1、點(diǎn)火方式對(duì)增壓稀燃點(diǎn)火方式對(duì)增壓稀燃 LPGLPG 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響_ _雜雜志鋪志鋪論文導(dǎo)讀:使用三維仿真軟件建立了增壓稀燃 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒模型，對(duì)工作過程中的壓縮、燃燒和膨脹過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。在模型得到試驗(yàn)的有效性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析了單、雙火花塞不同點(diǎn)火模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明：采用雙火花塞點(diǎn)火(DSI)與單火花塞點(diǎn)火(SSI)相比，縮短了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、急速形成較強(qiáng)烈的渦流、大幅度加快了火焰的傳播速度、減輕了爆震、降低了排溫、提高了熱效率、使發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。論文關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī) LPG，點(diǎn)火方式，燃

2、燒特性0 引言*人類對(duì)于自身的生存環(huán)境及空間的保護(hù)意識(shí)日益強(qiáng)烈,內(nèi)燃機(jī)的主要發(fā)展方向已著眼于燃油消耗、排放、噪聲等環(huán)保指標(biāo)，為此清潔代用燃料被廣泛使用。目前比較成熟的代用燃料主要為液化石油氣(LPG)及壓縮天然氣(CNG)，其中 LPG 成本低、物化特性接近于汽油，甚至在抗爆性及單位體積熱值方面優(yōu)于汽油，是一種優(yōu)秀的替代燃料13。但是由于 LPG 燃燒速度較慢，燃燒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，引起了熱效率低、氣耗高、排放差、排溫高、爆震邊界窄等嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的問題4,5（采用稀燃技術(shù)后，這些問題更加突出）。為解決這些問題，本文利用 AVL-FIRE 三維仿真軟件計(jì)算分析了不同點(diǎn)火方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影

3、響，通過仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雜志鋪，得出能改善缸內(nèi)燃燒、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的點(diǎn)火方式。1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及臺(tái)架介紹本研究的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以四缸柴油機(jī)為原型，進(jìn)行了針對(duì) LPG 燃料的改裝。發(fā)動(dòng)機(jī)采用了增壓稀燃技術(shù)及電控閉環(huán)預(yù)混合技術(shù)并根據(jù)研究需要采用了多模式點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)技術(shù)。具體參數(shù)由下表 1 給出：表 1 1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Tab. 1 The parameter of the experimental prototype(EP)項(xiàng)目規(guī)格說明缸數(shù)4缸徑?jīng)_程108115單位 mm排量4.214單位 L額定功率/轉(zhuǎn)速103KW/2800 rmin-1115KW/2800 rmin-1單點(diǎn)火模式雙點(diǎn)火模式最大扭矩/轉(zhuǎn)速4

4、20 Nm/1400-1800 rmin-1430 Nm/1400-1800 rmin-1單點(diǎn)火模式雙點(diǎn)火模式1000rpm 扭矩320 Nm吸氣方式增壓中冷空空中冷燃?xì)庀到y(tǒng)TBD噪聲94 dB1m 聲壓級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)重量380Kg電控系統(tǒng)ECI （多模式點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)）預(yù)混合閉環(huán)控制圖 1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)電控系統(tǒng)Fig.1 The electriccontrol system of the EP本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，該控制系統(tǒng)采用分區(qū)控制方法，能夠精確控制不同穩(wěn)定工況及過度工況下燃料的濃度及點(diǎn)火提前角。（燃料濃度即過量空氣系數(shù)的倒數(shù)，該樣機(jī)的燃料濃度范圍控制在 0.65 至 0.78 之間）

5、。針對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容，對(duì)控制系統(tǒng)點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其具有兩種工作模式：?jiǎn)位鸹ㄈc(diǎn)火及雙火花塞同步點(diǎn)火。搭建具有自動(dòng)控制及高速數(shù)據(jù)采集能力的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架配合本文的實(shí)驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖 2 所示。圖 2 增壓稀燃 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig.2 The Supercharging leanburn engine test bench2 仿真計(jì)算數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置AVL-FIRE 軟件在滿足計(jì)算流體力學(xué)要求的三個(gè)最基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量平衡方程和能量守恒方程）的同時(shí)，提供了針對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作特點(diǎn)的湍流模型、著火模型、燃燒模型等，本文針對(duì) LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的特點(diǎn)，依據(jù)不同模型的內(nèi)部機(jī)理

