當量比對CNG發動機動力及排放性能的影響

黃丫，林學東，張福君，喻莉娟

(1.長春工程學院能源動力工程學院，吉林 長春 130012;2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022)

隨著全球石油資源短缺和環境污染問題的日益嚴峻，汽車工業能源結構的調整已勢在必行，儲量更大、價格更低、污染更小的壓縮天然氣(CNG)是目前技術上最為成熟的內燃機代用氣體燃料[1-2]。近年來，為提高動力性、降低排放，CNG發動機技術得到了迅速發展，其中基于CNG著火界限寬有利于稀燃特點的缸內直噴稀薄燃燒技術被認為是最具有前景的技術之一[3]。采用缸內直噴供氣技術的CNG發動機稀燃極限范圍廣，更有易于實現稀薄燃燒，在稀薄燃燒狀態下，充足的空氣可以提高燃燒終了時混合氣的絕熱系數，有利于提高發動機的熱效率，并且充分的燃燒還可以有效地降低發動機排放。在缸內直噴CNG發動機中，當量比作為進入氣缸混合氣濃度的最直觀參數，對CNG發動機燃燒室內的壓力、溫度和燃燒速度產生直接影響，因此確定最佳當量比是對發動機進行后續性能優化的基礎。

目前，大部分對CNG發動機動力及排放性能的研究工作都是基于樣機試驗完成的，不僅成本較高，并且只能對某一個物理量的演化過程進行分析，不能反映CNG燃燒過程中氣缸內各個物理場的分布特性隨曲軸轉角的變化情況，因而很難揭示出發動機參數對CNG燃燒過程和燃燒排放性能影響的內在機理[4]。隨著描述發動機氣缸內燃料噴射和燃燒過程的流體力學、化學反應動力學、熱力學和傳熱學模型的建立，利用計算機模擬發動機燃燒過程成為可能[5-7]，通過仿真可以對發動機氣缸內的混合氣濃度分布、湍動能分布、火焰傳播過程、溫度分布以及燃燒產物生成速率分布等進行準確的分析預測，進而從微觀三維物理場的角度研究發動機運行參數對其動力及排放性能的影響。

本研究針對采用缸內直噴稀薄燃燒技術的CNG發動機試驗樣機，利用三維計算流體動力學軟件Fire，仿真研究當量比對發動機燃燒放熱特性的影響，將計算機仿真得到的氣缸內各種三維物理場與樣機試驗得到的放熱率、缸壓等二維曲線有機地綜合起來，提出了通過優化當量比提高發動機動力性并降低NO排放的方案，可為實際缸內直噴稀燃CNG發動機的參數設計提供指導。

1 CNG試驗樣機結構

仿真試驗基于缸內直噴CNG發動機光學試驗樣機進行，其燃燒室為簡單的凹形。在試驗樣機活塞頂部設有觀測窗，可以以563 幀/s的速度用CCD攝像機記錄氣缸內的火焰傳播情況，從而實現氣缸內火焰傳播過程的仿真與試驗對比。缸內直噴CNG試驗樣機的主要技術參數見表1。在仿真和試驗中所采用的CNG主要成分：CH4占85.45%；C2H6占4.51%；C3H8占3.39%；C4H10占3.71%；N2占2.94%。

缸內直噴CNG試驗樣機氣缸內噴油器和火花塞的位置見圖1。氣缸蓋頂部垂直布置了2個間隔為80 mm的旋流式噴射器，其最高噴射壓力為7 MPa，試驗時設定為5 MPa，噴油時能夠盡可能形成混合氣的梯度分布。兩火花塞安裝在氣缸蓋側面，點火針距離氣缸側壁22.5 mm。仿真時氣缸內各物理場的三維分布取自兩噴油器中心位置處的氣缸縱截面。

表1 試驗樣機技術參數

圖1 噴射器及火花塞布置

2 試驗樣機仿真模型及其試驗驗證

針對試驗樣機的凹形燃燒室，仿真時直接采用圓柱形模型，然后利用Fire的FAME Engine建立發動機仿真模型的動網格。由于氣缸內的容積隨曲軸轉角變化，而不同容積所需的仿真精度不同，因此在網格劃分時要根據不同工作狀態下的仿真精度需求將氣缸分出不同層數(見圖2)。壓縮過程初期和膨脹過程后期采用60層網格，壓縮過程中期和膨脹過程中期采用45層網格，壓縮過程后期和膨脹過程初期采用30層網格，壓縮上止點附近區域采用10層網格，其中燃燒室的網格保持不變。

圖2 仿真模型網格劃分

建立試驗樣機仿真模型后，還要根據發動機的運行參數確定仿真初始條件。受光學試驗樣機結構限制，其轉速設定為200 r/min。氣缸進氣壓力和溫度分別為75.55 kPa和323 K，初始渦流強度為1 200 r/min，由進氣門最大升程決定的湍流長度尺度為3.1 mm；根據行程和發動機轉速計算出的活塞平均速度為1.867 m/s，據此得到湍流波動速度為1.12 m/s，則初始湍動能為1.88 m2/s2。設壓縮上止點對應的曲軸轉角為360°，則兩火花塞的點火時刻分別為356°和357°曲軸轉角。

