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運行參數(shù)對活塞熱負(fù)荷及異常燃燒的影響

陸靜安，李朝陽

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

摘要應(yīng)用AVL BOOST仿真軟件建立了天然氣發(fā)動機(jī)的仿真模型，計算不同的運行參數(shù)對發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷的影響。主要分析不同點火提前角、空燃比、中冷后溫度及增壓壓力時，活塞、缸蓋等氣缸零件熱負(fù)荷的變化，為降低燃?xì)獍l(fā)動機(jī)氣缸零件熱負(fù)荷、抑制異常燃燒、優(yōu)化運行參數(shù)等各個方面的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：仿真數(shù)學(xué)模型熱負(fù)荷異常燃燒

來稿日期：2015-02-15

1　引言

天然氣是一種清潔的替代燃料，與傳統(tǒng)燃料相比，天然氣燃燒時不產(chǎn)生碳煙，并具有較低的NO、CO、HC等排放污染物。此外，天然氣發(fā)動機(jī)的燃料成本僅為柴油的70%左右，經(jīng)濟(jì)性也高于柴油機(jī)。商用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)通常是在原柴油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的，其空燃比遠(yuǎn)低于柴油機(jī)。因此缸蓋、活塞等關(guān)鍵零部件熱負(fù)荷遠(yuǎn)高于原柴油機(jī)，且易發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。不同氣源地的天然氣組分變化也較大，燃料抗爆性差異顯著，進(jìn)一步增加了異常燃燒的概率，嚴(yán)重時會引起拉缸、活塞熔頂?shù)裙收稀１疚睦肁VL BOOST發(fā)動機(jī)仿真軟件對某天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行工作模擬，通過與臺架實驗數(shù)據(jù)的對比，驗證模型的有效性；通過變參數(shù)研究，探討了點火提前角、中冷后進(jìn)氣溫度、空燃比及增壓壓力對發(fā)動機(jī)氣缸熱負(fù)荷的影響，對于優(yōu)化運行參數(shù)、抑制異常燃燒、確保天然氣發(fā)動機(jī)在惡劣工況下正常運行具有實際的指導(dǎo)意義。

2　異常燃燒現(xiàn)象分析

我公司的天然氣發(fā)動機(jī)在某熱帶地區(qū)使用半年后連續(xù)發(fā)生活塞熔頂?shù)膰?yán)重事故。該地區(qū)溫度常年在35℃以上，夏季最高溫度在45℃以上。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用戶使用保養(yǎng)欠規(guī)范，中冷器、水箱等冷卻系統(tǒng)清洗不及時，而且該地區(qū)不同加氣站的燃?xì)饨M分、抗爆性差別較大，如某些加氣站甲烷成分不到70%?，F(xiàn)場拆解發(fā)現(xiàn)，活塞頭部從輕微缺角到完全熔化，損壞嚴(yán)重程度不一，輕微熔化的活塞裙部無拉傷、活塞頭部環(huán)岸和活塞頂部無燒蝕痕跡。從活塞故障癥狀來看，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重的異常燃燒，而且其早燃特征更為明顯。

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的正常燃燒過程中，空氣與天然氣在缸外的混合器中形成混合氣，在壓縮沖程接近上死點前，通過火花塞的火花進(jìn)行點燃。隨后，該著火源以近似球面形狀的火焰鋒面在可燃混合氣中迅速傳播，火焰鋒面不斷向前推進(jìn)，直至火焰?zhèn)髦磷罱K燃燒的末端混合氣為至。然而由于受到各種因素的影響，發(fā)動機(jī)的燃燒過程可能受到干擾，會產(chǎn)生2種完全不同的異常燃燒：早燃和爆燃。

早燃是氣缸內(nèi)混合氣在火花塞點火前已被燃燒室內(nèi)其它的熾熱表面點燃，熾熱部件有排氣門、火花塞、燃燒室周圍的表面以及這些部件上的沉積物。這些部件上的熾熱點導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ネ耆タ刂疲沟没钊^部溫度急劇增加，并且可以在幾秒鐘內(nèi)就達(dá)到活塞熔化的溫度。引起早燃的原因有：（1）火花塞的熱值太低（熱值表示火花塞散熱能力；數(shù)值越大，散熱越好，數(shù)值越小，散熱越差）；（2）混合氣過濃導(dǎo)致過高的燃燒溫度；（3）排氣門有故障，或間隙不足，導(dǎo)致排氣門密封不好；（4）活塞頂部、缸蓋、火花塞和排氣門上有殘留物；（5）燃料中的辛烷值太低；（6）發(fā)動機(jī)部件通風(fēng)不好引起中冷后的溫度過高；（7）過負(fù)荷引起的過熱。

