燃燒室形狀對雙燃料發動機性能影響的模擬分析

王忠恕， 李慧， 楊舟， 李偉峰

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室, 吉林 長春 130025)

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·設計計算·

燃燒室形狀對雙燃料發動機性能影響的模擬分析

王忠恕， 李慧， 楊舟， 李偉峰

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室, 吉林 長春 130025)

利用STAR-CD軟件模擬研究了3種燃燒室形狀對柴油-天然氣雙燃料發動機性能的影響，3種燃燒室分別為ω形燃燒室、八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室。研究發現，八邊啞鈴形燃燒室因為減小了喉口直徑，增加了擠流強度，使得氣缸內的湍動能增強，火焰傳播速度加快，燃料利用率提高，同時，在燃燒室的底部設計凸臺，能引導燃燒室內的氣流運動，并引導柴油向燃燒室的底部擴散，促進著火點的廣泛分布。因此，八邊啞鈴形燃燒室的缸內平均壓力、平均溫度和指示熱效率最高，天然氣剩余比例最小。

雙燃料發動機； 燃燒室； 燃燒； 排放； 仿真

能源危機和環境污染不斷加劇，排放法規日趨嚴格，開發利用新型清潔代用燃料迫在眉睫。天然氣因資源豐富、價格低廉、環保性好而備受關注，成為石油的主要替代品。天然氣的辛烷值較高，具有較好的抗爆性，與汽油機相比，天然氣發動機可以采用更高的壓縮比以提高熱效率；與柴油機相比，天然氣發動機中天然氣更容易與空氣混合，炭煙排放較少[1-2]。根據點火方式，天然氣發動機可以分為火花點燃式發動機和壓縮燃燒式發動機。壓燃式天然氣發動機大多由柴油機改裝而成，柴油-天然氣雙燃料發動機是壓燃式天然氣發動機的一種重要形式，在壓縮上止點附近，噴入氣缸內的柴油自燃著火，并點燃氣缸內的天然氣和空氣混合氣，使天然氣燃燒，因此柴油-天然氣雙燃料發動機具有壓燃式和點燃式發動機的雙重特點[3-5]。柴油-天然氣雙燃料發動機大多采用原柴油機的壓縮比，可以充分發揮天然氣辛烷值高的優點，提高熱效率，此外柴油-天然氣雙燃料發動機可以降低NOx和炭煙排放量，環保性好[6-7]。但由于柴油-天然氣雙燃料發動機采用改裝前原柴油機的燃燒室，使得發動機在雙燃料模式時，存在一系列問題，其中較為突出的問題之一是柴油-天然氣雙燃料發動機在低負荷時，CH4排放量高，熱效率低，經濟性差。

當前，國內外學者對柴油-天然氣雙燃料發動機進行了廣泛的研究,包括天然氣的替代率、噴油時刻和轉速等對發動機的影響。然而，關于柴油-天然氣雙燃料發動機燃燒室的研究還相對較少。國內外研究表明：燃燒室的形狀對燃燒過程有重要影響[8-10]。在已有文獻中，對于天然氣發動機燃燒室的研究，更多的是針對天然氣單一燃料發動機。如BijanYadollahi等利用STAR-CD仿真軟件模擬研究了5種燃燒室形狀對天然氣和空氣混合氣形成和分布的影響[11]。天津大學的焦運景等針對火花點燃式天然氣發動機，設計了3種不同形狀的燃燒室，對不同燃燒室內的氣流運動和燃燒過程進行了數值模擬，并在試驗臺架上進行了試驗驗證[12]。也有部分學者對雙燃料發動機燃燒室進行了研究，但主要是對柴油-汽油或生物柴油-二甲醚等雙燃料發動機燃燒室的研究，目前針對柴油-天然氣雙燃料發動機燃燒室的詳細研究相對較少[13]。

為解決低負荷時柴油-天然氣雙燃料發動機熱效率低、CH4排放量高等問題，本研究從改變燃燒室的形狀著手，基于ω形燃燒室(改裝前原柴油機燃燒室)，重新設計了圓柱形燃燒室和八邊啞鈴形燃燒室，利用商用軟件STAR-CD對ω形燃燒室、八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室進行了數值模擬。為尋求適用于柴油-天然氣雙燃料發動機最佳燃燒室提供數據支持。

