壓縮天然氣缸內直噴發動機噴射方式對混合氣形成及燃燒特性影響的模擬

江 濤，林學東，李德剛，顧靜靜,2

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130022; 2.聯合汽車電子有限公司,上海201206)

0 引 言

天然氣燃料因其H/C比較高，燃燒后CO2排放量比汽油機低25%左右，而且CO、HC排放以及顆粒物排放等也較低，且儲量豐富，因而作為車用內燃機替代燃料廣泛應用[1]。但是天然氣采用進氣道噴射時，由于其呈氣態進入氣缸，且混合氣熱值降低，從而降低發動機的充氣效率，使天然氣發動機功率損失達10%以上[2]。為了解決這一問題，并適應不斷嚴格的節能減排要求，天然氣缸內直噴化已成為發展趨勢[3]。

對于點燃式壓縮天然氣(Compressed natural gas,CNG)發動機實現缸內直噴(Direct injection,DI)稀薄燃燒時，混合氣濃度場分布特性是否合理直接影響著火焰傳播特性，從而影響稀薄燃燒穩定性和排放性能。因此，相對一定的點火方式能否以合理的噴射方式有效控制混合氣的形成及其濃度分布特性，對其燃燒過程具有決定性的作用。近年來，國內、外就用柴油引燃天然氣時的燃燒特性[4]、以及缸內氣流特性對天然氣燃燒過程的影響方面進行了比較深入的研究[5-9]。但是關于缸內直噴CNG燃料時的混合氣形成機理及其影響因素方面的研究報道甚少。

為此，本文基于缸內直噴CNG光學試驗樣機上進行燃燒過程可視化試驗研究的基礎上，利用三維仿真軟件建模，仿真計算分析以不同噴射方式將CNG燃料向缸內直噴時對缸內氣流場、濃度場以及溫度場等微觀物理場的分布特性的影響，并以此為基礎分析CNG燃料缸內直噴時的混合氣形成機理和稀薄燃燒特性以及NOx的生成規律。

1 仿真模型的建立及驗證

1.1 試驗裝置

試驗樣機的主要技術參數如表1所示，試驗用天然氣燃料的主要成分如下所示：CH4、C2H6、C3H8、C4H10、N2的體積分數分別為85.45%、4.51%、3.39%、3.71%和2.94%。圖1為光學測試系統的示意圖，由進氣系統、CNG噴射系統、變頻倒拖系統、點火控制系統、光學采集系統以及光學單缸試驗機等組成。圖2為樣機燃燒室的橫剖圖，在缸蓋上布置兩個噴射器和兩個火花塞，噴射壓力約為5 MPa，可實現不同噴射方式和點火方式。通過CCD(Charge coupled device)高速攝像機以563幅/s的速度連續拍攝燃燒室內的火焰傳播過程，觀測不同噴射條件下的火焰傳播特性。燃燒室的可視率為氣缸直徑的67%，試驗的同時繪制示功圖，以分析燃燒過程。試驗數據是每種工況測量10次并進行平均化處理。

表1 試驗樣機技術參數Table 1 Technical parameters of experimental prototype

圖1 試驗設備示意圖Fig.1 Schematic of experimental facilities

圖2 火花塞、噴射器安裝位置示意圖Fig.2 Schematic of position of spark plug and injector

表2為采用雙點點火、點火時刻為(θi1,θi2)=(356,357) °CA、當量比φ為0.7時不同噴射時刻所對應的噴射終了時刻。此時噴射器的噴射持續期間為78 °CA曲軸轉角，從噴射終了時刻到點火時刻所經歷的時間為Δt，Δt的大小可直接表示燃料在缸內直噴后混合氣形成時間的長短。