6、和適用范圍，進(jìn)行了相應(yīng)的選取和參數(shù)設(shè)置。2.1 湍流模型發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地影響著 LPG 的著火和燃燒過程，同時(shí)缸內(nèi)存在著密切耦合在一起的多種大尺度運(yùn)動(dòng)（旋流、滾流和擠流）和微小渦團(tuán)的湍流運(yùn)動(dòng)，有必要通過湍流模型的恰當(dāng)選擇來更真實(shí)地反映缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)。在大量的國(guó)內(nèi)外對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真研究中，絕大多數(shù)使用了目前研究得比較成熟的標(biāo)準(zhǔn) k-雙方程模型，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，經(jīng)過不斷的修正和改進(jìn)，現(xiàn)己成為比較完善的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)多維流動(dòng)的湍流模型，同時(shí)它還具有計(jì)算穩(wěn)定性高、計(jì)算機(jī)資源的要求低等特點(diǎn)，因此本文也采用了此模型。2.2 著火模型及燃燒模型LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)由火花塞點(diǎn)燃混合氣，所以本文采

7、用了 AVL-FIRE 中的火花著火模型。一旦形成穩(wěn)定的火焰核心，計(jì)算過程轉(zhuǎn)入燃燒模型。由于 LPG 以預(yù)混合氣的方式進(jìn)行火焰?zhèn)鞑シ绞降娜紵s志鋪，同時(shí)缸內(nèi)呈現(xiàn)劇烈瞬變的湍流流動(dòng)，它對(duì)火焰的傳播、拉伸與熄滅等現(xiàn)象具有決定性作用，進(jìn)而極大地影響著火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵俾?，為此本文選擇最適合這種燃燒方式的 ECFM 模型。ECFM 模型在標(biāo)準(zhǔn)擬序火焰模型(Coherent Flame Model，CFM)和 MCFM 模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。模型使用兩步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，考慮了在化學(xué)當(dāng)量比和富燃料狀態(tài)下的 CO 和 H2 生成。同時(shí)，模型假設(shè)高溫條件下的已燃?xì)怏w中雖然不存在燃料，但可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。按照

8、MeintjesMorganku 快速平衡反應(yīng)機(jī)理和Zeldovich 機(jī)理進(jìn)行污染物計(jì)算。ECFM 模型在 AVL-FIRE 中提供，用于模擬火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中的預(yù)混燃燒、敲缸和污染物生成。2.3 仿真計(jì)算初始條件及邊界條件仿真計(jì)算過程中，對(duì)涉及發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)過程的計(jì)算是以曲軸轉(zhuǎn)角作為時(shí)間計(jì)算步長(zhǎng)的，從進(jìn)氣門關(guān)閉（228CA）開始，到排氣門打開時(shí)（467CA）為止；發(fā)動(dòng)機(jī)的初始溫度為 420K，初始?jí)毫?173KPa，初始密度為 1.8Kg/m3；氣體的初始速度可通過渦流比計(jì)算，本文發(fā)動(dòng)機(jī)的渦流比為 2.4；進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的湍動(dòng)能 TKE=50m2/s2，湍動(dòng)能耗散率 TDR=19364.9 m2

