氬氧氛圍下天然氣發動機的燃燒特性研究＊

鄭雷 詹羽 鄧俊 金少也 李理光,2

（1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.同濟大學 中德學院，上海 200092）

主題詞：氬氧氛圍 天然氣 熱效率 燃燒特性

1 前言

隨著CO2排放問題的日益突出，如何進一步提高發動機的熱效率已成為交通領域面臨的最大挑戰。Eugene A.Lauman 和Rollin K.Reynolds[1]于1978 年提出了一種高效低排放的氬氣循環發動機的新概念，用于柴油機發電。由奧托循環理論熱效率公式可知，提高缸內工質的比熱比可提高發動機熱效率[2]，氬氣作為單原子分子，比熱比為1.67，高于雙原子分子和多原子分子，而且氬氣作為惰性氣體不會參與反應，可降低污染物的排放量。Rentaro等[3]研究表明，氫氣可在氬氧混合氣中穩定燃燒，用氬氧混合氣代替空氣可提高熱效率。Hany等[4]發現，隨著氬氣比例的提高，燃燒溫度、燃燒壓力和燃燒放熱率的峰值均增大，且對應的曲軸轉角提前。鄧俊等[5]研究了氬氣比例對發動機熱效率及爆震的影響，試驗結果表明，隨著氬氣比例的升高，熱效率得到提高，爆震得到削弱。

壓縮行程結束時，混合氣溫度越高，爆震傾向越大，導致燃燒循環變動劇烈[6-7]。由于燃燒循環變動較大，內燃機可能在每個循環中都不處于最佳燃燒狀態，這對發動機的熱效率和平均指示壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）有負面影響。Ozdor等[8]研究指出，如果可以消除燃燒過程中的循環變動，在相同燃料消耗下平均指示壓力可提高10%以上。影響燃燒循環變量的主要因素有缸內湍流強度、混合氣組分和分布、流體運動[9]。Hamai等[10]研究表明，火花塞間隙內的混合氣流速對燃燒循環變動有明顯影響，由于火焰形成過程和火花持續時間都受其影響，當混合氣速度過高時甚至會發生失火。燃燒循環變動也會受到空燃比的影響，因為空燃比的變化會導致火核形成速率的波動[11]。

本文基于一臺改裝的天然氣進氣道噴射點燃式發動機，以甲烷（CH4）為燃料，試驗研究過量氧氣系數、氬氣比例、點火時間對指示熱效率、平均指示壓力和燃燒循環變動的影響，并利用Chemkin 進行仿真，為燃燒特性的分析和燃燒優化提供依據。

2 試驗及仿真過程

2.1 試驗過程

以氬氧混合氣代替空氣作為工質的發動機稱為氬氣發動機。本文所用試驗裝置與文獻[5]相同，發動機結構參數如表1所示。試驗過程中每0.5°CA采集一次缸壓信號，每工況采集100個循環的數據。

表1 發動機結構參數

試驗工況如表2所示。對于氬氧混合氣，發動機的點火正時變化范圍為0°～20°CA BTDC；對于空氣混合氣，點火正時變化范圍為15°～30°CA BTDC，增量均為5° CA。氬氣比例指氬氧混合氣中氬氣所占的體積分數，為與空氣對比，同時研究氬氣比例變化對缸內燃燒特征的影響，氬氣比例選擇75%、79%和82%。過量氧氣系數λ定義為1 kg 燃料實際提供的氧氣量與完全燃燒理論需要的氧氣量的比值，為了對比稀混合氣對氬氣發動機熱效率的影響和濃混合氣對發動機動力性的影響，過量氧氣系數選擇0.85、1.00和1.10。

變動系數（Coefficient of Variation，CoV）為燃燒循環變動的量化標準，IMEP的變動系數為：

式中，σpmi、分別為IMEP的標準偏差和平均值。

表2 試驗工況

Cpmax為峰值壓力變動系數，計算方法與式（1）相同，為峰值壓力標準偏差與峰值壓力平均值的比值。Cpmi常被用來評價燃燒循環變動的情況，Cpmax可作為燃燒相位循環變動的評價指標，因為燃燒始點對其數值的影響很大[12]。本文同時用這2個參數表征燃燒過程的循環變動情況。

2.2 仿真過程

通過Chemkin軟件對空氣氛圍和氬氧混合氣（氬氣比例Ar=79%）氛圍的甲烷燃燒過程進行仿真。仿真所用機理為Aramco 1.3[13]，采用閉口發動機模型，模型結構參數與表1設置相同。在保證壓縮起點溫度和壓力相同的前提下，探究發動機內空氣氛圍與氬氧氛圍下甲烷燃燒的反應速率。采用閉口均質定容反應器，設置不同氛圍下的反應初始溫度和壓力相同（溫度增量為20 K），即等同于固定了發動機壓縮終了溫度和壓力，以使氬氣和溫度對燃燒反應速率的影響進行解耦，進一步探究氬氣本身對甲烷反應速率的影響。仿真工況參數如表3所示。