仿真邊界條件由試驗樣機的測試結果確定，活塞頂面、氣缸壁和氣缸蓋底面的溫度分別為373 K，323 K和373 K。另外，仿真時間步長也需要謹慎選擇，步長太大影響仿真精度，步長太小則會極大地增加仿真的運算量，所以應根據發動機工作的不同階段分別設置。噴油和燃燒階段采用的計算時間步長為0.5°，壓縮和膨脹階段采用的計算時間步長為1°。

為驗證燃燒過程仿真模型的正確性，將上述仿真模型的仿真計算結果與光學CNG試驗樣機的實際試驗結果相比較，其間相對誤差小于4.5%，說明所建立的發動機仿真模型、仿真參數及其仿真結果符合試驗樣機的實際工作情況，因此仿真分析具有實際參考意義。

3 仿真結果與分析

3.1 當量比對發動機動力性能的影響

當量比是一定燃料實際燃燒反應的空燃比與恰好完全燃燒時的空燃比的比值，當發動機排量一定時，其在一個工作循環內吸入空氣量一定，則當量比完全取決于CNG噴氣量，噴氣量越大當量比越高。研究主要針對稀燃情況下當量比對發動機性能的影響，因此當量比試驗范圍從0.6到1.0以0.02為步長進行仿真。

平均指示壓力是發動機整個燃燒過程中能量轉換的綜合反映，平均指示壓力越高說明發動機的動力性越強。當量比對平均指示壓力的影響見圖3。由圖可知，隨著當量比的增大，平均指示壓力也隨之單調增加，說明在稀燃條件下，CNG噴氣量越大發動機的動力性越好。但當量比越大平均指示壓力的變化率越小，曲線越平，說明通過增大當量比提高發動機動力性的效力越來越低。

圖3 當量比對平均指示壓力的影響

圖4示出在0.7，0.76，0.82，0.88和0.94五種當量比條件下，示功圖的變化情況。示功圖是氣缸內平均壓力隨曲軸轉角變化的曲線，它能反映出比平均指示壓力更多的信息。由圖可知，當量比越大，缸內壓力最大值越高，且該最大值所處的曲軸轉角位置越接近壓縮上止點，說明火焰傳播速度越快，發動機動力性越好。當量比對燃燒放熱率的影響見圖5，與其對示功圖的影響相對應，在當量比小于1的稀薄區域，隨著當量比的增加，燃燒放熱速率的峰值明顯提高，且峰值所處曲軸轉角越靠近上止點。

圖4 當量比對示功圖的影響

圖5 當量比對燃燒放熱率的影響

氣缸內各種三維物理場的相互作用是導致發動機動力性變化的內在因素。在0.7，0.82和0.94三種當量比條件下，通過濃度場和湍動能場隨曲軸轉角的變化可以明顯看出，當燃料以5 MPa的噴射壓力高速噴入氣缸時，在噴孔的節流作用以及缸內空氣阻力的作用下，燃料束產生強烈的湍流和擾動并向燃燒室內空氣擴散。尤其是點火時刻(356°)氣缸內的濃度場和湍動能場對點火后的稀薄火焰傳播情況起到了決定性的作用(見圖6)。在兩火花塞附近三種當量比對應的混合氣濃度和湍動能見表2。

圖6 點火時刻氣缸內濃度場和湍動能場

當量比火花塞2局部當量比湍動能/m2·s-2 火花塞1局部當量比湍動能/m2·s-20．70．7160．575 0．8810．5450．820．8040．676 0．9210．6140．940．9340．939 0．9710．849

由表2可知，當量比越大，點火時刻火花塞附近的CNG濃度越高，且湍動能越大。在火花塞打火后，一旦形成火焰中心，火焰傳播速度明顯加快(見圖7)，缸內壓力和燃燒放熱率最大值的出現位置提前，平均指示壓力升高，從而使發動機的動力性得到提高。

圖7 當量比對火焰場的影響

3.2 當量比對發動機NO生成量的影響

當量比對發動機NO排放的影響見圖8。當量比從0.6開始逐漸增大時，NO排放隨之增加，在0.82附近達到最大值，其后NO排放隨著當量比的增加而遞減。形成這種現象的根本原因在于火焰傳播過程中和火焰傳播過后，局部濃度場和溫度場的分布特性。在CNG發動機中生成NO的途徑主要有兩個：一是在火焰傳播過程中參與燃燒空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團等反應而生成的快速型NO；二是在火焰傳播過后氣缸內處于高溫富氧區空氣中的氮氣在高溫下氧化而形成的熱力型NO。這兩種NO的生成條件均與氣缸內各點處的溫度和混合氣濃度有關[8-10]。

