CNG发动机缸内气流条件与双点点火对火焰传播特性及热效率的影响*

杨 淼，林学东，李德刚，刘迎澍

（吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022）

前言

面对能源短缺问题，国内外掀起了新能源开发利用的浪潮，寻找一种清洁、资源丰富的替代燃料是解决能源危机的首要任务。天然气凭借H/C 比高、燃烧清洁、着火界限宽、储量丰富等优点，已成为技术上较为成熟的发动机替代燃料之一。从燃料的高效性考虑，提高CNG 燃料缸内燃烧火焰传播速率，使得放热过程更集中，等容度提高，从而提高理论循环效率。近年来，专家们发现缸内气流特性对火焰传播速度影响较大，Wu 等发现湍流强度对火焰在快速燃烧期的传播速度有直接影响，湍流强度越大，火焰传播速度越快。通过适当增大燃烧室挤压面积，可以增加反挤压流，从而提高缸内湍动能，促进火焰的传播。为适应低碳化的要求，提高指示热效率是一项重要措施，加快缸内火焰传播速度是提高指示热效率的关键技术。

本文在CNG-DI 光学实验样机上研究火焰传播特性的基础上，利用FIRE 软件建立了2.0 L 直喷四气门发动机燃烧系统的仿真模型。在此基础上，对两种不同燃烧室形状的缸内气体流动的微观物理场及其动态分布特性进行了仿真研究。改变点火模式，分析双点点火模式对火焰传播特性的影响，寻求提高指示热效率的有效途径。

1 研究条件与方法

1.1 光学发动机的研究现状

用于模型验证的单缸光学样机主要技术参数如表1 所示。用于观察火焰传播特性的光学测试系统的布置如图1 所示。火花塞和喷油器的布置如图2所示。在气缸盖上设置两个喷油器和两个火花塞，在气缸盖一侧设置进排气系统。为便于进气涡流的调节，气缸间隙体积较大。因此，压缩比低至6.13，光学发动机试验转速受原型结构限制为200 r·min，但这并不影响火焰传播机理的基础研究。天然气的主要成分如表2所示。

图1 实验装置示意图

图2 火花塞和喷油器位置示意图

表1 实验样机技术参数

表2 天然气燃料的主要成分

通过调节进气气流方向相对于气缸中心的偏置程度来调节进气涡流强度。在发动机转速较低的情况下，通过调节进气涡流比（=6.0），可以尽可能提高初始气流强度。在光学发动机实验中，为了尽可能还原实际发动机的运转条件，缸盖上布置两个旋流喷射器模拟进气涡流对燃料分布的影响，喷射压力为0.5 MPa。采用CCD 高速摄像机以563 帧/s的速度连续记录火焰的传播过程，在不同的工作条件下，平均缸压可测量10次。

1.2 仿真条件与验证

利用CNG 光学发动机测量的火焰传播特性和示功图，验证了CNG-DI 发动机气缸内的湍流和燃烧模型。然后根据光学发动机的结构特点，在不改变压缩比的情况下，利用FIRE 软件直接生成柱状燃烧系统模型，使燃烧室形状与光学发动机一致。根据发动机运行过程中气缸容积的变化，将进气行程到压缩做功行程的时间划分为4 层网格，如图3所示。

图3 仿真网格

在喷射和燃烧阶段，模拟时间步长为0.5°CA，膨胀阶段为1°CA。根据CNG气体燃料的特性，湍流模型采用k-zeta-f 模型，燃烧模型采用ECFM 模型。湍流扩散模型为O′Rourke 模型。假定气缸入口气流状态均匀，以实测值作为模拟边界条件。平均进气压力为0.108 MPa，初始温度为314 K，活塞顶部温度为553 K，气缸壁的温度为403 K，气缸盖底部的温度为403 K。比较放热率和火焰传播速度的实验测量值与仿真结果，如图4 所示，仿真结果与实验结果吻合较好，表明所建立的仿真模型和算法与CNG燃料的实际混合形成和火焰传播情况相吻合。

