點(diǎn)火參數(shù)對煤油活塞發(fā)動機(jī)燃燒影響的數(shù)值模擬

貝太學(xué)，魏民祥，劉　銳，李冰林，牛燕華

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

點(diǎn)火參數(shù)對煤油活塞發(fā)動機(jī)燃燒影響的數(shù)值模擬

貝太學(xué)，魏民祥，劉銳，李冰林，牛燕華

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

為了了解點(diǎn)火參數(shù)對某2沖程航空活塞煤油發(fā)動機(jī)燃燒及溫度場的影響，利用G T-Pow er和Fire軟件對該發(fā)動機(jī)整機(jī)及燃燒室分別建立了仿真模型，選取扭矩、功率以及缸壓數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的正確性，并對發(fā)動機(jī)在6000 r/min、全負(fù)荷工況下的燃燒和溫度場分布等特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：當(dāng)點(diǎn)火時刻由335°CA變化至331°CA時，缸內(nèi)混合氣燃燒放熱量增多，放熱率峰值增大，放熱率峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的提前量變大，燃燒放熱速率加快，混合氣溫度和壓力上升變快，高溫區(qū)范圍增大；當(dāng)點(diǎn)火能量由28.02 mJ增加至46.73 mJ時，雙火花塞附近的溫度升高，火花塞點(diǎn)火產(chǎn)生的火核尺寸增大，缸內(nèi)燃燒溫度與壓力升高，燃燒放熱速率加快，缸內(nèi)高溫區(qū)分布范圍增大。

燃燒；活塞發(fā)動機(jī)；點(diǎn)火參數(shù)；煤油；2沖程；數(shù)值模擬；溫度場

0　引言

2沖程活塞式發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、使用維護(hù)方便，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-2］。其工作方式使該類型發(fā)動機(jī)比4沖程發(fā)動機(jī)具有小旋轉(zhuǎn)慣量、大升功率的優(yōu)勢［3］，能夠較好地滿足小型無人直升機(jī)高空性和續(xù)航時間較長等要求。與汽油相比，煤油具有閃點(diǎn)低、不易揮發(fā)等特性，使用安全［4-5］，以煤油為燃料的重油發(fā)動機(jī)在航空和特殊領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。

火花點(diǎn)燃式活塞發(fā)動機(jī)需要通過火花塞點(diǎn)火點(diǎn)燃混合氣，完成缸內(nèi)混合氣的膨脹作功［6］。在不同時刻和點(diǎn)火能量條件下點(diǎn)火，會對火花點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的動力、經(jīng)濟(jì)與排放性能等產(chǎn)生很大影響［7］。目前一些科研院所通過3維CFD數(shù)值模擬工具AVL Fire對點(diǎn)火時刻及點(diǎn)火能量進(jìn)行了部分?jǐn)?shù)值仿真研究［8-10］。Jamrozik A等以Andoria 1hc102型火花點(diǎn)燃式汽油發(fā)動機(jī)為研究對象，利用AVL Fire建立了該發(fā)動機(jī)的物理模型及燃燒模型，研究了點(diǎn)火時刻對燃燒的影響，結(jié)果表明：在混合氣當(dāng)量比為1.2、點(diǎn)火提前角取值較大時，該發(fā)動機(jī)燃燒異常［11-12］；吉林大學(xué)的楊成利用AVL Fire建立了米勒循環(huán)天然氣發(fā)動機(jī)的物理模型及燃燒模型，利用數(shù)值模擬方法分析了點(diǎn)火時刻對缸內(nèi)燃燒特性的影響規(guī)律，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著點(diǎn)火時刻的提前，該天然氣發(fā)動機(jī)有燃燒不穩(wěn)定的傾向［13］；吉林大學(xué)的李昕利用AVL Fire作為3維數(shù)值仿真平臺，建立了CA4102天然氣發(fā)動機(jī)的幾何模型、計(jì)算網(wǎng)格及燃燒模型等，研究了點(diǎn)火能量為41、80、120以及160 mJ對燃燒過程的影響，結(jié)果表明：隨著點(diǎn)火能量的增加，加速了火核的形成，火焰發(fā)展期變短趨勢明顯［14］。