表3 仿真工況

3 仿真及試驗結果分析

3.1 仿真結果分析

甲烷在燃燒初期的主要消耗方式是從CH4到CH3，因此CH4到CH3的轉化率可以作為CH4反應速率的特征參數。通過對閉口發動機模型進行仿真，在著火時刻附近，不同的曲軸轉角對應的CH4至CH3的主要元素反應速率如圖1所示，圖2所示為不同曲軸轉角對應的H、O、OH的摩爾分數變化規律。圖1、圖2中的基元反應包括：

圖1 閉口發動機模型中CH4消耗率隨曲軸轉角的變化

圖2 閉口發動機模型中H、O、OH摩爾分數隨曲軸轉角的變化

從圖1a 和圖1b 可以看出，不同曲軸轉角下3 種基元反應在著火時刻附近的反應速率變化趨勢大致相同。氬氧混合氣中CH4的反應速率是空氣中的2 倍以上，說明氬氣發動機在燃燒過程中具有較高的等容度。而且從仿真中可以看出，氬氣發動機的著火時刻為21° CA BTDC，而空氣工質下為16° CA ATDC，這是因為氬氧混合氣具有較高的比熱比，壓縮行程溫度上升較快，導致氬氣發動機更早著火。從圖2a 和圖2b 中可以看出，OH、H和O在這3個基元反應中起著重要作用，且氬氣發動機缸內OH 峰值的摩爾分數是空氣中的2倍，這與CH4的轉化率變化趨勢十分吻合。

利用閉口均質定容反應器進一步分析在相同溫度和壓力環境下，氬氧和空氣氛圍對CH4轉化速率的影響，由于式（2）～式（4）對應的基元反應中CH4的消耗率變化趨勢相同，故僅取式（3）對應的CH4消耗率峰值的絕對值來表征CH4反應速率。氬氧和空氣氛圍下CH4消耗率峰值及其對應的溫度隨反應初始溫度的變化曲線如圖3所示。從圖3a中可以看出，氬氧氛圍中CH4的反應速度明顯較空氣氛圍中的高，結合圖3b可以看出，在燃料反應的過程中，氬氣的高比熱比使溫度更快升高，加速了反應的進行。因此，在氬氣發動機中，壓縮行程與反應初始階段均促進了缸內溫度的迅速上升，加快了氬氧氛圍中燃料的反應速率，造成氬氣發動機在燃燒的過程中有更高的等容度。

圖3 閉口均質反應器中CH4消耗率峰值及對應溫度隨反應初始溫度的變化

3.2 氬氣發動機經濟性、動力性試驗與分析

圖4a 所示為過量氧氣系數λ=1.00 時，不同氬氣比例下，指示熱效率η和IMEP 與點火時刻的關系，二者均由試驗數據計算所得。從圖4a 中可以看出，隨著氬氣比例的升高，發動機的指示熱效率會提高，當氬氣比例為82%時達到最高熱效率47.8%。但是，氬氣比例過高時IMEP 下降。分析認為，氬氣比例的增大使得氣缸內工質比熱比增大，進而提高發動機的熱效率，但同時降低了每循環燃料噴射量，使得動力性有所下降。

圖4 η和IMEP與氬氣比例、點火時刻、λ的關系

圖4b和圖4c顯示了在氬氧混合氣（Ar=79%）和空氣作為工質時，不同過量氧氣系數下，η和IMEP與點火時刻的關系。結果表明，氬氣發動機和傳統天然氣發動機在稀混合氣下均能獲得較好的指示熱效率，而在濃混合氣下能獲得較好的平均指示壓力。當λ=1.00 時，將進氣由空氣替換為79%氬氣比例的氬氧混合氣，可使指示熱效率從原機最高值35.9%提高到43.0%，同時，IMEP也從0.81 MPa提高到0.95 MPa。且從圖4b和圖4c中可以看出，在稀燃工況下（λ=1.10），氬氣發動機的指示熱效率可從過量氧氣系數為1時達到的最高熱效率47.8%提高到49.8%，而其對應的IMEP 雖然降低到0.85 MPa，但仍高于空氣工況下所達到的值。