图4 实验与仿真结果对比

1.3 技术条件和研究方案

将2.0 L 柴油机改为CNG-DI 发动机，压缩比由17.2 改为14.6。根据原发动机四气门结构的特点，喷油器和火花塞的布置如图5所示，火花塞1处为第1 点火位置，火花塞2 处为第2 点火位置。设计了两个不同的燃烧室，研究湍流对火焰传播的影响，如图6 所示。燃烧室A 与光学试样燃烧室相同，燃烧室B是对具有较高湍流强度的柴油机燃烧室的改进。

图5 喷油器与火花塞示意图

图6 两种燃烧室形状和网格

仿真样机的网格结构模型、仿真方法和仿真模型的建立与光学样机一致，在2.0 L柴油机的实验研究中，通过实测结果确定了仿真边界条件。仿真样机的主要技术参数和仿真条件如表3所示。以发动机最大转矩转速工况为仿真工况，循环喷气量为33 mg。采用双点火器对A 型燃烧室火焰的传播特性进行了观察，研究了火焰的传播特性和指示热效率的变化。

表3 技术参数及仿真条件

2 结果与分析

2.1 燃烧室结构对火焰传播特性的影响

火焰传播速度由湍流火焰传播速度和已燃区的膨胀速度共同决定。燃烧室结构的改变，对缸内混合气的湍流运动影响很大，湍流使火焰前峰面发生扭曲，增大了火焰前峰面的面积，同时将火焰前峰面分裂成许多个燃烧中心，大大扩大了火焰前峰面的厚度，加快了湍流火焰传播速度。对比A 型和B 型燃烧室内在不同曲轴转角时刻的火焰轮廓线，如图7 所示，发现B 型燃烧室内的火焰传播速度明显加快。这是因为与A 型平顶燃烧室相比B 型燃烧室设置了底部凸起与周侧挤流面来加强湍流强度。观察分析两种燃烧室内的放热率曲线，如图8 所示，与A型燃烧室的放热率曲线对比分析，发现B 型燃烧室内的燃烧过程开始时刻提前，燃烧持续时间更短，表明燃烧速率更快，使得达到放热率峰值的时刻更靠近压缩上止点。同时，如图9 所示，观察两种燃烧室的示功图可以发现，B 型燃烧室缸内压力峰值更大，等容度更高。

图7 火焰轮廓线

图8 两种燃烧室放热率

图9 两种燃烧室示功图

以上分析验证了燃烧室结构的改变可增强湍流强度，从而加快火焰传播速度，提高等容度。但是，通过计算发现，B 型燃烧室的指示热效率（43.27%）低于A 型燃烧室的指示热效率（44.46%）。进一步研究发现，虽然两种燃烧室的理论放热量相同，但是实际放热量却有所区别，如表4 所示。定义实际放热量与理论放热量的比值为燃烧效率，其代表燃烧的完全性。计算得出A 型燃烧室的燃烧效率为97.1%，而B 型燃烧室的燃烧效率为94.73%，这说明B 型燃烧室虽然加快了火焰传播速度，提高了燃烧速率，但其燃烧过程不充分。图10 所示为B 型燃烧室内火焰表面密度的分布图，从图中可以看出火焰面存在断裂现象，在371°CA 时火焰面彻底分为内圈与外圈，外圈火焰厚度较薄且处在周向挤流面的位置，存在狭缝效应，火焰无法扩展，导致燃烧不充分。图11所示为B 型燃烧室内燃烧后期CH的质量分数分布图，在燃烧接近终了时周向挤流面区域内仍存在残留的CH，这进一步验证了上述B型燃烧室燃烧不充分的结论。由于B 型燃烧室内的燃料未能充分燃烧而导致其指示热效率降低。