綜上所述，通過采用AVL Fire對點(diǎn)火時刻及點(diǎn)火能量的數(shù)值計(jì)算可知，點(diǎn)火參數(shù)對火花點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的燃燒有較大影響。目前國內(nèi)外針對2沖程航空活塞煤油發(fā)動機(jī)進(jìn)行燃燒研究相對較少。本文利用GT-power及AVL Fire軟件建立了2沖程航空活塞煤油發(fā)動機(jī)整機(jī)及燃燒室的計(jì)算模型，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，根據(jù)仿真結(jié)果將點(diǎn)火時刻和能量對燃燒及溫度場的影響進(jìn)行了研究與分析。

1　建模及模型驗(yàn)證

1.1模型的建立

為了描述發(fā)動機(jī)整機(jī)工作過程，建立發(fā)動機(jī)模型，如圖1所示。

圖1　發(fā)動機(jī)模型

從圖中可見，進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括濾清器、節(jié)氣門、簧片閥、曲軸箱以及進(jìn)氣道和掃氣道等；排氣系統(tǒng)主要由排氣道和消聲器組成。在發(fā)動機(jī)工作時，環(huán)境空氣由濾清器和節(jié)氣門流入進(jìn)氣道，與從噴油器噴入的燃油，在進(jìn)氣道內(nèi)充分混合，流經(jīng)簧片閥、曲軸箱和掃氣道等，進(jìn)入氣缸并在缸內(nèi)燃燒作功，燃燒后的廢氣經(jīng)排氣道排出，完成1個發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)。

本文研究對象主要技術(shù)參數(shù)見表1［15］，建立的燃燒室AVL Fire計(jì)算網(wǎng)格以及GT-Power整機(jī)仿真模型分別如圖2、3所示。

表1　2沖程煤油發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2　AVL Fire燃燒室計(jì)算網(wǎng)格

圖3　GT-Power仿真計(jì)算模型

所建燃燒室計(jì)算模型的計(jì)算過程從排氣口關(guān)閉相位角272°CA開始，到排氣口開啟相位角448°CA結(jié)束。排氣口關(guān)閉相位角272°CA時的初始溫度、初始壓力以及混合氣當(dāng)量比等參數(shù)值由試驗(yàn)得到［15-16］，分別見表2，3。

表2　模型中初始條件

表3　模型中邊界條件K

1.2.1試驗(yàn)臺架

2沖程煤油發(fā)動機(jī)燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖4所示）主要由試驗(yàn)發(fā)動機(jī)、測功機(jī)、風(fēng)機(jī)、控制面板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖4　發(fā)動機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的臺架現(xiàn)場

1.2.2扭矩、功率

將發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)測得的發(fā)動機(jī)輸出扭矩、功率的數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。從圖中可見，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩和功率隨轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后減小的趨勢，扭矩最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為6000 r/min時，功率最大值則出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為6300 r/min時，仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致。

圖5　扭矩和功率數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

1.2.3缸壓曲線

當(dāng)n=6000 r/min、全負(fù)荷工況下，缸內(nèi)壓力值的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如圖6所示。從圖中可見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的2條曲線基本吻合，最大誤差不超過5%，由此可見，所建發(fā)動機(jī)的數(shù)值模型較準(zhǔn)確地反映了發(fā)動機(jī)的工作過程，能夠滿足后續(xù)分析的需要。

圖6　全負(fù)荷工況數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2　點(diǎn)火時刻對燃燒的影響

2.1點(diǎn)火時刻對燃燒過程的影響

在轉(zhuǎn)速為6000 r/min、全負(fù)荷、混合氣當(dāng)量比為1.1、點(diǎn)火能量為35.64 mJ條件下，分別計(jì)算在點(diǎn)火時刻分別為335、333、331°CA時對2沖程煤油發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響。

在點(diǎn)火時刻分別為335、333、331°CA時的缸內(nèi)平均壓力的對比曲線如圖7所示。從圖中可見，隨著點(diǎn)火時刻的逐步提前，缸內(nèi)平均壓力增大，速率逐步加快，缸內(nèi)平均壓力峰值逐步增大，平均壓力峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐步提前；反之，隨著點(diǎn)火時刻的推遲，點(diǎn)火提前角逐漸減小，缸內(nèi)平均壓力峰值偏離上止點(diǎn)的相位逐漸增大。