爆燃是火花塞點火后離火花塞較遠(yuǎn)的末端混合氣，在火焰鋒面尚未達(dá)到前就已完成焰前反應(yīng)而發(fā)生自燃，形成新的火焰中心，產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈沖，并以極高的速度向附近氣體傳播。燃燒室中燃掉了所有的殘留物是爆燃的跡象。爆燃會導(dǎo)致材料燒蝕，活塞和曲軸驅(qū)動的機(jī)械負(fù)荷過載，嚴(yán)重的、或長期的爆燃會導(dǎo)致活塞頭部環(huán)岸和頂部燒蝕。爆燃還會導(dǎo)致燃燒室個別部件受熱嚴(yán)重，隨著熱負(fù)荷的過載，早燃發(fā)生的可能性會進(jìn)一步增加。引起爆燃的原因有以下幾種情況：（1）點火提前角太大；（2）混合氣過濃導(dǎo)致過高的燃燒溫度；（3）燃燒殘留物引起過高壓縮比；（4）燃料中的辛烷值太低；（5）發(fā)動機(jī)部件通風(fēng)不好引起中冷后的溫度過高；（6）過負(fù)荷引起的過熱[1]。

針對用戶使用的高溫環(huán)境及燃?xì)獾钠焚|(zhì)，通過優(yōu)化點火提前角、空燃比、中冷后溫度、中冷后壓力等運行參數(shù)，消除異常燃燒，同時兼顧動力性、經(jīng)濟(jì)性，確保優(yōu)化調(diào)整后保持正常燃燒的情況下仍能保持原機(jī)的性能。利用AVL BOOST仿真軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)行工作模擬，分析計算點火提前角、空燃比、中冷后溫度、中冷后壓力對活塞熱負(fù)荷的影響。通過仿真分析，有目的地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，縮短試驗時間，快速解決用戶使用過程中出現(xiàn)的故障，確保天然氣發(fā)動機(jī)在惡劣工況下能夠正常運行。

3　模型的建立及驗證

采用AVL BOOST發(fā)動機(jī)循環(huán)工作模擬軟件，以燃?xì)獍l(fā)動機(jī)為原型進(jìn)行建模。在建模時主要考慮發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、傳熱模型、燃燒模型、摩擦功、燃?xì)饨M分等關(guān)鍵元素。BOOST整機(jī)分析模型包括進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、氣缸、混合器、中冷器和增壓器。根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的實際結(jié)構(gòu)，建立了如圖1所示的仿真計算模型。燃燒模型中，采用發(fā)動機(jī)實際的放熱規(guī)律曲線和Woschni 1978傳熱模型。圖中，C1~C6為氣缸，PL1為進(jìn)氣管，TC1為渦輪增壓器，CO1是中冷器，1~26為管道，I1為混合器，MP1~MP26為測量點，SB1和SB2為系統(tǒng)邊界[2]。

在進(jìn)行運行參數(shù)優(yōu)化計算前，必須應(yīng)用試驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)。需要校準(zhǔn)下列參數(shù)：功率、容積效率、空氣質(zhì)量流量、燃?xì)饬髁?、增壓器參?shù)、缸內(nèi)壓力曲線，以及進(jìn)排氣管道的壓力和溫度等。選取標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 200 r/min下的全負(fù)荷工況為計算模型驗證指標(biāo)，按照試驗條件設(shè)置初始條件和邊界條件。調(diào)整模型參數(shù)，使之適合實際狀態(tài)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，使功率和試驗數(shù)據(jù)吻合。對其它參數(shù)進(jìn)行比較，可以從表1的對比結(jié)果看出，計算誤差都小于3%，認(rèn)為計算模型及模型參數(shù)基本符合要求，能代表實際狀態(tài)，可進(jìn)一步對運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算。

