当量比对CNG发动机动力及排放性能的影响

黄丫，林学东，张福君，喻莉娟

(1.长春工程学院能源动力工程学院，吉林 长春 130012;2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022)

随着全球石油资源短缺和环境污染问题的日益严峻，汽车工业能源结构的调整已势在必行，储量更大、价格更低、污染更小的压缩天然气(CNG)是目前技术上最为成熟的内燃机代用气体燃料[1-2]。近年来，为提高动力性、降低排放，CNG发动机技术得到了迅速发展，其中基于CNG着火界限宽有利于稀燃特点的缸内直喷稀薄燃烧技术被认为是最具有前景的技术之一[3]。采用缸内直喷供气技术的CNG发动机稀燃极限范围广，更有易于实现稀薄燃烧，在稀薄燃烧状态下，充足的空气可以提高燃烧终了时混合气的绝热系数，有利于提高发动机的热效率，并且充分的燃烧还可以有效地降低发动机排放。在缸内直喷CNG发动机中，当量比作为进入气缸混合气浓度的最直观参数，对CNG发动机燃烧室内的压力、温度和燃烧速度产生直接影响，因此确定最佳当量比是对发动机进行后续性能优化的基础。

目前，大部分对CNG发动机动力及排放性能的研究工作都是基于样机试验完成的，不仅成本较高，并且只能对某一个物理量的演化过程进行分析，不能反映CNG燃烧过程中气缸内各个物理场的分布特性随曲轴转角的变化情况，因而很难揭示出发动机参数对CNG燃烧过程和燃烧排放性能影响的内在机理[4]。随着描述发动机气缸内燃料喷射和燃烧过程的流体力学、化学反应动力学、热力学和传热学模型的建立，利用计算机模拟发动机燃烧过程成为可能[5-7]，通过仿真可以对发动机气缸内的混合气浓度分布、湍动能分布、火焰传播过程、温度分布以及燃烧产物生成速率分布等进行准确的分析预测，进而从微观三维物理场的角度研究发动机运行参数对其动力及排放性能的影响。

本研究针对采用缸内直喷稀薄燃烧技术的CNG发动机试验样机，利用三维计算流体动力学软件Fire，仿真研究当量比对发动机燃烧放热特性的影响，将计算机仿真得到的气缸内各种三维物理场与样机试验得到的放热率、缸压等二维曲线有机地综合起来，提出了通过优化当量比提高发动机动力性并降低NO排放的方案，可为实际缸内直喷稀燃CNG发动机的参数设计提供指导。

1 CNG试验样机结构

仿真试验基于缸内直喷CNG发动机光学试验样机进行，其燃烧室为简单的凹形。在试验样机活塞顶部设有观测窗，可以以563 帧/s的速度用CCD摄像机记录气缸内的火焰传播情况，从而实现气缸内火焰传播过程的仿真与试验对比。缸内直喷CNG试验样机的主要技术参数见表1。在仿真和试验中所采用的CNG主要成分：CH4占85.45%；C2H6占4.51%；C3H8占3.39%；C4H10占3.71%；N2占2.94%。

缸内直喷CNG试验样机气缸内喷油器和火花塞的位置见图1。气缸盖顶部垂直布置了2个间隔为80 mm的旋流式喷射器，其最高喷射压力为7 MPa，试验时设定为5 MPa，喷油时能够尽可能形成混合气的梯度分布。两火花塞安装在气缸盖侧面，点火针距离气缸侧壁22.5 mm。仿真时气缸内各物理场的三维分布取自两喷油器中心位置处的气缸纵截面。

表1 试验样机技术参数

图1 喷射器及火花塞布置

2 试验样机仿真模型及其试验验证

针对试验样机的凹形燃烧室，仿真时直接采用圆柱形模型，然后利用Fire的FAME Engine建立发动机仿真模型的动网格。由于气缸内的容积随曲轴转角变化，而不同容积所需的仿真精度不同，因此在网格划分时要根据不同工作状态下的仿真精度需求将气缸分出不同层数(见图2)。压缩过程初期和膨胀过程后期采用60层网格，压缩过程中期和膨胀过程中期采用45层网格，压缩过程后期和膨胀过程初期采用30层网格，压缩上止点附近区域采用10层网格，其中燃烧室的网格保持不变。