1 模型的建立和計算條件的選擇

1.1 模型的建立

試驗所用柴油-天然氣雙燃料發動機是由1臺電控高壓共軌、增壓中冷柴油機開發而成，發動機技術參數見表1。天然氣是在進氣道噴射，從噴嘴噴出后，在氣道內與空氣混合，天然氣與空氣混合得較為充分，進入氣缸內的混合氣趨于均勻。為了節省計算成本，本研究不考慮發動機的進氣階段和排氣階段，只考慮進氣門關閉后和排氣門開啟前的工作階段，即計算模型不含有進排氣道。

表1 發動機技術參數

計算起始角度選為進氣門關閉時刻，即壓縮上止點前120°曲軸轉角，結束角度選為壓縮上止點后70°，360°為壓縮上止點?；钊\行至下止點時，計算網格總數約為3×105個，網格尺寸為0.8 mm。在研究過程中對網格進行了相關性分析，研究結果表明，網格數對計算結果影響不大。圖1示出活塞在下止點時的計算網格。

圖1 計算網格

1.2 模型及算法的選擇

由于κ-ε/RNG模型很好地考慮了近壁區域的流動，具有較高的模擬精度，因此本研究湍流模型選為κ-ε/RNG模型。Bai模型對干壁面和濕壁面采用了不同的處理方法,可以精確反映燃油粒子的撞壁運動，因此本研究液滴撞壁模型選為Bai模型。霧化模型選為Reitz-Diwakar模型。STAR-CD仿真軟件提供了多種燃燒模型，包括CFM模型、ECFM模型、ECFM-3Z模型、PVM-MF模型、DARS模型和G-equation模型。其中ECFM-3Z燃燒模型主要由混合模型、火焰傳播模型、后火焰和排放模型、火花點火和自燃/爆震模型四部分組成，并且同時考慮了自燃、預混合燃燒和擴散燃燒，可以模擬多種燃料同時燃燒，因此，本研究燃燒模型選為ECFM-3Z模型。由于ECFM-3Z模型內置有著火模型和排放模型，因此著火模型選為Delay模型，NOx排放模型選為擴展的澤爾多維奇機理，SOOT的排放模型為ERC模型。STAR-CD軟件提供了兩種求解算法，即SIMPLE算法和PISO算法，SIMPLE多用于穩態計算，而PISO常用于瞬態計算，本研究選取PISO算法。

1.3 模擬計算條件

初始壓力由試驗得到的示功圖獲得，初始溫度由理想氣體狀態方程求得。初始流場以渦流比的形式給出，渦流比為1.2，壁面溫度邊界采用絕熱邊界。

2 數值模擬結果

2.1 模型驗證

為了驗證模型的有效性，進行了試驗驗證，所選工況轉速為1 335 r/min，扭矩為218 N·m，天然氣能量替代率為90%。圖2示出試驗測得的缸內壓力和模擬計算得出的缸內壓力對比，圖3示出試驗測得的CH4排放量和模擬計算得出的CH4排放量的對比。從缸內壓力曲線和CH4排放量柱狀圖可以看出，試驗結果和模擬結果吻合較好，說明所選模型和計算方法是合理的，可以進行下一步研究。

圖2 試驗和模擬缸內壓力的對比

圖3 試驗和模擬CH4排放量的對比

天然氣能量替代率計算公式為

(1)

2.2 燃燒室形狀影響規律

對ω形燃燒室、八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室進行了數值模擬，以探究燃燒室的形狀對柴油-天然氣雙燃料發動機燃燒過程的影響規律。模擬計算除燃燒室形狀不同外，其他邊界條件均一致，壓縮比保持為17.2∶1。燃燒室形狀見圖4。

圖4 3種燃燒室形狀示意

圖5示出3種燃燒室的缸內平均壓力、平均溫度和放熱率隨曲軸轉角變化的模擬計算結果。從圖5a和圖5b可以看出，在上止點附近，著火初期，ω形燃燒室缸內平均壓力和平均溫度最高，八邊啞鈴形燃燒室次之，圓柱形燃燒室最低。隨著活塞逐漸下行，八邊啞鈴形燃燒室的缸內平均壓力和平均溫度逐漸變為最高，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低。從圖5c可以看出，在上止點附近，ω形燃燒室的第一放熱率峰值最高，其次是八邊啞鈴形燃燒室，圓柱形燃燒室第一放熱率峰值最低。同時，八邊啞鈴形燃燒室第二放熱率峰值高于圓柱形燃燒室，ω形燃燒室第二放熱率峰值不明顯。