表4 两种燃烧室结构放热参数对比

图10 B型燃烧室内火焰表面密度分布图

图11 B型燃烧室内燃烧后期CH4质量分数

燃烧室结构的改变确实会通过影响湍流强度来影响火焰传播速度，湍流强度的增强会使火焰传播速度加快，但是较强的湍流会使火焰面发生断裂，且燃烧室结构中的狭缝区域阻碍火焰的传播，燃烧不充分导致整体指示热效率下降。这一结论为以后CNG发动机燃烧室的设计提供了重要的参考意见。

2.2 双点点火模式对火焰传播特性的影响

可燃混合气的燃烧速度，由未燃混合气密度、层流火焰传播速度、火焰前锋面积共同决定。设置双点点火可以增大火焰前锋面积，加快可燃混合气的燃烧速度，使缸内的燃烧过程更加集中，提高等容度，增大指示热效率。图12 所示为不同点火方式对火焰传播过程及未燃当量比瞬态分布特性的影响。其中，单点点火位置与双点点火模式的第1 点火位置相同。双点点火模式时火焰轮廓面积扩大的速度比单点点火更快，值得注意的是，在双点点火火焰轮廓图中可以看出，第2 点火位置的火焰传播速度比第1 点火位置的火焰传播速度要快，从未燃当量比分布图中可以看出，这是因为第2 点火位置处的混合气浓度较大，即未燃混合气密度较大，加快了混合气的燃烧速度。

图12 两种点火模式下未燃当量比与火焰轮廓图

图13 和图14 所示为两种点火模式的缸内压力和放热规律的变化曲线。可以看出双点点火缩短了着火落后期，这是因为两处火花塞放电，产生的活化因子数量增多，加快了火焰核形成的速度。也可以看出，与单点点火模式相比，双点点火模式下缸内压力峰值更高、出现的时刻更靠近上止点，放热率峰值更高、放热中心更靠近上止点，而且燃烧持续时间更短，这些都是因为双点点火模式加快燃烧速度的结果。如表5 所示，列出了单点点火与双点点火指示热效率和燃烧效率。据此可以看出，与单点点火模式相比，双点点火模式虽然没能更好地提高燃烧效率，但是由于火焰传播面积的增大，缩短了燃烧持续时间，使放热更加集中，提高了等容度，指示热效率得到提高。

表5 两种点火模式放热参数对比

图13 两种点火模式缸内压力

图14 两种点火模式放热率

如图12 所示，观察两种点火模式下点火位置处火焰轮廓的变化可以发现，双点点火模式下第1 点火位置处火焰传播速度略微加快，据此分析双点点火的两火焰之间存在相互推动作用。如图15 所示，在火焰传播过程中，两个火焰的轮廓彼此接近，在交界面处存在推动力，由此促进火焰的发展，加快了火焰传播速度。由于缸内气流方向为顺时针方向，所以第2 点火位置火焰对第1 点火位置火焰的推动作用更为明显。缸内气流方向和气流强度对两火焰之间的推动作用影响很大，可加快火焰传播速度。图16 所示为缸内的压力梯度分布，进一步验证了两火焰团之间的推动作用。

图15 火焰推动作用示意图

图16 压力梯度分布图

3 结论

（1）燃烧室结构直接影响缸内的湍流强度，由此影响火焰传播速度；湍流强度的增强会使火焰传播速度加快，但是湍流过强会使火焰面发生断裂，反而使热效率降低。若燃烧室结构设计中挤气面积过大，虽有利于提高燃烧室内湍流强度，但挤气面的缝隙会阻碍火焰的传播，使燃烧不充分导致指示热效率下降。

（2）与传统的单点点火模式相比，采用双点点火模式时初期的活化因子数量明显增多，火焰前锋面积增大，由此加快火焰传播速度，缩短了燃烧持续时间，使放热更加集中，提高了等容度，指示热效率得到提高。

（3）双点点火的两个火焰团轮廓彼此接近，在交界面处存在相互推动作用，由此促进火焰的发展，进一步加快火焰传播速度。