4　運行參數(shù)的仿真與優(yōu)化

圖1　發(fā)動機(jī)模型

表1　模型驗證結(jié)果

利用AVL BOOST仿真軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)行工作模擬時，為簡化分析計算，在仿真過程中，假設(shè)燃燒過程中燃燒持續(xù)期和放熱率形狀不變，在實際運行時任何參數(shù)的變化均會影響燃燒放熱過程。在調(diào)整點火提前角、空燃比、中冷后溫度運行參數(shù)時，調(diào)整中冷后壓力確保參數(shù)改變后功率不變，即在動力性相同的情況下，評價運行參數(shù)的調(diào)整對每循環(huán)氣缸熱負(fù)荷及整機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，為確定合理的運行參數(shù)提供理論根據(jù)。

4.1點火提前角仿真計算

燃燒起始點（略遲于點火提前角）決定了放熱率曲線與壓縮上止點的相對位置；在持續(xù)期和放熱率形狀不變的前提下也就決定了放熱中心（放熱率曲線包圍的面心）距上止點的位置。在仿真過程中，燃燒起始點分別設(shè)為上止點前6℃A~18℃A，同時調(diào)整中冷后壓力，保持不同燃燒起始點時輸出功率不變。燃燒起始點的變化對氣缸零件熱負(fù)荷的變化相當(dāng)敏感；起始點越大，燃燒中心越接近上止點，越接近于等容燃燒。不同燃燒起始點時熱負(fù)荷及燃燒溫度見表2。

表2　不同燃燒起始點時循環(huán)熱負(fù)荷及燃燒溫度

由表2可知，在標(biāo)定工況下，保持功率不變，隨著燃燒起始點的提前，活塞和缸蓋熱負(fù)荷不斷上升，缸套熱負(fù)荷和燃?xì)夂穆什粩嘞陆?。燃燒起始點越大，熱負(fù)荷變化幅度就越大，燃燒起始點從15℃增加到18℃，活塞熱負(fù)荷增加了6.1%，缸蓋熱負(fù)荷增加了5.8%，缸套熱負(fù)荷則下降了2.7%，而氣耗下降了1.0%，見圖2。缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 706℃增加到1 732℃；渦前排溫從655℃降低到644℃（見圖3）。起燃點過早，則混合氣必然過早點燃，從而引起壓力升高率增加，最高燃燒壓力、最高燃燒溫度過高，缸蓋和活塞熱負(fù)荷增加，易發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。若起燃點過遲，燃燒中心后移，膨脹比過小，缸蓋和活塞熱負(fù)荷降低，缸套熱負(fù)荷增加，同時加速性、經(jīng)濟(jì)性下降。

圖2　燃燒起始點對熱負(fù)荷及氣耗率的影響

圖3　燃燒起始點對燃燒溫度和排溫的影響

4.2空燃比仿真計算

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)普遍采用缸外預(yù)混合均質(zhì)稀燃模式，在缸外混合器中形成均質(zhì)的預(yù)混合氣，在壓縮上止點前通過火花塞的火花進(jìn)行點燃。稀燃混合氣熱值低，火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒溫度下降，降低了與氣缸壁面的傳熱，減少了氣缸零件的熱負(fù)荷。在仿真過程中，空燃比分別設(shè)為23~27之間，同時調(diào)整中冷后壓力，保持不同空燃比時輸出功率不變?？杖急鹊淖兓瘜飧琢慵嶝?fù)荷的變化較敏感，空燃比越大，氣缸零件熱負(fù)荷就越低。不同空燃比時熱負(fù)荷及燃燒溫度見表3。