9、/s3，湍流長(zhǎng)度尺度 TLS=0.003m。溫度邊界采用恒溫邊界，分別取缸蓋底部溫度、氣缸壁溫度、活塞頂部溫度為 600K、550K 和 650K。速度邊界條件設(shè)定為：氣缸蓋和氣缸壁靜止壁面的速度為零，活塞頂?shù)乃俣鹊扔诨钊\(yùn)動(dòng)速度。3 仿真計(jì)算及結(jié)果分析本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全速全負(fù)荷工況下（n=2800 rmin-1，燃料濃度為 0.73），單、雙火花塞點(diǎn)火的缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行了仿真計(jì)算。360CA364CA368CA372CA376CA雙火花塞點(diǎn)火不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的火焰面密度單火花塞點(diǎn)火不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的火焰面密度雙火花塞點(diǎn)火不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的湍動(dòng)能單火花塞點(diǎn)火不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的湍動(dòng)能圖 3 單、雙火花塞點(diǎn)火

10、的火焰面密度及湍動(dòng)能Fig.3 The flame surfacedensity and turbulent kinetic energy ofDSI & SSI圖 4 單、雙火花塞點(diǎn)火缸內(nèi)平均壓力Fig.5 The average cylinder pressure of DSI & SSI采用以垂直于 Y 軸的平面代表燃燒室的空間斷面雜志鋪，豎直方向切片是通過氣缸中心線的平面。雙火花塞點(diǎn)燃時(shí)，火花塞對(duì)稱布置，位置坐標(biāo)分別為（0.0229，0.002，0.1157）和（-0.0229，-0.002，0.1157）。單火花塞點(diǎn)燃時(shí)，火花塞布置在氣缸中心，圖 5 單、雙火花塞點(diǎn)火

11、缸內(nèi)平均湍動(dòng)能Fig.5 The average turbulentkinetic energy of DSI & SSI其位置坐標(biāo)為（0.0006，0，-0.0005）。仿真計(jì)算了不同點(diǎn)火方式缸內(nèi)燃燒的火焰面密度、湍動(dòng)能、溫度場(chǎng)分布、絕對(duì)壓力場(chǎng)分布等。本文選擇能較直觀反映不同點(diǎn)火方式對(duì)缸內(nèi)燃燒影響的火焰面密度、缸內(nèi)平均壓力及湍動(dòng)能來進(jìn)行對(duì)比分析。雙火花塞點(diǎn)火 360CA 時(shí)形成火焰核心，之后火焰由此火焰核心向外傳播，燃燒過程進(jìn)入急燃期。相對(duì)單火花塞點(diǎn)火，雙火花塞點(diǎn)火急速形成較強(qiáng)烈的渦流（圖 3、圖 5），大幅度加快了火焰的傳播速度，同時(shí)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒所用的時(shí)間也相應(yīng)縮短（圖

12、3）。同時(shí)可以看出急燃期 DSI 發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力升高率明顯比 SSI 發(fā)動(dòng)機(jī)的大，缸內(nèi)壓力在極短的時(shí)間內(nèi)就超過了 SSI 發(fā)動(dòng)機(jī)，且所達(dá)到的最高壓力高于 SSI 發(fā)動(dòng)機(jī)。以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)，DSI 發(fā)動(dòng)機(jī)急燃期時(shí)間明顯比 SSI 發(fā)動(dòng)機(jī)的短（圖 4）。由于雙火花塞燃燒時(shí)間縮短，點(diǎn)火提前角相對(duì)但火花塞點(diǎn)火顯著推遲雜志鋪，因此點(diǎn)火時(shí)燃燒室混合氣的溫度和壓力都較高，有利于著火和速燃。綜上所述，通過仿真結(jié)果可以看出雙火花塞點(diǎn)火相比單火花塞點(diǎn)火：湍動(dòng)能更強(qiáng)烈、缸壓升高率達(dá)、火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短、火焰燃燒速度快、燃燒持續(xù)期短。4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析圖 6、圖 7 為雙火花塞點(diǎn)火與單火花塞點(diǎn)火的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比。增壓稀燃 L

13、PG 發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況分別為：2000 rmin-1 70% 燃料濃度 0.72 提前角20CA；2800 rmin-1 50% 燃料濃度 0.71 提前角 20CA。圖 6 單、雙火花塞點(diǎn)火氣缸壓力曲線比較（2000 rmin-170% ；燃料濃度：0.72 提前角：20CA）Fig.6 The cylinder pressure of DSI & SSI(2000 rmin-170%; fuel concentration: 0.72; ignition advanceangle:20CA)分析圖中曲線并結(jié)合燃燒分析儀得到的其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（壓力升高率、放熱率、質(zhì)量放熱率等，本文中不一

