1、CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的CF D 模擬計(jì)算張惠明沈國華(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072摘要:應(yīng)用AVL -F I RE 軟件對某CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)建立工作過程的計(jì)算模型,并對燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬,通過改變模型中的過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角等工作參數(shù)對該機(jī)性能的影響進(jìn)行分析,從而為發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)優(yōu)化匹配提供方向性指導(dǎo)。關(guān)鍵詞:CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬過量空氣系數(shù)點(diǎn)火提前角中圖分類號(hào):TK432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-0630(200705-0009-03CF D S i m ul a ti ve Ca lcul a ti on of the Co m busti onPro

2、cess for a CNG Eng i n eZhang Hu i m i n g,Shen GuohuaState Key Laborat ory of Engines,Tianjin University (Tianjin 300072Abstract:I n this paper,a numerical si m ulati on of combusti on p r ocess for a CNG engine is carried out by u 2sing the commercial computati onal fluid dyna m ics s oft w are AV

3、L -F I RE .The paper analyzes the capability of the engine by adjusting the coefficient of excess air and s park advance angle,consequently p r ovides the guid 2ance t o op ti m ize and match the para meters of the engine .Keywords:CNG engine,Numerical si m ulati on,Coefficient of excess air,Spark a

4、dvance angle引言天然氣是一種真正的清潔燃料,其主要成分為甲烷(含量86%以上。與燃用柴油相比,甲烷的燃燒幾乎不產(chǎn)生碳煙;與燃用汽油相比,CO 和HC 等燃燒產(chǎn)物均有大幅度的下降,而且無鉛化物生成。研究表明,天然氣汽車的排放性能比液化氣汽車更優(yōu)越。天然氣還具有成本較低,經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢,與汽油、柴油相比,單純?nèi)加肅NG 的燃料成本可降低40%以上。在對傳統(tǒng)的汽油機(jī)和柴油機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b后,汽車就可以燃用天然氣,從而可大幅度改善汽車的排放性能。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。實(shí)驗(yàn)方法是理論研究的前提和基礎(chǔ),對發(fā)動(dòng)機(jī)研究起著巨大的推動(dòng)作用,但其研究周期長、成本高,在發(fā)

5、動(dòng)機(jī)工作過程特別是燃燒過程的分析中只能提供有限的信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及其計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論研究的深入,建立一種與發(fā)動(dòng)機(jī)工作機(jī)理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的計(jì)算模型成為可能,它可以更好地預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行廣泛的變參數(shù)研究,為開發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)和舊發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高提供指導(dǎo)。本文主要采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的研究。使用AVL -F I RE 軟件對某一渦輪增壓中冷CNG 火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行三維模擬計(jì)算,旨在為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。1移動(dòng)網(wǎng)格的建立本文主要計(jì)算燃燒室在氣門關(guān)閉時(shí)間內(nèi)的工作過程,因此建立的模型包括進(jìn)氣門關(guān)閉后的壓縮過程、燃

6、燒過程和排氣門開啟前的膨脹過程這一階段。作者簡介:張惠明(1942-,男,教授,博導(dǎo)。主要從事內(nèi)燃機(jī)燃燒過程、增壓技術(shù)及排放技術(shù)、清潔代用燃料、電控技術(shù)的研究。第36卷第5期2007年10月小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE Vol .36No .5Oct .2007因?yàn)闆]有包括氣道和氣門,所以模型的建立比較簡單。本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻為214.5A,排氣門開啟時(shí)刻為472.5A,需要建立移動(dòng)網(wǎng)格,生成步驟如下:1用PorE軟件建立曲軸轉(zhuǎn)角0A(進(jìn)氣上止點(diǎn)的三維CAD模型;2將曲軸轉(zhuǎn)角0A(進(jìn)

7、氣上止點(diǎn)的三維CAD模型存為.stl格式,導(dǎo)入AVL-F I RE中;3截取一個(gè)側(cè)面,繪制平面網(wǎng)格,然后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和拉伸做出180A時(shí)刻的體積網(wǎng)格模型;4移動(dòng)180A時(shí)刻的體積網(wǎng)格,并且為了滿足網(wǎng)格的質(zhì)量和精度,在320A時(shí)刻進(jìn)行網(wǎng)格的再分區(qū);5移動(dòng)再分區(qū)后的網(wǎng)格,在340A、360A、380A、400A、540A時(shí)刻重復(fù)步驟4的過程;6試運(yùn)行網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng),檢查網(wǎng)格的制作是否正確,至此移動(dòng)網(wǎng)格的制作全部完成。2三維模擬的計(jì)算模型及初始條件的定義燃燒模型選用渦團(tuán)破碎模型(Eddy B reak Up Model。初始條件如表1所示。此模型的基本思想是認(rèn)為預(yù)混火焰,湍流燃燒區(qū)中的己燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w都是

