湍流射流點火燃燒特性的模擬研究

桑海浪，姜淑君，李志杰

(1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 南寧 530007；2.無錫職業技術學院，江蘇 無錫 214121；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

世界正面臨著嚴重的能源危機和環境污染的全球性問題，這些問題推動著內燃機的技術進步，其中包括先進的燃燒策略，以期望在提高內燃機的熱效率的同時減少污染物的排放。稀薄燃燒策略作為一種低溫燃燒技術，可以減少排放，同時提高燃料效率[1-3]。降低燃料的消耗意味著減少二氧化碳排放。 然而，稀薄燃燒發動機存在著由高度稀釋的混合物引起的燃燒不穩定性問題。因此，研究人員提出了各種增強點火方法來提高稀薄燃燒發動機的燃燒穩定性，如預燃室點火系統[4]、等離子輔助點火[5]和微波火花點火[6]。在這些技術中，預燃室式湍流射流點火燃燒系統備受關注，因為這種燃燒技術具有改善稀燃發動機燃燒特性的巨大潛力。

射流引燃的概念首先在1950年代被Nikolai Nikolaievich Semenov[7]提出，經過了數十年的發展，基于現代化的控制手段和已有硬件，MAHLE公司[8]提出了高可靠性的預燃室設計，并命名為湍流射流點火(Turbulent Jet Ignition，TJI)，其預燃室體積占比約為2%，預燃室的輔助燃料能量占比也約為2%。美國MAHLE公司、美國國家研究委員會和美國空軍聯合對湍流射流著火系統展開研究，對預燃室湍流射流點火模式下的爆震極限范圍進行試驗，結果表明，該技術可以將發動機的壓縮比提高2～3個單位而不引起爆震，這對內燃機提升熱效率具有非常可觀的潛力[9]。

一些研究人員使用仿真模擬的方式對湍流射流點火系統進行了研究。大連理工大學曲闖[10]對天然氣發動機的預燃室內部的燃料混合過程進行了模擬研究，結果顯示，預燃室內部直噴燃料具有較高速度并傳播到整個預燃室，增強了湍流強度。江蘇大學陳良[11]模擬研究發現，燃燒速度與預燃室內部混合氣的濃度呈現正相關關系。Shah等[12]的模擬研究表明，射流火焰與主燃室混合氣有較強的相互作用。

綜上所述，預燃室式湍流射流點火燃燒技術具有顯著的優勢，但是湍流射流火焰的燃燒過程極其復雜，影響其燃燒特性的因素較多，因此需要進一步探究。在本研究中，模擬實現稀薄混合氣下的湍流射流點火模式與傳統火花塞點火模式，并且通過缸內壓力曲線、燃燒內部冷場的速度場和濃度場、燃燒溫度場和湍動能對湍流射流點火燃燒特性進行分析，以期對湍流射流點火技術在發動機上應用提供參考。

1 仿真模型的構建

試驗中使用了4缸進氣道噴射汽油機，其基本參數見表1。

表1 汽油機的基本參數

1.1 發動機三維模型的建立

本研究的數值仿真研究基于Converge軟件，在UG三維建模軟件中建立了試驗發動機的幾何模型，并將幾何模型保存為STL格式文件導入到Converge中以獲得發動機模型的表面文件，其結果見圖1。

在湍流射流點火系統中，預燃室體積約為1.05 cm3(約占主燃燒室體積的1.8%)，預燃室通過6個直徑為1.6 mm的噴孔與主燃室相連接。選用RNGk-ε湍流模型描述缸內湍流，選用KH-RT噴霧破碎模型來描述液滴的生成、脫落和破裂為更小的液滴[13]。主要的影響參數包括：KH模型破碎特征時間系數，其控制一次破碎過程的快慢，本研究中設置為7.0；RT模型破碎特征時間系數，其控制二次破碎的快慢，本研究中設置為1.0；RT模型破碎長度系數，該值越小，二次破碎進行越早，本研究中設置為1.0。碰撞模型為NTC模型，蒸發模型為Frossling模型。采用異辛烷和正庚烷來代替汽油燃料，選用詳細化學反應動力學燃燒模型(SAGE)，選用152個反應的骨架機理[14]，在求解流體動力學的同時進行化學反應的求解，針對預混合燃燒具有較高的模擬準確性。

基礎網格尺寸為4 mm，在燃燒室內部采用2級固定加密，在此基礎上增加自適應網格加密技術，通過設置速度梯度(1.0 m/s)和溫度梯度(2.5 K)限制在需求的時間內進行自動化網格加密與粗化，最小網格大小為0.25 mm。