圖5 燃燒室形狀對缸內參數的影響

ω形燃燒室由于氣流速度及湍動能較小，有利于火核的穩定形成，使得滯燃期較短。同時柴油分布區域相對較小，區域內柴油混合氣相對較濃，一經著火便迅速燃燒,并快速引燃柴油周圍天然氣，缸內壓力和溫度快速上升。而八邊啞鈴形燃燒室由于較強的擠流作用，氣流速度較大，形成的火核易被吹熄，使得柴油滯燃期相對較長，因此，當活塞在上止點附近時，八邊啞鈴形燃燒室內溫度及壓力較ω形燃燒室低。隨著活塞遠離上止點，八邊啞鈴形燃燒室內由于著火點分布廣泛，湍動能較大，燃燒速度加快，更多的天然氣參與燃燒，放熱量增多，缸內壓力和溫度較高。而ω形燃燒室由于燃燒初期便大量燃燒放熱，著火點分布相對較少，不利于更多的天然氣參與燃燒，氣缸周圍和燃燒室底部有大量天然氣剩余，缸內壓力和溫度相對較低，第二放熱率峰值不明顯。圓柱形燃燒室燃燒放熱情況介于八邊啞鈴形和ω形之間。

圖6示出燃料剩余百分比隨曲軸轉角的變化，圖7示出3種燃燒室指示熱效率對比。在燃料剩余百分比曲線圖中，柴油剩余百分比定義為當前時刻氣缸內剩余的柴油質量與到當前時刻為止累計噴入氣缸內柴油總質量的比值，天然氣剩余百分比定義為當前時刻氣缸內剩余的天然氣質量與到當前時刻為止累計進入氣缸內天然氣總質量的比值。從圖6可以看出，ω形燃燒室內天然氣剩余量最多，圓柱形燃燒室次之，八邊啞鈴形燃燒室內天然氣剩余量最少；同時可以看出，ω形燃燒室內柴油剩余量最低，圓柱形燃燒室內柴油剩余量最高。這驗證了八邊形燃燒室更有利于天然氣的燃燒。從圖7可以看出，八邊啞鈴形燃燒指示熱效率最高，約為45.3%，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低。

圖6 燃料剩余百分比隨曲軸轉角的變化

圖7 3種燃燒室指示熱效率對比

2.3 微觀場分析

2.3.1 速度場分析

圖8示出3種燃燒室內氣流速度在不同曲軸轉角時的微觀場，為了讀圖方便，對每一微觀場采用了固定的標尺，徑向取圖位置為過活塞頂下部2 mm處，軸向取圖位置恰好經過兩個噴油嘴中心連線，如圖中實線。從圖中可以看出，當活塞運行至上止點附近時，八邊啞鈴形燃燒室內氣流速度最大，并在燃燒室底部仍具有較強的氣流速度，這是由于八邊啞鈴形燃燒室喉口直徑最小，產生的擠流最強?？梢钥闯?，燃燒室喉口直徑對擠流強度影響很大。較強的擠流有利于增加湍動能(這從對應的湍動能場可以看出)，加快燃燒室內已燃氣體與未燃氣體混合。天津大學的焦運景和江蘇大學的潘劍鋒等在燃燒室研究中也得出了類似觀點[12-14]。從圓柱形燃燒室底部速度場分布可以看出，燃燒室底部速度尤其是燃燒室底部的中心部位氣流速度較小。八邊啞鈴形燃燒室和ω形燃燒室由于燃燒室底部設計有凸臺，對燃燒室內氣流運動有引導作用，并且八邊啞鈴形燃燒室內凸臺導流作用更明顯。燃燒室底部剩余的天然氣量與氣流運動和底部所存在的天然氣多少有關，在燃燒室底部設計凸臺，一方面減小了氣流速度較小區域，另一方面可以引導燃燒室內氣流運動，進而影響燃料與空氣的混合、柴油的分布和火焰的傳播，減少燃燒室底部燃料剩余。日本德島大學的Y.Kinoguchi等也在研究中得出，較小的縮口并結合燃燒室底部凸臺能延長燃燒室內較高的湍動能持續期，有效促進燃料的燃燒[15]。