图2 仿真模型网格划分

建立试验样机仿真模型后，还要根据发动机的运行参数确定仿真初始条件。受光学试验样机结构限制，其转速设定为200 r/min。气缸进气压力和温度分别为75.55 kPa和323 K，初始涡流强度为1 200 r/min，由进气门最大升程决定的湍流长度尺度为3.1 mm；根据行程和发动机转速计算出的活塞平均速度为1.867 m/s，据此得到湍流波动速度为1.12 m/s，则初始湍动能为1.88 m2/s2。设压缩上止点对应的曲轴转角为360°，则两火花塞的点火时刻分别为356°和357°曲轴转角。

仿真边界条件由试验样机的测试结果确定，活塞顶面、气缸壁和气缸盖底面的温度分别为373 K，323 K和373 K。另外，仿真时间步长也需要谨慎选择，步长太大影响仿真精度，步长太小则会极大地增加仿真的运算量，所以应根据发动机工作的不同阶段分别设置。喷油和燃烧阶段采用的计算时间步长为0.5°，压缩和膨胀阶段采用的计算时间步长为1°。

为验证燃烧过程仿真模型的正确性，将上述仿真模型的仿真计算结果与光学CNG试验样机的实际试验结果相比较，其间相对误差小于4.5%，说明所建立的发动机仿真模型、仿真参数及其仿真结果符合试验样机的实际工作情况，因此仿真分析具有实际参考意义。

3 仿真结果与分析

3.1 当量比对发动机动力性能的影响

当量比是一定燃料实际燃烧反应的空燃比与恰好完全燃烧时的空燃比的比值，当发动机排量一定时，其在一个工作循环内吸入空气量一定，则当量比完全取决于CNG喷气量，喷气量越大当量比越高。研究主要针对稀燃情况下当量比对发动机性能的影响，因此当量比试验范围从0.6到1.0以0.02为步长进行仿真。

平均指示压力是发动机整个燃烧过程中能量转换的综合反映，平均指示压力越高说明发动机的动力性越强。当量比对平均指示压力的影响见图3。由图可知，随着当量比的增大，平均指示压力也随之单调增加，说明在稀燃条件下，CNG喷气量越大发动机的动力性越好。但当量比越大平均指示压力的变化率越小，曲线越平，说明通过增大当量比提高发动机动力性的效力越来越低。

图3 当量比对平均指示压力的影响

图4示出在0.7，0.76，0.82，0.88和0.94五种当量比条件下，示功图的变化情况。示功图是气缸内平均压力随曲轴转角变化的曲线，它能反映出比平均指示压力更多的信息。由图可知，当量比越大，缸内压力最大值越高，且该最大值所处的曲轴转角位置越接近压缩上止点，说明火焰传播速度越快，发动机动力性越好。当量比对燃烧放热率的影响见图5，与其对示功图的影响相对应，在当量比小于1的稀薄区域，随着当量比的增加，燃烧放热速率的峰值明显提高，且峰值所处曲轴转角越靠近上止点。

图4 当量比对示功图的影响

图5 当量比对燃烧放热率的影响

气缸内各种三维物理场的相互作用是导致发动机动力性变化的内在因素。在0.7，0.82和0.94三种当量比条件下，通过浓度场和湍动能场随曲轴转角的变化可以明显看出，当燃料以5 MPa的喷射压力高速喷入气缸时，在喷孔的节流作用以及缸内空气阻力的作用下，燃料束产生强烈的湍流和扰动并向燃烧室内空气扩散。尤其是点火时刻(356°)气缸内的浓度场和湍动能场对点火后的稀薄火焰传播情况起到了决定性的作用(见图6)。在两火花塞附近三种当量比对应的混合气浓度和湍动能见表2。

图6 点火时刻气缸内浓度场和湍动能场

当量比火花塞2局部当量比湍动能/m2·s-2 火花塞1局部当量比湍动能/m2·s-20．70．7160．575 0．8810．5450．820．8040．676 0．9210．6140．940．9340．939 0．9710．849