表2 不同試驗條件下的噴射定時Table 2 Injection timing in different experimental conditions

1.2 模型建立

在FIRE軟件里利用拓撲Topology中的Cylinder生成氣缸模型，并通過Topology自動生成計算網格，為了減少計算量并保證不同層動網格特性一致，根據活塞的運動特性把進氣下止點到做功行程下止點期間，劃分成如圖3所示的4層不同的網格：從進氣下止點的180～240 °CA和對應的膨脹過程后期的480～540 °CA期間采用60層網格；壓縮過程中期的240 ～270 °CA和對應的膨脹過程中期的450～480 °CA期間采用50層網格；壓縮過程后期的270 ～350 °CA和對應的膨脹過程初期的370 ～450 °CA期間采用45層網格；壓縮上止點(360 °CA)附近350 ～370 °CA期間采用10層網格。由此在保證計算精度的前提下盡可能減小計算工作量。

圖3 計算網格Fig.3 Computational mesh

仿真計算時間步長在噴油和燃燒階段采用0.5 °CA曲軸轉角，而膨脹階段采用1 °CA曲軸轉角；根據CNG氣體燃料的特點，仿真子模型湍流模型采用k-ζ-f模型；混合氣的燃燒模型采用擬序火焰拓展模型ECFM；湍流擴散模型采用O′Rourke模型。

1.3 邊界條件及模型驗證

作為計算邊界條件，采用樣機的實測值并令氣缸入口處氣流狀態為均勻，其平均壓力為9×104Pa，溫度為350 K；活塞頂面作為移動邊界，其溫度為593 K，氣缸壁和氣缸蓋底面為固定邊界，令氣缸壁的溫度為403 K，氣缸蓋底面的溫度為593 K。

圖4和表3分別為當量比φ=0.93、雙點點火時刻為(θi1,θi2)=(356,357) °CA、兩個噴射器同時噴射、噴射時刻為θinj=240 °CA時的放熱規律和火焰傳播速度的實測值與仿真計算值的對比。仿真計算的放熱規律曲線特性和火焰傳播特性與試驗值吻合良好，說明所創建的數值仿真模型符合CNG燃料缸內直噴時實際混合氣形成及火焰傳播規律。

圖4 放熱規律對比Fig.4 Comparation of heat release rate

表3 火焰傳播過程的仿真和試驗結果對比Table 3 Comparation of simulation and experimental result during flame propagation process

2 模擬結果及分析

2.1 噴射時刻對缸內湍流特性的影響

圖5為不同噴射時刻對缸內平均湍流動能動態變化特性的影響。當早期噴射時，因缸內背壓低，因此湍流動能隨噴射過程快速增加并達到最高峰值，噴射后期湍流動能迅速衰減；隨噴射時刻的退后，缸內壓力增大，隨噴射過程的進行湍流動能上升速率和峰值逐漸減??；在上止點附近點火后，由于火焰傳播，使湍流動能有所增大，但火焰傳播引起的湍流動能變化量與噴射過程對湍流動能的影響相比可忽略。

圖5 不同噴射時刻缸內湍流動能對比Fig.5 Comparation of TKE in cylinder in different injection timing

圖6 不同噴射時刻對速度場的影響Fig.6 Effect of different injection timing on velocity field

圖6為在壓縮上止點附近缸內流場隨不同噴射時刻的變化特性。在橫截面A上由于進氣渦流的導向作用不同噴射時刻缸內氣流整體繞氣缸中心線順時針方向旋轉,形成外強內弱的氣流分布特性，且隨噴射時刻的不同，各瞬態氣流強度分布特性不同，峰值出現點也不一樣，根據火花塞點火位置和火焰傳播方向，這種氣流的分布特性直接影響火焰的傳播速度；而在縱截面B上，進一步證實氣流強度除了具有外強內弱的分布特性外，隨著噴射時刻的滯后，燃燒室頂部的氣流強度增強。特別是當噴射時刻為270 °CA時，由于噴射期間活塞已快速向上止點移動，因此噴射的氣柱在活塞頂部產生碰壁現象，導致縱向氣流比較活躍，在點火之前缸內形成上、下及邊緣氣流強度大而中心氣流強度弱的分布特性。這種不同的速度場動態分布特性決定缸內混合氣濃度場的分布特性，因此點火后造成火焰傳播速率不同，導致膨脹過程中形成如圖5所示的湍流特性。