2.3.2 湍動能場分析

圖9示出3種燃燒室內湍動能在不同曲軸轉角時的微觀場。從圖中可以看出，在壓縮過程后期，活塞接近上止點時，八邊啞鈴形燃燒室湍動能最大且分布最廣，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室內湍動能最小。在燃燒初期，較高的湍動能有利于天然氣和空氣混合得更加均勻，以及柴油在燃燒室內分布得更加廣泛，有利于增加著火面積，但較高的湍動能不利于形成穩定的火核。因此，在燃燒初期，柴油的滯燃期相對較長。隨著活塞下行，逐漸遠離上止點，八邊啞鈴形燃燒室內高湍動能區域進一步增大，并在活塞頂和氣缸蓋之間保持較高的湍動能，這不僅有利于天然氣與空氣的快速混合，而且有利于火焰的傳播，加快天然氣的燃燒，提高天然氣的利用率。可以看出ω形燃燒室氣缸內部湍動能相對較小，而圓柱形燃燒室氣缸內湍動能介于兩者之間。

2.3.3 柴油濃度場分析

圖10示出3種燃燒室內柴油質量分數在不同曲軸轉角時的微觀場。柴油噴入燃燒室后，經過著火前的物理和化學反應，在高溫高壓條件下自燃著火。從圖中可以看出，隨著活塞上移，ω形燃燒室內柴油逐漸向燃燒室壁面方向擴散，而八邊啞鈴形燃燒室內柴油向凸臺方向以及沿著凸臺壁面向下擴散，而圓柱形燃燒室內柴油則在噴射位置處向四周擴散，3種燃燒室內柴油的擴散方向主要是由燃燒室的形狀和氣流運動方向所決定。與八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室相比，ω形燃燒室內柴油剩余較少，這是因為ω形燃燒室內柴油滯燃期較短，燃燒速度較快，八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室內柴油滯燃期相對較長，燃燒速度較慢，在活塞到達上止點時，仍有較多的柴油剩余。柴油燃燒后放出大量的熱量，使得缸內溫度升高，有利于缸內燃料的燃燒。隨著活塞下行，柴油繼續燃燒，可以看出，當活塞運行到365°時，ω形燃燒室內柴油消耗殆盡，而圓柱形燃燒室內仍有少量的柴油剩余。同時，從圖10中柴油的擴散方向可以得出，在燃燒室的底部設計凸臺，通過引導氣流運動可以引導柴油擴散方向，改善柴油在燃燒室內的分布。

圖8 速度場

圖9 湍動能場

2.3.4 天然氣濃度場分析

圖11示出3種燃燒室內天然氣質量分數在不同曲軸轉角時的微觀場。從圖中可以看出，在柴油著火位置，天然氣濃度開始下降，這說明天然氣是由柴油引燃的。當活塞上行到達壓縮上止點時，在同一曲軸轉角下，ω形燃燒室內天然氣濃度下降最多，八邊啞鈴形燃燒室次之，圓柱形燃燒室內天然氣濃度下降最少，這是由于ω形燃燒室內柴油滯燃期較短，燃燒速度較快，并不斷引燃周圍天然氣，使天然氣更早更快地燃燒。隨著活塞離開壓縮上止點下行，由于八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室內柴油滯燃期較長，氣缸內湍動能較大，使得柴油在缸內分布更加廣泛，有利于引燃更多的天然氣?？梢钥闯?，當活塞運行至400°時，八邊啞鈴形燃燒室內天然氣剩余最少，僅在燃燒室底部靠近凸臺部位有少量剩余，這是由于八邊啞鈴形燃燒室內柴油分布廣泛，并且湍流較大，促進了已燃氣體和未燃氣體的交換，提高了火焰傳播速率，促進了燃燒室內燃料的充分燃燒。ω形燃燒室和圓柱形燃燒室底部和靠近氣缸軸線的區域有大量的天然氣剩余，由于圓柱形燃燒室氣缸內接近氣缸壁處湍動能相對ω形燃燒室要大，燃燒速率較ω形燃燒室要快，天然氣燃燒更為充分，天然氣剩余量較ω形燃燒室要少。

2.3.5 溫度場分析

圖12示出3種燃燒室內溫度在不同曲軸轉角時的微觀場。從圖中可以看出，柴油開始著火前，缸內溫度分布均勻，僅在柴油噴入和貫穿的區域溫度下降。燃燒之后，在同一曲軸轉角下，ω形燃燒室內已燃區域內的溫度最高，八邊啞鈴形燃燒室次之，圓柱形燃燒室最低，這是由于ω形燃燒室內柴油滯燃期最短。缸內柴油和天然氣燃燒后，釋放出大量的熱量，使得缸內高溫區域不斷擴大，逐漸向壁面傳播。可以看出，380°時，3種燃燒室底部的溫度均較低。400°時，對于ω形燃燒室和圓柱形燃燒室，燃燒室底部和靠近氣缸軸線的區域溫度均較低，而八邊啞鈴形燃燒室內溫度分布則較為均勻，這是由于八邊啞鈴形燃燒室內柴油分布廣泛，同時氣缸內氣流速度快，湍動能大，有利于天然氣的充分燃燒，放出更多的熱量，因此八邊啞鈴形燃燒室內溫度相對較高。

