CNG發動機缸內氣流條件與雙點點火對火焰傳播特性及熱效率的影響*

楊 淼，林學東，李德剛，劉迎澍

（吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

前言

面對能源短缺問題，國內外掀起了新能源開發利用的浪潮，尋找一種清潔、資源豐富的替代燃料是解決能源危機的首要任務。天然氣憑借H/C 比高、燃燒清潔、著火界限寬、儲量豐富等優點，已成為技術上較為成熟的發動機替代燃料之一。從燃料的高效性考慮，提高CNG 燃料缸內燃燒火焰傳播速率，使得放熱過程更集中，等容度提高，從而提高理論循環效率。近年來，專家們發現缸內氣流特性對火焰傳播速度影響較大，Wu 等發現湍流強度對火焰在快速燃燒期的傳播速度有直接影響，湍流強度越大，火焰傳播速度越快。通過適當增大燃燒室擠壓面積，可以增加反擠壓流，從而提高缸內湍動能，促進火焰的傳播。為適應低碳化的要求，提高指示熱效率是一項重要措施，加快缸內火焰傳播速度是提高指示熱效率的關鍵技術。

本文在CNG-DI 光學實驗樣機上研究火焰傳播特性的基礎上，利用FIRE 軟件建立了2.0 L 直噴四氣門發動機燃燒系統的仿真模型。在此基礎上，對兩種不同燃燒室形狀的缸內氣體流動的微觀物理場及其動態分布特性進行了仿真研究。改變點火模式，分析雙點點火模式對火焰傳播特性的影響，尋求提高指示熱效率的有效途徑。

1 研究條件與方法

1.1 光學發動機的研究現狀

用于模型驗證的單缸光學樣機主要技術參數如表1 所示。用于觀察火焰傳播特性的光學測試系統的布置如圖1 所示。火花塞和噴油器的布置如圖2所示。在氣缸蓋上設置兩個噴油器和兩個火花塞，在氣缸蓋一側設置進排氣系統。為便于進氣渦流的調節，氣缸間隙體積較大。因此，壓縮比低至6.13，光學發動機試驗轉速受原型結構限制為200 r·min，但這并不影響火焰傳播機理的基礎研究。天然氣的主要成分如表2所示。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 火花塞和噴油器位置示意圖

表1 實驗樣機技術參數

表2 天然氣燃料的主要成分

通過調節進氣氣流方向相對于氣缸中心的偏置程度來調節進氣渦流強度。在發動機轉速較低的情況下，通過調節進氣渦流比（=6.0），可以盡可能提高初始氣流強度。在光學發動機實驗中，為了盡可能還原實際發動機的運轉條件，缸蓋上布置兩個旋流噴射器模擬進氣渦流對燃料分布的影響，噴射壓力為0.5 MPa。采用CCD 高速攝像機以563 幀/s的速度連續記錄火焰的傳播過程，在不同的工作條件下，平均缸壓可測量10次。

1.2 仿真條件與驗證

利用CNG 光學發動機測量的火焰傳播特性和示功圖，驗證了CNG-DI 發動機氣缸內的湍流和燃燒模型。然后根據光學發動機的結構特點，在不改變壓縮比的情況下，利用FIRE 軟件直接生成柱狀燃燒系統模型，使燃燒室形狀與光學發動機一致。根據發動機運行過程中氣缸容積的變化，將進氣行程到壓縮做功行程的時間劃分為4 層網格，如圖3所示。

圖3 仿真網格

在噴射和燃燒階段，模擬時間步長為0.5°CA，膨脹階段為1°CA。根據CNG氣體燃料的特性，湍流模型采用k-zeta-f 模型，燃燒模型采用ECFM 模型。湍流擴散模型為O′Rourke 模型。假定氣缸入口氣流狀態均勻，以實測值作為模擬邊界條件。平均進氣壓力為0.108 MPa，初始溫度為314 K，活塞頂部溫度為553 K，氣缸壁的溫度為403 K，氣缸蓋底部的溫度為403 K。比較放熱率和火焰傳播速度的實驗測量值與仿真結果，如圖4 所示，仿真結果與實驗結果吻合較好，表明所建立的仿真模型和算法與CNG燃料的實際混合形成和火焰傳播情況相吻合。

