線差別已不明顯。

圖5　單火花塞不同點火正時缸內(nèi)壓力

圖6　單火花塞不同點火正時放熱率

表3　單火花塞點火策略的燃燒特性參數(shù)

圖7單火花塞不同點火角平均溫度顯示的型線變化趨勢同放熱率型線，點火正時的提前可以有效控制燃燒過程后移的情況，從而降低排氣溫度。圖8為單火花塞不同點火正時NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖。可知，對應(yīng)于平均溫度對比圖，NO生成情況隨著點火提前角的提前而生成量增多。

圖7　單火花塞不同點火正時平均溫度

圖8　單火花塞不同點火正時NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表4所列為單火花塞點火策略的指示性能指標(biāo)在不同點火正時的指示特性。可知，點火正時由680°提前至650°時，CNG發(fā)動機(jī)的指示功率及指示熱效率提高23.5%，相應(yīng)的指示燃油消耗率降低23.5%。指示熱效率的增長率幅度呈現(xiàn)出遞減的趨勢，在點火正時由655°提至650°時其增長率僅不到2%。因此，結(jié)合缸內(nèi)壓力峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的理想?yún)^(qū)間及排放物的生成量，在曲軸轉(zhuǎn)角655°時為單火花塞點火策略的最佳點火正時。

表4　單火花塞點火策略的指示性能指標(biāo)

3.2雙火花塞同步點火在大EGR率下點火正時優(yōu)化

對雙火花塞同步點火策略的點火正時優(yōu)化研究進(jìn)行分析。圖9為不同點火正時的缸內(nèi)壓力對比。可以看出，缸內(nèi)壓力型線對比圖的變化規(guī)律與單火花塞點火策略不同，隨著點火正時的提前，缸內(nèi)壓力峰值增高，其對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角隨之前移。雙火花塞在不同點火正時放熱率（圖10）的規(guī)律同圖9，并且峰值變化率呈降低趨勢。

圖9　同步點火不同點火正時的缸內(nèi)壓力對比

圖10　同步點火不同點火正時的放熱率對比

圖11和圖12為雙火花塞不同點火正時的缸內(nèi)溫度及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比圖。可知，缸內(nèi)溫度隨著點火正時的提前而升高，NO生成量增加。表5為雙火花塞同步點火策略的燃燒特性參數(shù)。可知，雙火花塞在665°同步點火時，缸內(nèi)峰值壓力為6.98 MPa，其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為上止點后13°，相比于點火正時為650°、655°時所產(chǎn)生的NO量更少，燃燒溫度低，并且缸內(nèi)壓力、放熱率、壓力升高率、峰值相差不大；其相比于點火正時為670°、680°時的缸內(nèi)壓力、放熱率峰值更高，更好的減少了后燃現(xiàn)象。

圖11　同步點火不同點火正時的溫度對比

圖12　同步點火不同點火正時的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表5　雙火花塞同步點火策略的燃燒特性參數(shù)

表6為雙火花塞不同點火正時的動力性及經(jīng)濟(jì)性參數(shù)指標(biāo)。通過仿真計算分析，隨著雙火花塞點火正時的提前，指示功率和指示效率隨之上升，指示燃油消耗率隨之下降，考慮到熱負(fù)荷及排放性等因素，在曲軸轉(zhuǎn)角為665°時為雙火花塞同步點火最佳點火正時。

3.3雙火花塞異步點火在大EGR率下的點火正時優(yōu)化

雙火花塞同步點火策略的最佳點火正時在665°附近，因此對于雙火花塞異步點火策略最優(yōu)點火正時的研究是基于保持一個火花塞（S處）的點火正時為665°，另一火花塞（N處）的點火正時在此基礎(chǔ)上分別提前和推遲5°、10°、15°，以研究其對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的影響。由CFD軟件的三維輸出結(jié)果對兩火花塞左右（SN）點火和右左（N-S）點火的缸內(nèi)壓力曲線等數(shù)據(jù)處理，結(jié)果顯示兩種情況所得到的型線及峰值情況相同，因此僅給出一種情況（S-N）下的狀態(tài)。圖13～圖16為雙火花塞異步點火策略在不同點火正時的缸內(nèi)壓力、放熱率、缸內(nèi)平均溫度、NO生成量型線對比圖。可知，雙火花塞異步點火策略隨點火正時的變化規(guī)律同雙火花塞同步點火策略。