14、一列出）得出：雙火花塞點(diǎn)火相比單火花塞點(diǎn)火對(duì) LPG 燃燒過程的促進(jìn)作用較大。雙火花塞點(diǎn)火模式的對(duì)稱布置縮短了 LPG 完全燃燒的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，有效提高了燃燒速率，有利于 LPG 燃燒過程火焰的快速發(fā)展，明顯縮短了 LPG 燃?xì)獾娜紵掷m(xù)期，提高了 LPG 的放熱率。較高的最大燃燒壓力，及其提前的對(duì)應(yīng)相位角，其結(jié)果使 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較大的膨脹比，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。圖 7 單、雙火花塞點(diǎn)火氣缸壓力曲線比較（2800 rmin-1 50% 燃料濃度0.71 提前角 20CA）Fig.7 The cylinder pressure of DSI & SSI(2800 rmin-150

15、%; fuel concentration: 0.71; ignition advanceangle:20CA)圖 8 單、雙火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線及氣耗Fig.8 The External Characteristic and FuelConsumption of DSI &SSI圖 8 為單、雙火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線。單火花塞點(diǎn)火時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)受到排溫（考慮增壓器承受能力，不能高于 750），爆震等條件的約束。通過標(biāo)定改變點(diǎn)火提前角及燃料濃度，也很難提升中高轉(zhuǎn)速區(qū)的功率。采用雙火花塞點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，排溫明顯降低，而且爆震邊界拓寬，中高轉(zhuǎn)速區(qū)域的功率有較大提升，并且雙火花

16、塞點(diǎn)火快速燃燒有利于拓展 LPG 稀薄燃燒的燃燒稀限，在整個(gè)點(diǎn)火提前角的變化范圍內(nèi)雜志鋪，雙火花塞點(diǎn)火 LPG 燃燒稀限值比普通單花塞點(diǎn)火有大幅度的提高，在整機(jī)標(biāo)定過程中可以采用更稀的混合氣濃度。綜上所述，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：雙火花塞點(diǎn)火燃燒速度快、熱效率高、排溫低、爆震邊界及燃燒稀限寬、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)型。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的合理性。4 總結(jié)本文應(yīng)用 AVL-FIRE 建立了三維燃燒模型，通過樣機(jī)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校核參數(shù)保證了模型的正確性及有效性。通過仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)分析了單、雙火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響。得出以下結(jié)論：1）雙火花塞點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，同時(shí)急速形成較

17、強(qiáng)烈的渦流，大幅度加快了火焰的傳播速度，燃燒所用的時(shí)間相應(yīng)縮短，大幅度提高了熱量利用率。2）雙火花塞點(diǎn)火燃燒時(shí)間縮短，最大轉(zhuǎn)矩的點(diǎn)火提前角可以顯著推遲，因此點(diǎn)火時(shí)燃燒室混合氣的溫度和壓力都較高，有利于著火和速燃。3）雙火花塞點(diǎn)火拓寬了爆震邊界和稀薄燃燒的燃燒稀限。同時(shí)，排溫得到有效降低。4）雙火花塞點(diǎn)火使增壓稀燃 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)具有更好的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)1.Bayraktar H, Durgun O. Theoretical investigationof using LPG inspark-ignition engines. The first aegean energy sympos

18、iumandexhibition. Denizli, Turkey, 2003. P. 2849.2.S. Murillo, J.L. Miguez, J Porteiro, Viabilityof LPG use in low-power outboard engines for reduction in consumption andpollutantemissions, Int. J. Energ. Res. 27 (2003) 467480.3.Hakan Bayraktar, Orhan Durgun, Investigating theeffects of LPG onspark