由表3可知，在標(biāo)定點工況下，保持功率不變，隨著空燃比的提高，活塞、缸蓋和缸套熱負(fù)荷不斷下降，燃?xì)夂囊餐较陆??？杖急仍叫。钊麩嶝?fù)荷變化幅度就越大，空燃比從23增加到25時，活塞熱負(fù)荷降低了2.4%，缸蓋熱負(fù)荷下降2.1%，缸套熱負(fù)荷下降了2.6%，氣耗率下降了0.62%，見圖4；缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 788℃降低到1 706℃；渦前排溫從689℃降低到656℃，見圖5?；旌蠚馄r，最高燃燒溫度下降，氣缸零件 熱負(fù)荷降低，避免早燃、爆燃等異常燃燒，同時燃燒產(chǎn)物離解減少，有利于熱效率提高。但是過稀的混合氣，由于燃燒速率降低，燃燒時間拉長，同樣使熱效率下降。當(dāng)點燃式發(fā)動機(jī)的未燃混合氣偏稀時，則火焰發(fā)展期、快速燃燒期及燃燒的循環(huán)變動將增加，達(dá)到某一數(shù)值時，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)變得粗暴且不穩(wěn)定，加減速平順性下降。過稀的混合氣因其熱值低，放熱量低，不能著火，均質(zhì)稀燃天然氣的空燃比稀限在27左右。

表3　不同空燃比時循環(huán)熱負(fù)荷及燃燒溫度

4.3中冷后溫度仿真計算

對增壓器壓氣機(jī)出口空氣進(jìn)行冷卻，可以降低內(nèi)燃機(jī)壓縮始點的溫度和整個循環(huán)的平均溫度，從而減少工質(zhì)對氣缸零件的傳熱量，降低熱負(fù)荷，提高熱效率。增壓中冷是改善發(fā)動機(jī)性能的重要技術(shù)手段。中冷的主要目的是降低發(fā)動機(jī)氣缸零件的熱負(fù)荷，避免表面點火和爆燃等異常燃燒。在仿真過程中，中冷后溫度分別設(shè)為40℃~80℃，同時調(diào)整中冷后壓力，保持不同中冷溫度時輸出功率不變。不同中冷后溫度時熱負(fù)荷及燃燒溫度見表4。

表4　不同中冷后溫度時循環(huán)熱負(fù)荷及燃燒溫度

由表4可知，中冷后溫度的變化對氣缸零件熱負(fù)荷的變化較有一定的影響；中冷后溫度越高，氣缸零件熱負(fù)荷就越高。中冷后溫度從50℃增加到60℃，活塞熱負(fù)荷增加了1.8%，缸蓋熱負(fù)荷增加了1.7%，缸套熱負(fù)荷增加了1.9%，氣耗率增加了0.1%，見圖6；缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 706℃增加到1 715℃；渦前排溫從656℃增加到660℃，見圖7。中冷后溫度越高，未燃混合氣對燃燒室零件的冷卻效果就越差，整個循環(huán)的平均溫度越高，缸蓋和活塞熱負(fù)荷增加，經(jīng)濟(jì)性下降，發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。中冷器在使用初期效果較好，隨著使用時間增長，流通表面由于水垢或灰塵等原因降低冷卻效果，應(yīng)及時進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

圖4　空燃比對熱負(fù)荷及氣耗率的影響

圖5　空燃比對燃燒溫度和排溫的影響

圖6　空燃比對熱負(fù)荷及氣耗率的影響

圖7　空燃比對燃燒溫度和排溫的影響

4.4負(fù)荷率變化的仿真計算

增壓是提高內(nèi)燃機(jī)升功率最有效的方法。隨著增壓壓力的提高，缸內(nèi)壓力及溫度上升，燃料燃燒時單位氣缸工作容積所放出的熱量增加，通過壁面?zhèn)鞒龅臒崃恳苍龃?。在仿真過程中，保持其它參數(shù)不變，調(diào)整負(fù)荷率，改變中冷后壓力，輸出功率分別為標(biāo)定功率的94%、97%、103%、106%。負(fù)荷率的變化對氣缸零件熱負(fù)荷的變化有較大影響，不同負(fù)荷率下熱負(fù)荷及燃燒溫度見表5。

由表5可知，隨著負(fù)荷率的增加，活塞、缸蓋、缸套等零件熱負(fù)荷不斷上升，燃?xì)夂囊餐较陆?。?fù)荷率從100%增加到103%，活塞熱負(fù)荷增加了2.3%，缸蓋熱負(fù)荷增加了2.3%，缸套熱負(fù)荷增加了2.4%，氣耗率下降0.4%，見圖8；缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 706℃增加到1 708℃，渦前排溫從656℃增加到657℃，見圖9。負(fù)荷率增加，最高燃燒壓力、最高燃燒溫度升高，缸蓋和活塞熱負(fù)荷增加；而主要零部件的傳熱面積未變，氣缸零件的溫度提高，易發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。增壓后，壓縮終了的壓力和溫度都加大，實質(zhì)上相當(dāng)于壓縮比的提高，所以爆燃傾向加大。

