點火系統對某型發動機燃燒的影響規律研究

劉奕榮，陳偉，張晨，陳毅華，閆志偉

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210001)

0 引言

二沖程活塞發動機具有結構簡單、熱效率高、維護方便等特點，廣泛應用于軍用和民用領域[1]。近年來，由于對小型無人機飛行高度、長航時和工作可靠性等性能方面的要求日益提高，活塞發動機在航空領域得到了更多的關注和應用。

活塞發動機的缸內工作過程包括了諸多復雜的物理和化學過程，也意味著其工作過程受諸多因素的影響，點火時刻和火花塞的布置方式是其中較為重要的影響因素[2-3]。發動機在任一工況下均存在最佳點火時刻，此時發動機的功率最大，燃油消耗率最低[4]。點火時刻的改變會影響燃燒過程火焰發展期和快速燃燒期的持續時長，影響發動機的動力性、經濟性和排放性能[5-7]。火花塞的數量和布置方式對發動機點火的可靠性有極為重要的影響，合理的火花塞數量和布置方式不僅可以減小火焰的有效傳播距離，提高發動機燃燒速率[8]，還可以保證發動機在復雜惡劣的工作環境下仍可以有效點火，避免發動機意外熄火可能造成的不必要的損失。

本文通過對小型航空活塞發動機的數值仿真分析，研究不同點火系統參數(點火時刻、火花塞數量和布置方式)對發動機缸內壓力、燃燒放熱率等燃燒特性參數的影響情況，初步確定點火系統最佳參數，為提高小型航空活塞發動機的動力性能提供有效的參考依據。

1 研究對象簡介

本文的研究對象為一臺以汽油為燃料的小型二沖程活塞發動機，其噴射方式為進氣道噴射，掃氣方式為曲軸箱回流掃氣。發動機相關技術參數見表1。

表1 發動機技術參數

2 模型建立

2.1 網格的建立

建立本文研究對象的掃氣道-氣缸-排氣道三維UG簡化模型，采用ICEM對該模型進行網格劃分，全局采用六面體網格。

分別選取網格尺度為0.5 mm、1 mm和2 mm。對研究對象進行網格劃分，并利用發動機冷態性能仿真進行網格無關性驗證，驗證結果如圖1所示。從圖1中可以看出，當網格尺度為1 mm時，網格尺度對仿真結果計算精度的影響較小，故選取計算模型網格尺度為1 mm。仿真起始時刻，網格總量為636 281，模型網格示意圖如圖2所示。

圖1 網格無關性驗證

圖2 模型網格

2.2 模型的建立與校核

仿真過程中湍流模型選擇Realizablek-ε模型，壁面選用標準壁面模型，燃燒模型選用EDC模型。為驗證所建立模型的準確性，對比轉速5 000 r/min小油門開度下發動機臺架試驗數據與仿真模型計算結果，如圖3所示。可以看出，仿真計算與試驗測得的缸內壓力曲線基本一致，證明了仿真模型與發動機實際工作情況的一致性較好，仿真模型可用于下一步的仿真研究。

圖3 模型準確性驗證

2.3 初始條件和邊界條件的選取

利用已有GT-Power性能仿真模型[9]給出三維仿真的初始條件和邊界條件。

初始條件：本文數值仿真的初始時刻為上止點后101 ℃A，該時刻發動機的排氣道即將打開，換氣過程即將開始。通過一維仿真模型得到相關初始條件如表2所示。

邊界條件：參考國內外對二沖程活塞發動機的研究資料[10-12]，將掃氣道入口的邊界條件設為壓力入口，排氣口的邊界條件設為壓力出口，活塞設為移動壁面，其余面設為固定壁面。

表2 仿真模型初始條件

3 仿真結果及分析

3.1 點火時刻對燃燒特性的影響

點火時刻是影響發動機燃燒特性和整機性能的重要因素之一。在發動機各工況下，均存在最佳點火時刻，此時發動機的輸出功率最大，耗油率最低，但該數值受目標工況下發動機轉速、負荷、進氣壓力、進氣溫度和過量空氣系數等因素影響。若點火時刻過早，發動機爆燃傾向增大；若點火時刻過晚，油氣混合氣的燃燒時間增長，傳熱損失增大，熱效率降低。為探究點火時刻對發動機燃燒特性的影響，選取點火時刻為340 ℃A、343 ℃A、346 ℃A和349 ℃A進行數值仿真分析。

圖4和圖5分別為不同點火時刻下缸內壓力和溫度隨曲軸轉角的變化情況。隨著點火時刻的推遲，缸內最高爆發壓力點和溫度峰值點后移，最高爆發壓力和溫度峰值減小，數值見表3。當點火時刻從340 ℃A～343 ℃A、343 ℃A～346 ℃A和346 ℃A～349 ℃A變化的過程中，缸內最高爆發壓力降低率分別為0.55×105Pa/℃A、0.5×105Pa/℃A和0.42×105Pa/℃A。點火時刻越早，缸內最高爆發壓力對點火時刻的變化越敏感。點火時刻為340 ℃A時，缸內最高爆發壓力在7 °ATDC即達到最大值，活塞上行過程中受到的壓縮負功較大。同時，過高的缸內溫度會導致氣缸頭熱負荷和機械負荷增加，材料的熱強度快速下降，影響汽油機使用壽命[13]。