2.2 噴射時刻對混合氣形成機理的影響

天然氣的主要成分為甲烷(CH4)，其相對空氣的密度約為0.6，因此其混合氣形成機理和混合氣濃度分布特性取決于天然氣和空氣的相對運動特性。圖7為不同噴射時刻對不同密度的兩種氣體的相對運動規律以及由此決定的混合氣濃度分布特性的影響。由此可知，在壓縮行程為250 °CA、噴射時刻為180 °CA BTDC時，噴射過程快要結束，噴氣動能減弱，導致噴氣的貫穿能力也弱，同時天然氣的密度遠比空氣小，所以隨活塞的上移大多數燃氣與空氣分離并浮上燃燒室頂部；當噴射時刻推遲到240 °CA BTDC時，借助噴氣的動能使噴氣貫穿到空氣層之中，減緩了壓縮過程中天然氣與空氣的分離現象，使缸內縱向混合氣流分布趨于均勻；當噴射時刻推遲到270 °CA BTDC時，在點火之前噴氣過程尚未結束，使噴注貫穿到活塞頂，從而在缸內縱向氣流運動區域拓寬，湍流強度增大，同時有效地控制天然氣與空氣的分離速度。

圖7 不同噴射時刻對缸內流場及濃度分布規律的影響Fig.7 Effect of different injection timing on flow field and concentration distribution law

圖8 不同噴射時刻對上止點附近濃度場演變規律的影響Fig.8 Effect of different injection timing on variation law of concentration field near TDC

圖9 不同噴氣正時的火焰傳播情況Fig.9 Flame propagation condition in different injection timing

圖10 噴射時刻對燃燒壓力及放熱規律的影響Fig.10 Effect of injection timing on combustion pressure and heat release rate

圖8為噴射時刻對上止點附近混合氣濃度場分布特性的影響。在火花塞布置的橫截面A上(見圖1)，噴射時刻越早，在點火時刻附近混合氣濃度橫向分布越均勻，推遲噴射時刻，火花塞附近混合氣濃度梯度增大；而在縱截面B上混合氣濃度分布特性則相反，噴射時刻過早，由于天然氣密度比空氣小，所以混合氣濃度呈上濃下稀的云彩狀分布，在火焰傳播期間燃料與空氣分層明顯；當推遲噴射時刻到240 °CA BTDC時，噴射時期噴氣動能與缸內空氣流匹配良好，使缸內形成較均勻的混合氣；當噴射時刻過晚(為270 °CA BTDC)時，因噴注與活塞頂相碰，造成混合氣上稀下濃的分布特性。

2.3 噴射定時對火焰傳播特性的影響

當平均當量比φ=0.7、兩個噴油器同時噴射、雙點點火時刻為(356,357) °CA時，噴射時刻對火焰傳播特性的影響如圖9所示。當天然氣向缸內直噴時，火焰傳播速率取決于混合氣的濃度分布特性及天然氣向空氣層的擴散速度：①當噴射時刻為180 °CA BTDC時，根據此時的混合氣濃度分布特性(見圖8)，在橫截面A上因混合氣形成時間較長，混合氣濃度分布相對比較均勻，而在縱截面B上因天然氣密度比空氣小，難以向底層空氣層擴散，因而形成上濃下稀的梯度分布(天然氣與空氣分層)，所以火焰傳播速度緩慢，使得放熱速率降低，放熱率峰值減小，燃燒期間相對遲后(見圖10)；②當噴射時刻為240 °CA BTDC時，在橫截面上形成有一定梯度的混合氣濃度分布的同時，在縱截面上形成較均勻的混合氣，因此火焰傳播速度得到改善，提高了燃燒放熱速率，放熱率峰值得到提高，放熱率曲線中心有所提前；③當噴射時刻為270 °CA BTDC時，燃燒室橫截面上形成的混合氣濃度梯度最大，而在縱截面上形成下濃上稀的混合氣，密度小的天然氣易向上擴散，有利于提高火焰傳播速度，因此燃燒放熱速率及放熱率峰值明顯提高，燃燒持續期明顯縮短(見圖10)，同時用平均指示壓力的平方差表示的循環變動也明顯減小(見圖11)，表明稀薄燃燒過程更加趨于穩定。