表5　不同負(fù)荷率時循環(huán)熱負(fù)荷及燃燒溫度

圖8　負(fù)荷率對熱負(fù)荷及氣耗率的影響

圖9　負(fù)荷率對燃燒溫度和排溫的影響

5　試驗驗證

5.1發(fā)動機(jī)臺架試驗驗證

活塞是內(nèi)燃機(jī)的核心部件，工作過程中受到高溫燃?xì)獾臎_擊，活塞頭部及裙部溫度都很高，評價活塞的熱負(fù)荷，最直觀而有效的方法是求取活塞的溫度場。依據(jù)AVL BOOST仿真計算的結(jié)果，調(diào)整標(biāo)定參數(shù)及運行參數(shù)，測量在不同工況下的活塞表面溫度。采用緯氏硬度賽測量法同時測量1~6缸活塞表面溫度；活塞表面溫度測點位置如圖10所示。在試驗過程中保持功率不變，在原標(biāo)定基礎(chǔ)上，推遲點火提前角2℃、空燃比由24.5升為25、中冷后溫度由55℃降為50℃、中冷后壓力由190 kPa升為195 kPa。原標(biāo)定參數(shù)活塞表面溫度如圖11所示，標(biāo)定調(diào)整后活塞表面溫度如圖12所示。優(yōu)化前后活塞頂部最高溫度可下降20℃，活塞熱負(fù)荷下降明顯。

圖10　活塞表面溫度測點位置圖

圖11　標(biāo)定參數(shù)調(diào)整前活塞表面溫度分布圖

圖12　標(biāo)定參數(shù)調(diào)整后活塞表面溫度分布圖

6　結(jié)論

利用AVL BOOST仿真軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)行模擬，定量分析運行參數(shù)對活塞熱負(fù)荷的影響，確定影響活塞熱負(fù)荷的主要因素。在運行參數(shù)中，燃燒起始點和空燃比的變化對氣缸零件熱負(fù)荷的變化相當(dāng)敏感，中冷后溫度的變化對氣缸零件熱負(fù)荷的變化有一定的影響。在標(biāo)定點等功率工況下，燃燒起始點每提前3℃，活塞熱負(fù)荷約增加2.03%，缸蓋熱負(fù)荷增加1.93%，氣耗下降0.3%；空燃比每降低1，活塞熱負(fù)荷約增加1.2%，缸蓋熱負(fù)荷增加1.05%，氣耗下降0.31%；中冷后溫度每增加10℃，活塞熱負(fù)荷增加1.8%，缸蓋熱負(fù)荷增加1.7%，氣耗增加0.1%；負(fù)載系數(shù)每增加1%，活塞熱負(fù)荷增加0.97 %，缸蓋熱負(fù)荷增加0.77%，氣耗下降0.13%。

AVL BOOST仿真軟件能迅速而高效地進(jìn)行發(fā)動機(jī)工作模擬，定量分析運行參數(shù)對活塞熱負(fù)荷的影響，有針對性地進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，為性能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、提高標(biāo)定效率提供強(qiáng)有力的工具。

參考文獻(xiàn)

[1]劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.06.

[2] AVL. AVL BOOST Users Guide[M]. Graz：AVL List GmbH, 2006.

Effect of Operation Parameters on Piston Heat Load and Abnormal Combustion

Lu Jingan, Li Chaoyang

（Shanghai Diesel Engine Co. Ltd, Shanghai 200438, China）

Abstract:A simulation model of natural gas engine was established by using AVL BOOST simulation software, and a calculation of engine heat load with different operation parameters was conducted, mainly analysising the heat loads of piston, cylinder head and other parts under different ignition timing, air-fuel ratio, temperatures before and after intercooler and booting pressure. It provides a theoretical basis for reducing the heat loads of gas engine in-cylinder parts, inhibiting abnormal combustion, optimizing operation parameters etc.

Key words:simulation, mathematical model, heat load, abnormal combustion

作者簡介：陸靜安(1971-)，男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機(jī)性能標(biāo)定。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.005