1.2 模型驗證

通過試驗結果對仿真模型計算結果進行驗證(見圖2)。發動機運行工況為轉速3 000 r/min，點火時刻-15°，主燃室分別為當量比燃燒和稀薄燃燒。在仿真模型中，噴油時刻為-440°，進氣門開啟時刻為-410°，排氣門開啟時刻為120°，模型從噴油時刻開始計算直到排氣門開啟。從結果中可以觀察到數值模擬結果與試驗結果在壓縮階段和燃燒階段均在誤差范圍內，因此可以依據此模型進行研究工作。

圖2 數值模擬與試驗結果的對比

1.3 模擬案例工況

本研究探究湍流射流點火的燃燒特性，并與傳統火花塞點火方式進行比對。根據在預燃室內部有無輔助燃料供給，可以將湍流射流點火模型分為兩類，一類為無輔助燃料，一類為附帶輔助燃料。表2示出了本研究的模擬仿真工況參數，其中案例1～3為傳統火花塞點火，案例4～6為無輔助燃料的湍流射流點火，案例7～11為附帶輔助燃料的湍流射流點火。設置主燃室混合氣濃度(λmain)分別為1.0,1.25和1.5，用于探究稀薄燃燒下的燃燒特性。在附帶輔助燃料情況下，設置預燃室混合氣濃度(λpre)來探究其對燃燒特性的影響，預燃室內部噴油壓力為5 MPa，噴油時刻為進氣門關閉后，點火能量設置為120 mJ。

表2 模擬仿真工況

2 模擬結果與分析

2.1 燃燒特性分析

首先通過壓力曲線對發動機缸內燃燒特性進行分析。圖3示出了在混合氣濃度λmain分別為1.0,1.25和1.5情況下主燃室壓力曲線和放熱率曲線的變化。在λmain=1.0的情況下，在預燃室內無輔助噴油情況下，預燃室內部的混合氣與主燃室相同。在湍流射流點火情況下，壓力曲線升高明顯提前，并通過放熱率曲線可以觀察到湍流射流點火的燃燒速度快于傳統點火方式，這是由于從預燃室噴出的熱射流形成了多點分布的點火源，加速了主燃室混合氣的燃燒。除此之外，熱射流在噴孔處具有較高的燃燒速度，也加速了混合氣的消耗。從預燃室的壓力曲線可以觀察到，在火花塞點火后，預燃室先行著火燃燒，引起了預燃室與主燃室之間的壓力差。壓力差對噴入主燃室的熱射流以及主燃室的燃燒具有重要的影響。

在λmain=1.25情況下，可以觀察到在無輔助燃料的情況下，燃燒速率較慢，這主要是由于主燃室的混合氣進入到預燃室后，和預燃室原有的空氣進行融合形成了更稀薄的混合氣，在點火時刻預燃室內平均混合氣濃度為1.38。但是在增加輔助噴油后，預燃室和主燃室混合氣濃度均為1.25，湍流射流點火依然會加快火焰燃燒速度使得燃燒提前。將預燃室混合氣濃度提高到1.0后，由于混合氣的化學活性增加，進一步提前了燃燒時刻。

當混合氣濃度進一步稀釋，濃度達到1.5時，在傳統點火模式下，由于混合氣過于稀薄，盡管點火能量達到120 mJ，火焰傳播速率依然較慢，以至于幾乎觀察不到明顯的壓力升高。然而在使用具有輔助燃料的湍流射流點火后，可以觀察到明顯的壓力升高，最高壓力為3.62 MPa，相比于λmain=1.0情況，放熱率的峰值降低了約50%，降低的原因主要是燃料的化學反應活性降低，但是相對于傳統點火最高壓力提高66.4%。

圖4示出了預燃室混合氣濃度λpre為1.0時，不同λmain下湍流射流點火的缸內燃燒溫度。在上止點前，隨著混合氣稀薄程度的增加溫度升高，這是因為點火時刻提前導致放熱提前。最高燃燒溫度隨著混合氣稀薄程度的增加大幅度降低，由λ=1.0時的2 616 K降低到λ=1.5時的2 043 K。低的燃燒溫度會抑制NOx排放物的產生。

圖4 缸內溫度曲線

圖5示出了NOx排放物的生成量曲線。在內燃機排放物中熱NOx是最主要的產物，由于稀薄混合氣降低了最高燃燒溫度，因此NOx排放量大幅度減少。相比于在當量比情況下燃燒，λ為1.5稀薄燃燒情況下的NOx排放量降低了93.9%。因此，采用湍流射流點火燃燒技術配合稀薄燃燒可以實現超低的NOx排放。

圖5 主燃室NOx排放物的生成曲線

圖6示出了湍流射流點火燃燒工況的壓力差。在主燃室混合氣濃度不變的情況下，隨著λpre的增加，壓力差增加，這表明預燃室內混合氣活性增加引起燃燒速率增加，進而增大了預燃室與主燃室的壓力差，有助于射流火焰傳播。另一方面，在預燃室混合氣濃度不變的情況下，隨著主燃室混合氣稀薄程度的增加，壓力差減小。這主要是由于稀薄燃燒工況下需要進行點火提前，因而預燃室內部的溫度和壓力較低，燃燒速率較慢，最終降低了壓力差。