圖8 當量比對NO質量分數的影響

圖9示出在0.7，0.82，0.94三種當量比條件下氣缸內NO生成速率場的變化情況。在當量比為0.7時，NO主要生成于373°～376°火焰傳播過后的高溫富氧區，屬于熱力型NO。由于火焰傳播速度慢，氣缸內的平均指示壓力和燃燒放熱率低，導致溫度場中各點的溫度均較低，因此NO生成速率和生成面積小，總的NO生成量不大。在當量比為0.94時，NO主要生成于367°～370°的火焰傳播區，屬于快速型NO，但因溫度場的建立較火焰傳播有一定的延遲，所以火焰傳播過程中氣缸內的溫度還不足以生成大量的NO，在火焰傳播過后的高溫區內，又由于缸內混合氣濃度太高、含氧量太低不滿足熱力型NO的生成條件，因此總體上當量比為0.94時NO生成量也不大。在當量比為0.82時，火焰傳播過程中溫度升高較快，火焰傳播過后的高溫區內混合氣濃度適中，因此367°～376°的范圍內均有NO大量生成，從而導致當量比為0.82時NO生成量最高。由此可知，缸內直噴稀燃CNG發動機NO生成量取決于點火后氣缸內的溫度場和濃度場的分布變化情況，只有在溫度場中溫度大于2 400 K且在濃度場中當量比處于0.72～1.26范圍內的環帶狀區域內NO才能夠大量生成。

圖9 當量比對NO生成速率的影響

4 結論

a) 在缸內直噴稀燃CNG發動機中，氣缸內混合氣濃度的瞬態分布特性和氣流運動狀態決定了稀薄火焰的傳播特性；在稀燃(當量比小于1)條件下，適當地提高當量比可縮短混合氣形成時間，提高點火時刻缸內火花塞附近混合氣濃度和氣流的湍動能，從而加快火焰傳播速度，提高氣缸內的燃燒壓力和燃燒放熱速率，進而使發動機的動力性得到提升；

b) 氣缸內的NO生成速率取決于溫度場和濃度場的瞬態分布，只有在溫度場中溫度大于2 400 K且在濃度場中當量比處于0.72～1.26范圍內的環帶狀區域內NO才能夠大量生成；

c) 在當量比較小時，火焰傳播速度減慢，燃燒放熱速率降低，使得缸內溫度較低，不利于NO生成；在當量比處于0.82附近時，火焰傳播速度相對較快，缸內溫度升高，氣缸內的氧體積分數適中，導致NO生成的反應速率激增，NO生成量也最大；在當量比大于0.82小于1的范圍內，隨著當量比的增大，雖然缸內溫度提高，各曲軸轉角位置下的高溫區域擴大，但由于快速燃燒后火焰帶后高溫區產生的已燃產物增加，使得高溫區的氧濃度不足，反而引起NO生成量急劇下降；

d) 對于缸內直噴稀燃CNG發動機，當量比宜設置在0.9～1之間，這樣既有利于提高發動機的動力性，也有利于減少NO排放。

[1] 徐恒，盧占領，楊秀玲.汽油/CNG發動機經濟性動力性對比研究[J].汽車零部件，2016(4)：33-35.

[2] 唐為義.汽油-壓縮天然氣(CNG)發動機國Ⅴ排放標定匹配研究[J].內燃機與動力裝置，2016，33(1)：10-13.

[3] 姜士陽.天然氣發動機理論空燃比與稀燃對比研究[J].農機化研究，2010(10)：195-198.

[4] 周立迎，徐富水，羅福強.缸內直噴CNG發動機燃燒過程測量分析[J].車用發動機，2014(4)：83-88.

[5] 江冰，武昭暉，何云堂.CNG發動機燃燒室形狀對氣流運動和燃燒特性的影響[J].農業機械學報，2015，46(1)：338-344.

[6] 黎明，孫霞，鄭清平，等.點燃式CNG發動機燃燒系統的優化[J].燃燒科學與技術，2016，22(5)：475-479.

[7] 柏瑩，黎蘇，白巴特爾.CNG發動機燃燒系統優化分析[J].內燃機與動力裝置，2015，32(3)：52-56.

[8] Mohamad T I,Geok H H.Combustion characteristics of compressed natural gas in a direct microchannel-injection engine under various operating conditions[J].Applied Mechanics and Materials,2013，315:793-798.

[9] 林學東，黃丫，袁芳恩.缸內直噴CNG發動機噴射方式對火焰傳播特性及性能的影響[J].內燃機學報，2012，30(5)：440-445.

[10] Mohd Ali M F,Manshoor B,Kidoguchi Y,et al.Distribution of two-stage direct injection CNG-air mixture near lean limit using CFD[J].Applied Mechanics and Materials,2014，465:448-452.