圖7　不同點(diǎn)火時刻下缸內(nèi)平均壓力曲線

在點(diǎn)火時刻分別為335、333、331°CA時的缸內(nèi)平均溫度的對比曲線如圖8所示。從圖中可見，在曲軸轉(zhuǎn)角為360～375°CA之間，2沖程煤油發(fā)動機(jī)在3種點(diǎn)火時刻的平均溫度均迅速升高，隨著點(diǎn)火時刻的逐步提前，平均溫度升高速率逐步加快，峰值逐步增大，峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐步提前。

圖8　不同點(diǎn)火時刻下缸內(nèi)平均溫度曲線

不同點(diǎn)火時刻的放熱率曲線如圖9所示，累積放熱量曲線如圖10所示。從圖9、10中可見，隨著點(diǎn)火時刻逐步提前，放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐步提前，缸內(nèi)混合氣的累積放熱量逐步增大。

圖9　不同點(diǎn)火時刻下放熱率曲線

圖10　不同點(diǎn)火時刻下累積放熱量曲線

2.2點(diǎn)火時刻對溫度場分布的影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣被點(diǎn)燃后，火焰向四周傳播，缸內(nèi)溫度隨之上升，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時，缸內(nèi)溫度場的變化可以體現(xiàn)缸內(nèi)混合氣溫度分布以及燃燒過程［17-18］。不同點(diǎn)火時刻的2沖程煤油發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)溫度場分布如圖11所示。

圖11　不同點(diǎn)火時刻下溫度場分布

從圖中可見，點(diǎn)火時刻為335°CA時，當(dāng)活塞上行到345°CA，火焰前鋒面積較小；活塞上行到360 °CA，在已燃區(qū)、火焰前鋒面以及未燃區(qū)已形成了明顯的分層現(xiàn)象，已燃區(qū)的溫度遠(yuǎn)高于未燃區(qū)；當(dāng)活塞下行到365°CA時，缸內(nèi)已燃區(qū)范圍增大，缸內(nèi)混合氣溫度較高。在點(diǎn)火時刻為331°CA時，活塞上行到345°CA，火焰核心已穩(wěn)定形成；活塞上行到360 °CA，與點(diǎn)火時刻為335°CA時相比，缸內(nèi)溫度場分布的分層現(xiàn)象更明顯，已燃區(qū)溫度更高，火焰前鋒面及未燃區(qū)溫度均較高；當(dāng)活塞下行到365°CA時，缸內(nèi)燃燒接近完成，燃燒溫度高于點(diǎn)火時刻為335°CA時的缸內(nèi)溫度。

3　點(diǎn)火能量對燃燒的影響

3.1點(diǎn)火能量對燃燒過程的影響

在轉(zhuǎn)速為6000 r/min、全負(fù)荷、混合氣當(dāng)量比為1.1、點(diǎn)火時刻為335°CA條件下，分別計(jì)算點(diǎn)火能量為28.02、35.64和46.73 mJ對煤油發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響。

不同點(diǎn)火能量下的缸內(nèi)平均壓力曲線如圖12所示。從圖中可見，隨著點(diǎn)火能量的增加，缸內(nèi)平均壓力峰值增大，并且平均壓力峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。

不同點(diǎn)火能量下的缸內(nèi)平均溫度曲線如圖13所示。從圖中可見，在曲軸轉(zhuǎn)角范圍為360～375°CA之間，2沖程煤油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)平均溫度急劇升高，并且隨著點(diǎn)火能量的增加，缸內(nèi)混合氣平均溫度逐步升高。

圖12　不同點(diǎn)火能量下缸內(nèi)平均壓力曲線

圖13　不同點(diǎn)火能量下缸內(nèi)平均溫度曲線

不同點(diǎn)火能量下的放熱率曲線以及累積放熱量曲線分別圖14、15所示。從圖14、15中可見，隨著點(diǎn)火能量的增加，放熱率峰值與累積放熱量均略有增大，并且放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)逐步提前的趨勢。