圖4a、圖4b 中不同工質、不同氬氣比例的最大指示熱效率對應工況點的缸內壓力與曲軸轉角的關系曲線如圖5a、圖5b 所示。從圖5a 中可以看出，氬氣發動機最高缸內壓力達5.4 MPa，明顯高于傳統天然氣發動機最高缸內壓力，這主要是因為氬氣發動機具有較高的比熱比。氬氣發動機的最大壓力升高率(dP/dφ)max和最大燃燒放熱率(dQ/dφ)max也明顯高于天然氣發動機，這說明氬氣發動機燃燒的過程較為迅速，這與仿真結果一致，都說明氬氣氛圍下可提高燃料燃燒的等容度。從圖5b 中可以看出：當氬氣比例為75%時，(dP/dφ)max=0.44 MPa·[(°)CA]-1和(dQ/dφ)max=85.4 J·[(°)CA]-1均達到最大值；當氬氣比例為79%時，平均指示壓力為0.96 MPa 達到最大值；當氬氣比例為82%時，η=47.8%達到最大值。因此可能存在一個最優的氬氣比例來平衡各特征參數，如η、平均指示壓力、(dP/dφ)max、(dQ/dφ)max等。圖5c、圖5d 分別為不同工質、不同氬氣比例下燃燒放熱率與曲軸轉角的關系，工況點與圖5a、圖5b相同。

3.3 點火正時、λ及氬氣比例對變動系數影響的試驗與分析

圖6 所示為空氣和氬氧混合氣（Ar=79%）分別作為工質時，不同過量氧氣系數λ下，Cpmi、Cpmax和著火延遲期（定義為燃料釋放能量2%時對應的曲軸轉角與點火正時對應曲軸轉角的差值）隨點火正時的變化曲線。

圖5 最大指示熱效率對應工況下缸壓和燃燒放熱率隨曲軸轉角的變化曲線

從圖6a中可以看出，在相同點火正時下，傳統天然氣發動機和氬氣發動機的Cpmi均隨混合氣濃度的增大而降低。由于稀薄混合氣的燃燒速率較低，延長了燃燒持續時間，使得燃燒過程中容易受到氣缸內流場變化的影響，造成燃燒過程不穩定，因此使循環變動增大。氬氣發動機因在壓縮沖程溫度上升較快，更容易發生爆震，故點火提前時，氬氣發動機的Cpmi較傳統天然氣發動機高；較濃的可燃混合氣對爆震有一定的抑制作用，導致氬氣發動機和天然氣發動機Cpmi差異減小。

圖6b中隨λ的增大，氬氣和天然氣發動機Cpmax均增大，這與Cpmi的變化趨勢相同。但是氬氣發動機的Cpmax卻明顯低于天然氣發動機，這是因為Cpmax對著火時刻的變化十分敏感，氬氧混合氣作為工質時因缸內壓縮時具有較高的溫度而縮短著火延遲期，造成著火時刻變動較小。從圖6c 中可以明顯看出，氬氣發動機的著火延遲期遠低于天然氣發動機。

圖6 不同過量氧氣系數下Cpmi、Cpmax和著火延遲期隨點火正時的變化

從圖4b和圖6a的對比可以看出，Cpmi與η隨點火正時變化的規律具有一致性。在相同的過量氧氣系數下，Cpmi越高，對應的η越低，因為燃燒循環變動越大，表明發動機的許多循環都不能達到最佳燃燒狀態，因此降低發動機的指示熱效率。

當λ=1.00時，氬氣比例對Cpmi、Cpmax和著火延遲期的影響如圖7所示。從圖7a中可以看出，隨著氬氣比例的升高，Cpmi呈現下降趨勢，這是因為氬氣比例的升高可明顯抑制氬氣發動機的爆震[5]，使得燃燒過程更加穩定，燃燒循環變動降低。而Cpmax隨氬氣比例的升高而增大，從圖7b中可以看出，氬氣比例增大使著火延遲期加長，導致燃燒始點波動增大，最終Cpmax升高。

圖7 不同氬氣比例下Cpmi、Cpmax和著火延遲期隨點火正時的變化（λ=1.00）

4 結論

a.氬氣發動機在壓縮行程與燃燒過程中溫度升高較快，共同促進燃燒的進行，提高燃料反應速率，使得氬氣發動機燃燒過程中等容度較高。

b.由于氬氧氛圍中燃料燃燒具有更高的等容度，直接采用79%比例的氬氧混合氣代替空氣作為工質，可將原發動機的指示熱效率從36.9%提高到43.0%，平均指示壓力從0.81 MPa提高到0.95 MPa；通過提高氬氣比例至82%，指示熱效率可增大到47.8%；進一步采用少量稀燃的方式，在過量氧氣系數為1.10，氬氣比例為79%時，指示熱效率提高到49.8%。

c.混合氣較濃時可同時改善燃燒循環變動和燃燒相位循環變動，氬氣比例升高使得燃燒循環變動降低，燃燒相位循環變動升高；指示熱效率和燃燒循環變動隨點火正時的變化具有較好的一致性，當燃燒循環變動較小時，對發動機的指示熱效率有改善作用。