8、以大小不等并做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的渦團(tuán)形式存在,化學(xué)反應(yīng)在這兩種渦團(tuán)的界面上發(fā)生。化學(xué)反應(yīng)率取決于未燃?xì)鉁u團(tuán)在渦流作用下破碎成更小渦團(tuán)的速率,而此破碎速率正比于湍流脈動(dòng)動(dòng)能和聯(lián)系起來。一般情況下,渦團(tuán)破碎模型的公式為:R fu=Cm fum fu,0×1-m fum fu,0式中:mfu,0是燃料的初始濃度,是湍流混合特征時(shí)間。表1初始條件名稱設(shè)定值單位壓力184000Pa溫度357.15K湍流動(dòng)能36.75m2/s2湍流長度尺度0.00575m湍流擴(kuò)散率6366.49m2/s33燃燒過程分析本文利用AVL-F I RE軟件對CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行模擬計(jì)算,根據(jù)不同的過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前

9、角進(jìn)行計(jì)算對比,得出了燃燒過程的變化趨勢,進(jìn)而為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)提供了方向性指導(dǎo)。3.1過量空氣系數(shù)混合氣濃度對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懛浅４?典型的慢速燃燒阻止稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到快速穩(wěn)定的燃燒。對同一種燃料,火焰速度對火焰溫度最為敏感,而對氣缸壓力敏感性就低得多。在相同壓縮比和點(diǎn)火定時(shí),火焰溫度主要是空燃比的函數(shù),也就是說在相同壓縮比和點(diǎn)火定時(shí),影響稀燃火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖钪饕蛩厥腔旌蠚獾倪^量空氣系數(shù)。隨著過量空氣系數(shù)的增加,一方面導(dǎo)致混合氣的熱值減小,另一方面由于燃料混合氣過稀,使火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?燃燒緩慢,排氣管后燃嚴(yán)重,排氣溫度高,散熱損失增多,燃燒終了的溫度、壓力降低,發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。放熱率能較直

10、觀地反映混合氣的燃燒速度變化。如圖1所示,通過三個(gè)不同過量空氣系數(shù)下放熱率計(jì)圖1過量空氣系數(shù)對放熱量的影響01小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車第36卷算的對比,可以看出隨著過量空氣系數(shù)的增加,混合氣濃度越來越稀,放熱率的最大值越來越小,即混合氣燃燒速度隨著過量空氣系數(shù)的加大而減小。3.2點(diǎn)火提前角點(diǎn)火提前角是影響點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要運(yùn)轉(zhuǎn)因素。點(diǎn)火提前角的大小直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程,從而影響其輸出功率、燃料消耗率和燃燒溫度。對于發(fā)動(dòng)機(jī)每一工況都存在一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角,使發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大,燃料消耗率最低。合理的點(diǎn)火提前角不僅可以使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提高,還可以提高其經(jīng)濟(jì)性。實(shí)驗(yàn)研究表明,天然氣的著火溫度高,火焰發(fā)

11、展期長。在同一空燃比范圍內(nèi),甲烷混合氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕突旌蠚鈱恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊?2%左右,使得CNG發(fā)動(dòng)機(jī)火焰發(fā)展期和總?cè)紵A段明顯變長,燃燒峰值偏離上止點(diǎn),致使氣缸內(nèi)壓力、溫度上升緩慢,造成指示熱效率降低。在轉(zhuǎn)速一定、同一空燃比時(shí),點(diǎn)火提前角是除燃料性質(zhì)以外影響火焰發(fā)展期和主燃燒階段的重要因素。點(diǎn)火提前角減小,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)火焰發(fā)展期有少量的減少,但主燃燒階段隨著點(diǎn)火提前角的減少而增長。因此,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)需加大點(diǎn)火提前角,以縮短總?cè)紵?使燃燒峰值接近上止點(diǎn)。如圖2所示,CNG發(fā)動(dòng)機(jī)隨著點(diǎn)火提前角的加大,最高燃燒壓力提高,壓力峰值點(diǎn)向左(靠近上止點(diǎn)的方向推移,與理論分析相一致。點(diǎn)火提前

12、角減小,由于其火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?會(huì)使最高燃燒壓力點(diǎn)偏離上止點(diǎn)距離增加,造成后燃現(xiàn)象,排溫升高,從而使有效功率減小;反之,若增大點(diǎn)火提前角,可以彌補(bǔ)由于天然氣燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷鶎?dǎo)致熱效率下降的趨勢,從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒過程,使其功率增加。4結(jié)論天然氣的著火溫度高,火焰發(fā)展期長,使得CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)火焰發(fā)展期和總?cè)紵A段明顯變長,燃燒峰值偏離上止點(diǎn),致使氣缸內(nèi)壓力、溫度上升緩慢,造成指示熱效率降低。其中,混合氣濃度和點(diǎn)火提前角是影響火焰發(fā)展期和主燃燒期的重要因素,本文主要分析了過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對天然氣火焰燃燒的影響。1混合氣濃度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懛浅４?混合氣燃燒速度隨著過量空氣系數(shù)的加大而減小。2隨著點(diǎn)火提前角的加大,總?cè)紵诳s短,燃燒峰值接近上止點(diǎn),最終使得有效功率增加 。圖2點(diǎn)火提前角對對缸內(nèi)平均壓力的影響參考