圖14　不同點(diǎn)火能量下放熱率曲線

圖15　不同點(diǎn)火能量下累積放熱量曲線

3.2點(diǎn)火能量對溫度場的影響

2沖程煤油發(fā)動機(jī)在點(diǎn)火能量分別為28.02、35.64和46.73 mJ下，不同曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的缸內(nèi)溫度場分布如圖16所示。

圖16　在不同點(diǎn)火能量下的溫度場分布

從圖中可見，在345 °CA時，雙火花塞同時點(diǎn)火使火花塞電極附近的混合氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放能量，形成穩(wěn)定火核，其附近存在高溫區(qū)。隨著點(diǎn)火能量增大，雙火花塞附近的溫度升高。當(dāng)活塞上行至上止點(diǎn)時，火花塞附近的混合氣已產(chǎn)生已燃區(qū)，其中混合氣已燃區(qū)的溫度明顯高于未燃區(qū)的溫度，并且點(diǎn)火能量越大，已燃區(qū)的高溫分布范圍以及溫度峰值越大。當(dāng)活塞下行至365°CA時，隨著點(diǎn)火能量的增加，缸內(nèi)高溫分布范圍越大，溫度峰值也越大。

4　結(jié)論

利用GT-Power和AVL Fire軟件對某2沖程航空活塞煤油發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模，在6000 r/min、全負(fù)荷工況條件下，對燃燒和溫度場分布等進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明：

（1）在點(diǎn)火時刻分別為335、333、331°CA時點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣，點(diǎn)火時刻提前量越大，2沖程煤油發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)混合氣燃燒放熱量越多，放熱率峰值越大，放熱率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的提前量越大，燃燒放熱速率越快，缸內(nèi)混合氣溫度和壓力上升越快，缸內(nèi)高溫區(qū)范圍也會越大；

（2）在點(diǎn)火能量分別為28.02、35.64和46.73 mJ下點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣時，點(diǎn)火能量越大，雙火花塞附近的溫度越高，火花塞點(diǎn)火產(chǎn)生的火核尺寸增大，缸內(nèi)燃燒溫度與壓力越高，燃燒放熱速率越快，缸內(nèi)高溫區(qū)分布范圍越大。

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（編輯：張寶玲）

Numerical Simulation on Influence of Ignition Parameters on Combustion of Kerosene Piston Engine

BEI Tai-xue，WEI Min-xiang，LIU Rui，LI Bing-lin，NIU Yan-hua
（College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In order to understand the influence of ignition parameters on combustion and temperature distribution of two-stroke kerosene piston engine，the simulation models of engine and combustor were established respectively using GT-Power and AVL Fire.The experiment data of torque，power，and cylinder pressure have been selected to verify the correctness of the model.The combustion and temperature distribution were analyzed at the 6000 r/min and full load condition.The results show that:when ignition time varied from 335 to 331°CA to ignite the air/fuel mixture in the cylinder，the greater the amount of the advance ignition timing，the amount ofthe combustion heat release increased，the peak of heat release rate increased and appeared earlier，the heat release rate of combustion was faster，the mixed gas temperature and pressure rose faster，the range of high temperature zone increased；when the spark plug ignition energy increased from 28.02 to 46.73 mJ to ignite the air/fuel mixture in the cylinder，the temperature increased in the vicinity of the dual spark plug，the flame kernel size increased，the temperature and pressure increased，the heat release rate of combustion was faster，the range of high temperature zone increased.

combustion；aero-piston engine；ignition parameters；kerosene；two-stroke；numerical simulation；temperature field

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.011

2015-12-24基金項(xiàng)目：國防預(yù)研資助項(xiàng)目（513250203）、江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYLX_0244）資助

貝太學(xué)（1985），男，在讀博士研究生，研究方向?yàn)榛钊l(fā)動機(jī)仿真建模及性能分析；E-mail：beitaixue@126.com。

引用格式：貝太學(xué)，魏民祥，劉銳，等.點(diǎn)火參數(shù)對煤油活塞發(fā)動機(jī)燃燒影響的數(shù)值模擬［J］.航空發(fā)動機(jī)，2016，42（4）：55-59.BEITaixue，WEIMinxiang，LIU Rui，etal.Numericalsimulationoninfluenceofignitionparametersoncombustionofkerosenepistonengine［J］.Aeroengine，2016，42（4）：55-59.