19、ignition engine combustion and performance, EnergyConversionand Management 46 (2005)23172334.Yung-Jin Kim, Ki-Bum Kim and Ki-Hyung Lee, TheSpray Characteristicsof a Liquid Phase LPG Port Injection Type Injector for aRemodeledDiesel Engine, SAE, paper No. 2009-01-1879,20095.A. Boretti and H.C. Watson

20、, Development ofadirect injection highefficiency liquid phase LPG spark ignition engine, papersubmitted forpresentation to the 2009 SAE Power train Fuel and LubricantsConference,Florence, Italy, June 2009. SAE P. 09SFL-0006分析圖中曲線并結(jié)合燃燒分析儀得到的其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（壓力升高率、放熱率、質(zhì)量放熱率等，本文中不一一列出）得出：雙火花塞點(diǎn)火相比單火花塞點(diǎn)火對(duì) LPG 燃燒過程

21、的促進(jìn)作用較大。雙火花塞點(diǎn)火模式的對(duì)稱布置縮短了 LPG 完全燃燒的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，有效提高了燃燒速率，有利于 LPG 燃燒過程火焰的快速發(fā)展，明顯縮短了 LPG 燃?xì)獾娜紵掷m(xù)期，提高了 LPG 的放熱率。較高的最大燃燒壓力，及其提前的對(duì)應(yīng)相位角，其結(jié)果使 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較大的膨脹比，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。圖 7 單、雙火花塞點(diǎn)火氣缸壓力曲線比較（2800 rmin-1 50% 燃料濃度0.71 提前角 20CA）Fig.7 The cylinder pressure of DSI & SSI(2800 rmin-150%; fuel concentration: 0.71; ig

22、nition advanceangle:20CA)圖 8 單、雙火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線及氣耗Fig.8 The External Characteristic and FuelConsumption of DSI &SSI圖 8 為單、雙火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線。單火花塞點(diǎn)火時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)受到排溫（考慮增壓器承受能力，不能高于 750），爆震等條件的約束。通過標(biāo)定改變點(diǎn)火提前角及燃料濃度，也很難提升中高轉(zhuǎn)速區(qū)的功率。采用雙火花塞點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，排溫明顯降低，而且爆震邊界拓寬，中高轉(zhuǎn)速區(qū)域的功率有較大提升，并且雙火花塞點(diǎn)火快速燃燒有利于拓展 LPG 稀薄燃燒的燃燒稀限，在整個(gè)點(diǎn)

23、火提前角的變化范圍內(nèi)雜志鋪，雙火花塞點(diǎn)火 LPG 燃燒稀限值比普通單花塞點(diǎn)火有大幅度的提高，在整機(jī)標(biāo)定過程中可以采用更稀的混合氣濃度。綜上所述，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：雙火花塞點(diǎn)火燃燒速度快、熱效率高、排溫低、爆震邊界及燃燒稀限寬、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)型。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的合理性。4 總結(jié)本文應(yīng)用 AVL-FIRE 建立了三維燃燒模型，通過樣機(jī)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校核參數(shù)保證了模型的正確性及有效性。通過仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)分析了單、雙火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響。得出以下結(jié)論：1）雙火花塞點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，同時(shí)急速形成較強(qiáng)烈的渦流，大幅度加快了火焰的傳播速度，燃燒所用的時(shí)間相應(yīng)縮短，大幅度提高了熱量利用率。2）雙火花塞點(diǎn)火燃燒時(shí)間縮短，最大轉(zhuǎn)矩的點(diǎn)火提前角可以顯著推遲，因此點(diǎn)火時(shí)燃燒室混合氣的溫度和壓力都較高，有利于著火和速燃。3）雙火花塞點(diǎn)火拓寬了爆震邊界和稀薄燃燒的燃燒稀限。同時(shí)，排溫得到有效降低。4）雙火花塞點(diǎn)火使增壓稀燃 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)具有更好的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)1.Bayraktar H, Durgun O. Theoretical investigationof using LPG inspark-ignition engines. The first aegean energy symposiumandexhibition. Denizl