圖4 實驗與仿真結果對比

1.3 技術條件和研究方案

將2.0 L 柴油機改為CNG-DI 發動機，壓縮比由17.2 改為14.6。根據原發動機四氣門結構的特點，噴油器和火花塞的布置如圖5所示，火花塞1處為第1 點火位置，火花塞2 處為第2 點火位置。設計了兩個不同的燃燒室，研究湍流對火焰傳播的影響，如圖6 所示。燃燒室A 與光學試樣燃燒室相同，燃燒室B是對具有較高湍流強度的柴油機燃燒室的改進。

圖5 噴油器與火花塞示意圖

圖6 兩種燃燒室形狀和網格

仿真樣機的網格結構模型、仿真方法和仿真模型的建立與光學樣機一致，在2.0 L柴油機的實驗研究中，通過實測結果確定了仿真邊界條件。仿真樣機的主要技術參數和仿真條件如表3所示。以發動機最大轉矩轉速工況為仿真工況，循環噴氣量為33 mg。采用雙點火器對A 型燃燒室火焰的傳播特性進行了觀察，研究了火焰的傳播特性和指示熱效率的變化。

表3 技術參數及仿真條件

2 結果與分析

2.1 燃燒室結構對火焰傳播特性的影響

火焰傳播速度由湍流火焰傳播速度和已燃區的膨脹速度共同決定。燃燒室結構的改變，對缸內混合氣的湍流運動影響很大，湍流使火焰前峰面發生扭曲，增大了火焰前峰面的面積，同時將火焰前峰面分裂成許多個燃燒中心，大大擴大了火焰前峰面的厚度，加快了湍流火焰傳播速度。對比A 型和B 型燃燒室內在不同曲軸轉角時刻的火焰輪廓線，如圖7 所示，發現B 型燃燒室內的火焰傳播速度明顯加快。這是因為與A 型平頂燃燒室相比B 型燃燒室設置了底部凸起與周側擠流面來加強湍流強度。觀察分析兩種燃燒室內的放熱率曲線，如圖8 所示，與A型燃燒室的放熱率曲線對比分析，發現B 型燃燒室內的燃燒過程開始時刻提前，燃燒持續時間更短，表明燃燒速率更快，使得達到放熱率峰值的時刻更靠近壓縮上止點。同時，如圖9 所示，觀察兩種燃燒室的示功圖可以發現，B 型燃燒室缸內壓力峰值更大，等容度更高。

圖7 火焰輪廓線

圖8 兩種燃燒室放熱率

圖9 兩種燃燒室示功圖

以上分析驗證了燃燒室結構的改變可增強湍流強度，從而加快火焰傳播速度，提高等容度。但是，通過計算發現，B 型燃燒室的指示熱效率（43.27%）低于A 型燃燒室的指示熱效率（44.46%）。進一步研究發現，雖然兩種燃燒室的理論放熱量相同，但是實際放熱量卻有所區別，如表4 所示。定義實際放熱量與理論放熱量的比值為燃燒效率，其代表燃燒的完全性。計算得出A 型燃燒室的燃燒效率為97.1%，而B 型燃燒室的燃燒效率為94.73%，這說明B 型燃燒室雖然加快了火焰傳播速度，提高了燃燒速率，但其燃燒過程不充分。圖10 所示為B 型燃燒室內火焰表面密度的分布圖，從圖中可以看出火焰面存在斷裂現象，在371°CA 時火焰面徹底分為內圈與外圈，外圈火焰厚度較薄且處在周向擠流面的位置，存在狹縫效應，火焰無法擴展，導致燃燒不充分。圖11所示為B 型燃燒室內燃燒后期CH的質量分數分布圖，在燃燒接近終了時周向擠流面區域內仍存在殘留的CH，這進一步驗證了上述B型燃燒室燃燒不充分的結論。由于B 型燃燒室內的燃料未能充分燃燒而導致其指示熱效率降低。