表6　雙火花塞同步點火的動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

圖13　異步點火不同點火正時缸內(nèi)壓力對比

圖14　異步點火不同點火正時放熱率對比

表7為雙火花塞異步點火策略燃燒特性分析。可知，D3、D4缸內(nèi)壓力峰值壓力位于理想的曲軸轉(zhuǎn)角區(qū)間，相比于D5、D6可以取得更高的缸內(nèi)壓力，并保持相對高的壓力升高率，從而較好的改善燃燒，保證整機(jī)的動力性；相比于D1、D2，產(chǎn)生的NO量少，平均缸內(nèi)溫度低，即有好的排放性和較低熱負(fù)荷。由缸內(nèi)壓力對比圖可知，D3比D4產(chǎn)生的峰值缸內(nèi)壓力高，且在大EGR率下的壓力升高率更大。

圖15　異步點火不同點火正時平均溫度對比

圖16　異步點火不同點火正時NO生成量對比

表7　雙火花塞異步點火策略的燃燒特性參數(shù)

表8為雙火花塞異步點火策略在不同點火正時的動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)數(shù)值分析即點火特性分析。可知，指示功率、指示熱效率隨著點火提前角的前移而升高，指示燃油消耗率隨之降低，通過具體數(shù)值可以看出動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化幅度不大，明顯要低于單火花塞、雙火花塞同步點火的變化幅度。665°-655°點火相比于665°-650°點火指示熱效率的變化率不超過1%。其中D3所得到的動力性指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)相比于D1、D2情況時相差很少，而比D4～D6的性能更加優(yōu)越。綜合上述分析，在雙火花塞異步點火為665°-660°時為最佳點火正時方案。

4　不同點火策略性能對比分析

在不同點火策略最佳點火正時下（單火花塞點火正時655°、雙火花塞同步點火正時665°、雙火花塞異步點火正時665°-660°）分別對CNG發(fā)動機(jī)的燃燒參數(shù)及指標(biāo)進(jìn)行對比分析。由圖17和18不同點火策略的缸內(nèi)壓力和放熱率型線對比圖可以得出，雙火花塞點火的放熱率上升速率更快，因此加快了火焰的傳播速度，缸內(nèi)壓力峰值更高，可以改善燃燒質(zhì)量。圖19和圖20為不同點火提前角的缸內(nèi)平均溫度和NO生成量對比圖。可知，雙火花塞點火策略較單火花塞點火產(chǎn)生較高的缸內(nèi)溫度，溫度峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角大大提前，減小了后燃趨勢，25%的EGR率可以極大降低NO的生成量，但由于雙火花塞產(chǎn)生的高溫使NO生成量高于單火花塞。

圖17　不同點火策略缸內(nèi)壓力對比

圖18　不同點火策略放熱率對比

表9為不同點火策略最佳點火正時的燃燒特性參數(shù)。通過數(shù)值計算分析，雙火花塞點火的缸內(nèi)壓力峰值要比單火花塞高27%，溫度峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前20°；而壓力升高率峰值因為點火正時的不同而有所差異，其中雙火花塞異步點火的放熱率峰值最高。

圖19　不同點火策略平均溫度對比

圖20　不同點火策略NO生成量對比

表9　不同點火策略的燃燒特性參數(shù)

表10為不同點火策略對應(yīng)最佳點火正時的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。可知，在25%EGR率、75%負(fù)荷、2 840 r/min、當(dāng)量比為1時雙火花塞點火的指示功率和指示熱效率比單火花塞點火平均高2 kW，經(jīng)濟(jì)性提高8%。

表10　不同點火策略的動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

圖21為不同點火策略對應(yīng)最佳點火正時的燃燒持續(xù)期柱狀圖對比，單火花塞的燃燒持續(xù)期為48°，雙火花塞同、異步點火的燃燒持續(xù)期在27°～28°。雙火花塞

點火使得燃燒持續(xù)期縮短了20°，加快了CNG火焰的傳播速度，一定程度上降低了非正常燃燒情況的發(fā)生。

圖21　不同點火策略的燃燒持續(xù)期柱狀圖

5　結(jié)束語

a.在大EGR率（25%）下，合理的點火正時可以更好的將單、雙火花塞點火策略對CNG發(fā)動機(jī)的性能發(fā)揮到最佳，雙火花塞的最佳點火正時比單火花塞點火推遲10°，雙火花塞點火策略的熱負(fù)荷高于單火花塞點火策略；

b.點火正時對不同點火策略的影響程度為：單火花塞的影響最大，雙火花塞同步點火次之，雙火花塞異步點火影響最小。

c.雙火花塞點火相比單火花塞點火的指示功率提高2 kW，指示燃油消耗率提高8%，火焰持續(xù)期縮短20°，改善了CNG發(fā)動機(jī)性能及燃燒質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年3月1日。

中圖分類號：U464.174

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0030-07

*基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2008AA11A167）。

通訊作者：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