由表2可知，当量比越大，点火时刻火花塞附近的CNG浓度越高，且湍动能越大。在火花塞打火后，一旦形成火焰中心，火焰传播速度明显加快(见图7)，缸内压力和燃烧放热率最大值的出现位置提前，平均指示压力升高，从而使发动机的动力性得到提高。

图7 当量比对火焰场的影响

3.2 当量比对发动机NO生成量的影响

当量比对发动机NO排放的影响见图8。当量比从0.6开始逐渐增大时，NO排放随之增加，在0.82附近达到最大值，其后NO排放随着当量比的增加而递减。形成这种现象的根本原因在于火焰传播过程中和火焰传播过后，局部浓度场和温度场的分布特性。在CNG发动机中生成NO的途径主要有两个：一是在火焰传播过程中参与燃烧空气中的氮和燃料中的碳氢离子团等反应而生成的快速型NO；二是在火焰传播过后气缸内处于高温富氧区空气中的氮气在高温下氧化而形成的热力型NO。这两种NO的生成条件均与气缸内各点处的温度和混合气浓度有关[8-10]。

图8 当量比对NO质量分数的影响

图9示出在0.7，0.82，0.94三种当量比条件下气缸内NO生成速率场的变化情况。在当量比为0.7时，NO主要生成于373°～376°火焰传播过后的高温富氧区，属于热力型NO。由于火焰传播速度慢，气缸内的平均指示压力和燃烧放热率低，导致温度场中各点的温度均较低，因此NO生成速率和生成面积小，总的NO生成量不大。在当量比为0.94时，NO主要生成于367°～370°的火焰传播区，属于快速型NO，但因温度场的建立较火焰传播有一定的延迟，所以火焰传播过程中气缸内的温度还不足以生成大量的NO，在火焰传播过后的高温区内，又由于缸内混合气浓度太高、含氧量太低不满足热力型NO的生成条件，因此总体上当量比为0.94时NO生成量也不大。在当量比为0.82时，火焰传播过程中温度升高较快，火焰传播过后的高温区内混合气浓度适中，因此367°～376°的范围内均有NO大量生成，从而导致当量比为0.82时NO生成量最高。由此可知，缸内直喷稀燃CNG发动机NO生成量取决于点火后气缸内的温度场和浓度场的分布变化情况，只有在温度场中温度大于2 400 K且在浓度场中当量比处于0.72～1.26范围内的环带状区域内NO才能够大量生成。

图9 当量比对NO生成速率的影响

4 结论

a) 在缸内直喷稀燃CNG发动机中，气缸内混合气浓度的瞬态分布特性和气流运动状态决定了稀薄火焰的传播特性；在稀燃(当量比小于1)条件下，适当地提高当量比可缩短混合气形成时间，提高点火时刻缸内火花塞附近混合气浓度和气流的湍动能，从而加快火焰传播速度，提高气缸内的燃烧压力和燃烧放热速率，进而使发动机的动力性得到提升；

b) 气缸内的NO生成速率取决于温度场和浓度场的瞬态分布，只有在温度场中温度大于2 400 K且在浓度场中当量比处于0.72～1.26范围内的环带状区域内NO才能够大量生成；

c) 在当量比较小时，火焰传播速度减慢，燃烧放热速率降低，使得缸内温度较低，不利于NO生成；在当量比处于0.82附近时，火焰传播速度相对较快，缸内温度升高，气缸内的氧体积分数适中，导致NO生成的反应速率激增，NO生成量也最大；在当量比大于0.82小于1的范围内，随着当量比的增大，虽然缸内温度提高，各曲轴转角位置下的高温区域扩大，但由于快速燃烧后火焰带后高温区产生的已燃产物增加，使得高温区的氧浓度不足，反而引起NO生成量急剧下降；

d) 对于缸内直喷稀燃CNG发动机，当量比宜设置在0.9～1之间，这样既有利于提高发动机的动力性，也有利于减少NO排放。

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