圖4 點火時刻對缸內壓力的影響

圖5 點火時刻對缸內溫度的影響

表3 不同點火時刻下最高爆發壓力及對應轉角

為方便對內燃機缸內燃燒過程的分析，按已燃燃料的質量分數，可將燃燒分為火焰發展期和快速燃燒期?；鹧姘l展期表征從火花點火至燃料燃燒釋放出10%熱量的階段，快速燃燒期表征為燃料燃燒釋放出10%～90%熱量的階段，該階段是發動機做功的主要階段[14]。

圖6和圖7分別為不同點火時刻下燃燒放熱率和燃燒放熱量的變化曲線。圖8為不同點火時刻下火焰發展期和快速燃燒期占曲軸轉角的變化情況。從圖中可以看出，隨點火時刻的推遲，放熱率峰值對應曲軸轉角后移，燃燒放熱總量呈現先增大后減小的趨勢。當點火時刻為340 ℃A時，工作循環內燃燒放熱量最小，放熱率峰值對應曲軸轉角為359 ℃A，且快速燃燒期所占曲軸轉角有近35%處于上止點前。燃燒質心過于靠前，此時發動機工作過程中的壓縮負功過大，不利于發動機對外輸出功率。點火時刻為343 ℃A時，燃燒放熱率峰值為各點火時刻下的最大值，但上止點前快速燃燒期所占曲軸轉角比重仍較大。當點火時刻為346 ℃A和349 ℃A時，燃燒放熱率峰值及其對應曲軸轉角基本不變，但點火時刻為346 ℃A時的燃燒放熱量最多，燃燒最為充分。

綜上，346 ℃A為單火花塞情況下最合適的點火時刻。

圖6 點火時刻對燃燒放熱率的影響

圖7 點火時刻對燃燒放熱量的影響

圖8 點火時刻對燃燒過程的影響

3.2 單/雙火花塞對燃燒特性的影響

火花塞的數量及其布置方式對火焰傳播距離有直接的影響，進而影響火焰面擴展速率和燃燒速率。本文選取343 ℃A的點火時刻，分別采用單火花塞和雙火花塞點火進行缸內燃燒特性的對比分析，其中單火花塞情況下火花塞位于氣缸中心位置，雙火花塞情況有掃氣道-掃氣道型、掃氣道-排氣道型兩種對稱雙火花塞布置方案，具體布置方案見圖9。

圖9 雙火花塞布置方案

圖10和圖11分別為采用單/雙火花塞布置方案時發動機缸內壓力和溫度隨曲軸轉角的變化情況。可以看出，采用雙火花塞布置方案時缸內最高爆發壓力和缸內平均溫度峰值均高于單火花塞布置方案，且所對應曲軸轉角提前。這是由于雙火花塞布置的點火能量高于單火花塞點火，缸內火焰傳播速度加快，氣體迅速受熱膨脹。同時，相比于掃氣道-掃氣道型布置方案，掃氣道-排氣道型布置方案的火花塞附近流體流速更快(圖12)，有利于高溫已燃廢氣與缸內新鮮混合氣的摻混和熱量傳遞，同時適當強度的湍流運動可以進一步增加火焰傳播速度，這也導致了掃氣道-排氣道型布置方案的最高爆發壓力和缸內平均溫度的峰值均高于掃氣道-掃氣道型布置方案。

圖10 單/雙火花塞對缸內壓力的影響

圖11 單/雙火花塞對缸內溫度的影響

圖12 點火位置平面速度云圖

圖13、圖14分別為采用單/雙火花塞布置方案時燃燒放熱率、燃燒放熱量隨曲軸轉角的變化情況。單火花塞布置方案的燃燒放熱率峰值大于雙火花塞布置方案，所對應的曲軸轉角明顯晚于雙火花塞布置方案。這是由于雙火花塞布置方案點火后的燃燒速度更快，放熱更為迅速，其峰值對應曲軸轉角遠早于上止點，壓縮負功急劇增大。故采用雙火花塞布置方案時需適當推遲點火時刻，避免產生過多的能量損失。相比于掃氣道-掃氣道型布置方案，掃氣道-排氣道型布置方案和單火花塞布置方案的燃燒放熱量更多，主要原因在于掃氣道-掃氣道型布置方案火花塞附近氣體流速過低，不利于氣體的摻混和熱量的傳遞，新鮮混合氣燃燒前溫度低于掃氣道-排氣道型布置方案。綜上所述，采用掃氣道-排氣道型火花塞布置方案時火焰發展和傳播得更為迅速，得到的燃燒放熱量更高。

圖13 單/雙火花塞對燃燒放熱率的影響

圖14 單/雙火花塞對燃燒放熱量的影響

4 結語

本文研究了某型航空活塞發動機不同點火系統參數(點火時刻、火花塞數量和布置方式)對燃燒特性的影響，為提高航空活塞發動機的動力性能提供有效的參考依據。主要研究結論如下：

1)單火花塞情況下，當點火時刻為346 ℃A時，發動機具有最合適的缸內最高爆發壓力點和燃燒放熱率峰值位置、最大的燃燒放熱量，且具有較為合適的火焰發展期和快速燃燒期。

2)雙火花塞布置方案相比于單火花塞布置方案燃燒更為迅速，燃燒質心前移。采用雙火花塞布置方案時需適當推遲點火時刻，且掃氣道-排氣道型雙火花塞布置方案火花塞附近的流場更適合組織燃燒。