圖11 天然氣濃度場

圖12 溫度場

2.4 燃燒室形狀對CH4排放的影響分析

圖13示出3種燃燒室所對應的CH4排放量(CH4排放量是指計算結束時刻430°時CH4的剩余量)。從圖中可以看出，ω形燃燒室CH4排放量最高，八邊啞鈴形燃燒室CH4排放量最低。這是由于八邊啞鈴形燃燒室內天然氣著火點分布較為廣泛，湍動能較大，天然氣燃燒充分，因此排放出的CH4最少。這從上文中燃料剩余比例曲線以及缸內天然氣微觀場分析也能看出。

圖13 3種燃燒室內CH4排放量

3 結論

a) 八邊啞鈴形燃燒室缸內平均壓力和溫度最高，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低；同時，ω形燃燒室內柴油滯燃期較短，天然氣燃燒速度較慢，八邊啞鈴形燃燒室和圓柱形燃燒室內柴油滯燃期相對較長，天然氣燃燒速度較快；八邊啞鈴形燃燒室內，天然氣剩余比例最小，天然氣利用率高，燃料的經濟性較好；此外，八邊啞鈴形燃燒室內指示熱效率最高，為45.3%；

b) 從模擬計算微觀場中可以看出，八邊啞鈴形燃燒室內氣流運動速度最大，湍動能最強，圓柱形燃燒室次之，ω形燃燒室最低；ω形燃燒室的CH4排放量最多，其中CH4主要是在燃燒室的底部和氣缸壁附近剩余較多；八邊啞鈴形燃燒室CH4排放量最低，僅在燃燒室底部，貼近凸臺處剩余少量CH4；對于柴油-天然氣雙燃料發動機，為保證天然氣的可靠著火，在天然氣著火初期，湍動能不應過大；天然氣快速燃燒時，可增加湍動能強度和延長湍動能持續期，以保證天然氣的快速、充分燃燒，提高柴油-天然氣的熱效率，降低CH4排放；

c) 通過減小燃燒室喉口直徑，可以增強燃燒室內的擠流強度，增加氣缸內的湍動能，提高缸內燃料的燃燒速度；在燃燒室的底部中心部位設計凸臺，能引導燃燒室內的氣流運動，擴大著火點分布范圍，改善燃燒室底部燃料的燃燒，并在較大擠流作用下凸臺的導流效果更加明顯。

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[編輯: 李建新]

Simulation Analysis of Influence of Combustion Chamber Shape on Dual-fuel Engine Performance

WANG Zhongshu, LI Hui, YANG Zhou, LI Weifeng

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control，Jilin University, Changchun 130025， China)

The influences of three kinds of combustion chamber shape on the performance of diesel and natural gas dual-fuel engine were studied with STAR-CD software. The three kinds of combustion chamber were ω-shaped combustion chamber, octagonal dumbbell-shaped combustion chamber and cylinder-shaped combustion chamber. The results show that the octagonal dumbbell-shaped combustion chamber has better performance. The in-cylinder turbulent kinetic energy strengthens, the flame propagation accelerates and the fuel utilization ratio increases due to the squish flow caused by reducing dumbbell throat diameter. Meanwhile, the designed boss at the bottom of the combustion chamber can guide the mixture movement, and promote diesel diffusion to the chamber bottom, resulting a wide distribution of ignition point. Therefore, the in-cylinder average pressure，average temperature and indicated thermal efficiency of octagonal dumbbell-shaped combustion chamber is the highest and the proportion of remained natural gas is the least.

dual-fuel engine； combustion chamber； combustion； emission； simulation

2015-06-23;

2015-09-16

國家重大基礎研究發展規劃(“973”)資助項目(2013CB228402)；國家自然科學基金資助項目(50906033);吉林省科技發展計劃資助項目(20126009)；吉林大學研究生創新基金資助項目(2015092)

王忠恕(1977—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制；wangzhongshu@jlu.edu.cn。

李慧(1988—)，女，碩士，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制；lhui157@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.001

TK422

B

1001-2222(2016)01-0001-08