圖6 不同混合氣濃度下的壓力差

2.2 燃燒冷場分析

通過模擬方式可以獲得清晰的缸內流場信息，以便于對燃燒特性有深入的認識。圖7示出了案例4的湍流射流點火系統在點火時刻預燃室內部的流線圖。從圖中可以觀察到，活塞壓縮主燃室的混合氣通過噴孔進入到預燃室，由于噴孔具有加速作用，預燃室內部氣流速度較高，可達到每秒十幾米。氣流在預燃室中的運動會影響輔助燃料的混合。圖8示出了λmain為1.5情況下，在點火時刻預燃室內部的混合氣濃度場，圖中預燃室的混合濃度λpre為平均值。隨著輔助噴油量的增加，預燃室內部的混合氣濃度增加。從中可以觀察到氣流運動的關系，可見混合氣濃度不均也會影響到熱射流的結構。

圖7 湍流射流點火系統預燃室內部流線

圖8 點火時刻預燃室混合氣濃度

2.3 湍流射流火焰結構分析

圖9示出了λmain為1.0情況下，傳統點火與湍流射流點火的溫度場。可以觀察到在傳統點火模式下，在火花塞附近形成球形火焰并均勻地向外傳播，傳播速度主要取決于混合氣的化學活性。而在湍流射流點火模式下，火花塞先點燃預燃室內部的混合氣，并且火焰鋒面在預燃室內部傳播，當火焰通過噴孔后，燃燒速率增加，形成高速的熱射流以快速消耗主燃室的混合氣。從圖9截面處發現熱射流主要從左側出現，并結合圖10的視圖觀察，發現熱射流在不同噴孔處的狀態不同。一是受到預燃室內部氣體流動影響，氣流速度與火焰面傳播方向相同會促進燃燒，因此在圖9中預燃室內部左側的火焰面發展更快，進而先進入到主燃室中；二是主燃室內部的流場布局同樣會影響到熱射流的發展。

圖9 傳統點火與湍流射流點火溫度場對比

稀薄燃燒的溫度較低，一般認為當溫度達到1 500 K時就已經發生了燃燒。圖10示出了λmain為1.0情況下，傳統點火與湍流射流點火的溫度等值面圖。從中可以明顯觀察到在TDC時刻熱射流的快速傳播。

圖10 傳統點火與湍流射流點火1 500 K溫度等值面對比

進一步分析預燃室內部輔助燃料的供給對熱射流結構的影響。圖11示出了λmain為1.5情況下，不同預燃室混合氣濃度下的1 500 K溫度等值面圖。從圖中可以發現，隨著預燃室內部的混合氣濃度增加，預燃室內部混合氣的燃燒速率加快，火焰前鋒更快地從噴孔處噴出，其熱射流的初始速率更大，這導致了熱射流的傳播侵入能力更強。在λpre達到1時最優。預燃室體積僅占主燃室體積的1.8%，因此輔助燃料量雖然僅占總燃料量的一小部分，但是能夠明顯改善發動機燃燒性能。

圖11 1 500 K溫度等值面

圖12示出了主燃室湍動能隨曲軸轉角的變化。從圖中可以觀察到，傳統點火模式下，火焰的傳播會增加湍動能，形成一個波峰。在湍流射流點火模式下，湍動能存在2個波峰，原因可能是從噴孔處噴出的高速熱射流形成了第一個波峰，隨著侵入距離增加，熱射流速度降低，因此湍動能降低。緊接著熱射流向周圍傳播的快速燃燒形成第二個波峰。從預燃室噴出的熱射流增加了缸內的湍流強度，進而火焰面快速地傳播至整個燃燒室，相比于傳統的火花塞點火，湍流射流點火模式增加了缸內湍動能，促進了燃燒速率增加，改善了燃燒特性。

圖12 主燃室湍動能

3 結論

a) 相比于傳統火花塞點火方式，湍流射流點火方式在稀薄混合氣下具有更高的燃燒速率、壓力升高率和更好的燃燒穩定性，同時大幅度地降低了NOx污染物的排放，在混合氣濃度為1.5時，燃燒最高壓力提高66.4%，NOx排放降低93.9%；

b) 預燃室內部的氣體流動影響到輔助燃料的混合，進而影響熱射流的結構；

c) 當主燃室采用稀薄燃燒方式時，預燃室內有輔助燃料可以增加熱射流初始速度，改善熱射流結構，增加主燃室混合氣消耗速率；

d) 湍流射流點火方式在點火后，主燃室湍動能出現2個波峰，湍動能的增加對燃燒有促進作用。