圖13 不同噴射時刻的NO生成速率Fig.13 NO formation rate in different injection timing

2.4 噴射定時對NO生成規律的影響

NO的生成條件是高溫、富氧，因此在燃燒過程中缸內混合氣濃度場和溫度場及其動態變化特性直接影響NO的生成規律。圖12為噴射時刻對NO開始生成期間缸內溫度場分布特性的影響。由于燃燒后的高溫區生成于火焰傳播后的已燃區，因此NO易生成于火焰帶之后的高溫區，而且其生成速率取決于當時當地的溫度和濃度條件。

當噴射時刻為180 °CA BTDC時，雖然混合氣濃度稀薄區較寬，但由于燃燒放熱速率緩慢，燃燒初期缸內溫度普遍較低；當噴射時刻為240 °CA BTDC時，缸內混合氣濃度趨于均勻，燃燒放熱速率提高，高溫區迅速增大，不僅NO生成速率增加，而且NO快速生成的反應區域面積增大，持續時間延長(見圖13)，因此NO最終生成量最多(見圖14)；當噴射時刻為270 °CA BTDC時，如前所述燃燒放熱速率最大，因此缸內溫度迅速升高，同時高溫區也擴大，但由于混合氣形成下濃上稀的分布特性，因此雖然某一時刻(圖13中372 °CA時)，局部地區的NO生成速率最大，但NO生成的反應區域面積較小(帶狀)，持續時間也較短，所以最終NO的生成量較少。

圖15表示在噴射時刻為240 °CA BTDC、曲軸轉角為376 °CA時，缸內混合氣濃度場、溫度場和NO反應速率之間的對應關系。圖中用A、B、C1～C3分別表示不同NO反應速率及其對應的混合氣濃度范圍和溫度范圍，其中C1～C3表示NO反應速率為較小的區域。

圖14 不同噴射時刻NO的質量分數Fig.14 NO mass fraction of different injection timing

圖15 NO的生成條件Fig.15 NO formation condition

表4為不同NO反應速率及其對應的混合氣濃度和溫度情況。結果表明：NO的生成速率是當量比和溫度的共同函數，并非溫度(或氧濃度)越高NO反應速率就越快，而是在一定的氧濃度和溫度下(如當量比為0.81～0.86，溫度為2468～2536 K時)NO生成速率最高，當φ為0.86～0.9時，即使溫度提高到2655～2700 K，NO的生成速率明顯降低；當φ為0.65～0.75時，溫度超過2000 K時，隨溫度的升高NO生成速率有所增大；但當溫度低于2000 K時不管是否為富氧條件，NO生成速率幾乎為零。

表4 A、B、C1～C3處的當量比和溫度范圍Table 4 Equivalence ratio and temperature scope in A、B、C1～C3

3 結 論

(1)由于天然氣燃料密度比空氣小，因此可通過噴射定時有效控制缸內混合氣濃度的分布特性；當壓縮行程早期噴射時，隨壓縮行程的進行，缸內噴入的天然氣逐漸與空氣分離形成上濃下稀的混合氣濃度分布；而當壓縮行程后期噴射時，根據噴氣時天然氣噴束持有的動能，缸內形成下濃上稀的混合氣濃度分布，且隨壓縮行程的進行天然氣自發向上擴散，因而這種分布特性在點燃后有利于提高火焰的傳播速度。

(2)NO生成速率取決于濃度場和溫度場的雙重作用；只有當φ為0.80～0.86時，生成速率隨溫度的升高而增大，超出該濃度范圍時即使溫度再高，對NO生成速率的影響也不明顯；在富氧區，溫度低于2000 K時NO生成速率幾乎等于零；而NO的最終生成量取決于其生成速率、快速生成反應區域面積的大小和生成反應持續期間長短的綜合影響，而這些因素與缸內混合氣濃度的分布特性緊密相關。

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