大缸径天然气发动机不同压缩比的燃烧仿真分析

汪亚芳

摘 要：建立了大缸径天然气发动机三维仿真模型，研究分析压缩比分别为10.5和11对发动机性能的影响。对比分析仿真结果可知：随着压缩比的升高，天然气发动机的最大缸压值增加，指示燃油消耗率下降了；同时压缩比增加，改善了燃烧过程，火焰传播速率加快，缩短了燃烧持续期。

关键词：天然气发动机；压缩比；燃烧；发动机性能

大多数天然气发动机都是由汽油机或柴油机改装而来的 [1，2]。为了进一步分析不同压缩比对大缸径天然气发动机性能影响规律，本文借助于AVL-Fire软件分别建立压缩比10.5、11的天然气发动机三维模型，对燃烧过程进行仿真分析，通过对比结果，为进一步优化设计提供理论依据。

1 三维模型的建立和验证

（1）三维仿真模型的建立。本研究所采用发动机是一台六缸、直列、水冷、四冲程的天然气发动机，压缩比为10.5。将三维模型转换为STL格式导入AVL-Fire中，借助于AVL-Fire中的FEP模块进行动网格划分。图1即为动网格划分过程中计算模型的体网格。

（2）模型验证。为了验证模型的准确性，在转速为1000r/min，点火提前角为28°CA 的试验工况条件下对模型进行验证，将该工况条件下的模拟缸压值和试验值进行对比，如图2所示。两者最大缸压值的误差小于5%，误差在允许范围内。因此可以以此模型为基础进行不同压缩比对大缸径天然气发动机燃烧过程影响的分析。

2 不同压缩比活塞的设计

原机的压缩比ε=10.5，通过改变活塞顶隙的方法来改变压缩比，以此保证燃烧室的形状没有改变。新的压缩比ε=11。

3 模拟结果分析

（1）压缩比对发动机性能影响的分析。如图3即为不同压缩比的缸压对比图。ε=11时最高缸压明显大于ε=10.5时最高缸压值，说明压缩比增大，燃烧速度加快，缸压有较大幅度增加。一方面是因为压缩比增加导致在压缩终点时压力和温度升高，点火燃烧后缸内峰值压力会相应增加；另一方面由于压缩比增加，缸内燃烧速度加快，缸内最高燃烧压力也会增加[3-5]。

对比分析两者的指示燃油消耗率可知，当ε=11时，指示燃油消耗率较ε=10.5时下降了5%。由此可知压缩比增加，天然气发动机燃油经济性得到一定改善。

（2）压缩比对燃烧过程的影响。计算所采用的发动机是火花点火式发动机，点燃包含着局部着火和火焰传播。其中火焰由一点向四周扩散的过程就是温度场发生变化的过程[6]。图4可以明显观察到，在火焰传播的过程中随着压缩比增加，其火焰半径大，传播速度快，燃烧速度增快。

4 结论

建立了大缸径天然气发动机三维仿真模型，研究了不同压缩比对天然气发动机性能的影响，主要结论如下：

（1）随着压缩比的增加，最大缸压增加，指示燃油消耗率下降，燃油经济性得到一定改善；

（2）燃烧过程中，压缩比越大，火焰半径越大，燃烧速度越快。

参考文献：

[1]王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011：345.

[2]Johansson B. Combustion Chambers for Natural Gas SI Engine Part 1 .SAE Paper 950469.

[3]郑建军，王金华，王彬，黄佐华，宁德忠，张英佳.压缩比对直喷天然气发动机燃烧与排放特性的影响[J].内燃机学报，2010，28（01）：20-25.

[4]斯海林，姜在先，王志洪，何义团.配气相位和压缩比对CNG发动机性能影响的模拟研究[J].客车技术与研究，2013（03）：28-29.

[5]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2102：108.

[6]焦运景.稀燃天然气发动机燃烧过程研究和燃烧系统开发[D].天津：天津大学，2009.endprint