表4 兩種燃燒室結構放熱參數對比

圖10 B型燃燒室內火焰表面密度分布圖

圖11 B型燃燒室內燃燒后期CH4質量分數

燃燒室結構的改變確實會通過影響湍流強度來影響火焰傳播速度，湍流強度的增強會使火焰傳播速度加快，但是較強的湍流會使火焰面發生斷裂，且燃燒室結構中的狹縫區域阻礙火焰的傳播，燃燒不充分導致整體指示熱效率下降。這一結論為以后CNG發動機燃燒室的設計提供了重要的參考意見。

2.2 雙點點火模式對火焰傳播特性的影響

可燃混合氣的燃燒速度，由未燃混合氣密度、層流火焰傳播速度、火焰前鋒面積共同決定。設置雙點點火可以增大火焰前鋒面積，加快可燃混合氣的燃燒速度，使缸內的燃燒過程更加集中，提高等容度，增大指示熱效率。圖12 所示為不同點火方式對火焰傳播過程及未燃當量比瞬態分布特性的影響。其中，單點點火位置與雙點點火模式的第1 點火位置相同。雙點點火模式時火焰輪廓面積擴大的速度比單點點火更快，值得注意的是，在雙點點火火焰輪廓圖中可以看出，第2 點火位置的火焰傳播速度比第1 點火位置的火焰傳播速度要快，從未燃當量比分布圖中可以看出，這是因為第2 點火位置處的混合氣濃度較大，即未燃混合氣密度較大，加快了混合氣的燃燒速度。

圖12 兩種點火模式下未燃當量比與火焰輪廓圖

圖13 和圖14 所示為兩種點火模式的缸內壓力和放熱規律的變化曲線。可以看出雙點點火縮短了著火落后期，這是因為兩處火花塞放電，產生的活化因子數量增多，加快了火焰核形成的速度。也可以看出，與單點點火模式相比，雙點點火模式下缸內壓力峰值更高、出現的時刻更靠近上止點，放熱率峰值更高、放熱中心更靠近上止點，而且燃燒持續時間更短，這些都是因為雙點點火模式加快燃燒速度的結果。如表5 所示，列出了單點點火與雙點點火指示熱效率和燃燒效率。據此可以看出，與單點點火模式相比，雙點點火模式雖然沒能更好地提高燃燒效率，但是由于火焰傳播面積的增大，縮短了燃燒持續時間，使放熱更加集中，提高了等容度，指示熱效率得到提高。

表5 兩種點火模式放熱參數對比

圖13 兩種點火模式缸內壓力

圖14 兩種點火模式放熱率

如圖12 所示，觀察兩種點火模式下點火位置處火焰輪廓的變化可以發現，雙點點火模式下第1 點火位置處火焰傳播速度略微加快，據此分析雙點點火的兩火焰之間存在相互推動作用。如圖15 所示，在火焰傳播過程中，兩個火焰的輪廓彼此接近，在交界面處存在推動力，由此促進火焰的發展，加快了火焰傳播速度。由于缸內氣流方向為順時針方向，所以第2 點火位置火焰對第1 點火位置火焰的推動作用更為明顯。缸內氣流方向和氣流強度對兩火焰之間的推動作用影響很大，可加快火焰傳播速度。圖16 所示為缸內的壓力梯度分布，進一步驗證了兩火焰團之間的推動作用。

圖15 火焰推動作用示意圖

圖16 壓力梯度分布圖

3 結論

（1）燃燒室結構直接影響缸內的湍流強度，由此影響火焰傳播速度；湍流強度的增強會使火焰傳播速度加快，但是湍流過強會使火焰面發生斷裂，反而使熱效率降低。若燃燒室結構設計中擠氣面積過大，雖有利于提高燃燒室內湍流強度，但擠氣面的縫隙會阻礙火焰的傳播，使燃燒不充分導致指示熱效率下降。

（2）與傳統的單點點火模式相比，采用雙點點火模式時初期的活化因子數量明顯增多，火焰前鋒面積增大，由此加快火焰傳播速度，縮短了燃燒持續時間，使放熱更加集中，提高了等容度，指示熱效率得到提高。

（3）雙點點火的兩個火焰團輪廓彼此接近，在交界面處存在相互推動作用，由此促進火焰的發展，進一步加快火焰傳播速度。