曾麗麗 周維順 董偉 李軍成 李之華 王滸

采用G方程耦合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的方法對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃進(jìn)行仿真分析，對(duì)不同點(diǎn)火正時(shí)下的爆燃強(qiáng)度進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，該模擬方法能夠捕捉到爆燃發(fā)生時(shí)末端混合氣局部放熱造成的壓力振蕩。隨著點(diǎn)火正時(shí)提前，爆燃強(qiáng)度增加。在不同燃燒室方案下的爆燃余量和氣耗水平與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī);火焰?zhèn)鞑?爆燃強(qiáng)度;爆燃余量

0?前言

爆燃由末端混合氣自燃引起，爆燃的自燃理論已得到研究人員的廣泛認(rèn)可[1-2]。滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在采用當(dāng)量燃燒路線后，缸內(nèi)溫度比稀燃路線下的溫度高，爆燃邊界變窄;天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓、降速使其向高功率密度和高負(fù)荷方向發(fā)展，加大了爆燃傾向，并限制了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的進(jìn)一步提升[3-4]。為了滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)面臨著更高的要求。研究人員應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真分析方法，對(duì)不同燃燒室下的湍流燃燒和爆燃現(xiàn)象進(jìn)行模擬，為燃燒室的選型和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。本文以某六缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，建立了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的CFD模型，通過(guò)CFD數(shù)值模擬完成進(jìn)氣和燃燒過(guò)程的仿真分析，并提出爆燃強(qiáng)度的指標(biāo)限值[5]，評(píng)價(jià)不同燃燒室在限值條件下的爆燃余量和氣耗水平，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估數(shù)值模擬對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的預(yù)測(cè)能力。

1?計(jì)算模型與邊界條件

計(jì)算所用三維模型包含進(jìn)氣道、進(jìn)氣門(mén)座圈、進(jìn)氣門(mén)、進(jìn)氣門(mén)導(dǎo)管、缸墊、燃燒室和火花塞圍成的流體域。本文總共計(jì)算2個(gè)燃燒室方案，SF1為縮口型燃燒室，SF2為直筒型燃燒室，2個(gè)燃燒室輪廓線對(duì)比如圖1所示，計(jì)算所用物理模型如表1所示。

2?模型標(biāo)定

本文采用G方程捕捉火焰面，采用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬末端混合氣自燃過(guò)程[6-7]。該反應(yīng)機(jī)理由天津大學(xué)開(kāi)發(fā)，包含40種組分，139個(gè)方程。本文計(jì)算的工況點(diǎn)為爆燃邊界較窄的最大扭矩高轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)。首先基于燃燒室SF1進(jìn)行模型標(biāo)定，標(biāo)定后的缸壓與放熱率如圖2所示。如圖3所示，當(dāng)采用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理時(shí)，放熱率曲線會(huì)出現(xiàn)1個(gè)尖峰。這是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理下的火焰前鋒面比較薄，不會(huì)像使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃髮?duì)前鋒面做平均處理。除此之外，三維計(jì)算得到的缸壓和放熱率與一維結(jié)果吻合。

3?結(jié)果及分析

3.1?爆燃強(qiáng)度計(jì)算

基于燃燒室SF1開(kāi)展不同點(diǎn)火正時(shí)下的爆燃強(qiáng)度對(duì)比。如圖4所示，沿曲軸方向?qū)ΨQ布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)外側(cè)，以及進(jìn)排氣門(mén)之間。如圖5所示，取4號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力曲線進(jìn)行分析，當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)提前，局部壓力曲線波動(dòng)增強(qiáng)，壓力振蕩的幅度變大。采用傅里葉變換和帶通濾波器（4～20 KHz）處理壓力信號(hào)，然后再通過(guò)傅里葉逆變換獲得爆燃對(duì)應(yīng)的振蕩壓力，把對(duì)應(yīng)的振蕩壓力最大值的絕對(duì)值提取出來(lái)，定義為pmax。采用相同的方法對(duì)其余測(cè)點(diǎn)進(jìn)行處理，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的振蕩壓力。如圖6所示，進(jìn)氣門(mén)附近測(cè)點(diǎn)的壓力振蕩峰值略高于排氣門(mén)附近測(cè)點(diǎn)的壓力振蕩峰值。取其中的測(cè)點(diǎn)1和4進(jìn)行分析，如圖7所示湍動(dòng)能云圖可知，靠近測(cè)點(diǎn)1（右側(cè)區(qū)域）的缸內(nèi)湍動(dòng)能比靠近測(cè)點(diǎn)4（左側(cè)區(qū)域）的高。另外，排氣門(mén)盤(pán)面附近的高溫區(qū)域范圍較大。高溫使得分子熱運(yùn)動(dòng)加快，在一定程度上促進(jìn)了火焰?zhèn)鞑?，所以靠近測(cè)點(diǎn)1的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葴y(cè)點(diǎn)4的快（圖8）。測(cè)點(diǎn)4附近由于火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷慈紖^(qū)域容易自燃，所以在相同點(diǎn)火正時(shí)下對(duì)應(yīng)的壓力振蕩峰值較高。

3.2?不同燃燒室爆燃余量和氣耗對(duì)比

采用相同的計(jì)算流程，開(kāi)展第2個(gè)燃燒室SF2的計(jì)算。將爆燃強(qiáng)度（KI）定義為6個(gè)測(cè)點(diǎn)的pmax的平均值，2個(gè)燃燒室的KI隨著點(diǎn)火正時(shí)的變化情況見(jiàn)圖9。隨著火花點(diǎn)火時(shí)刻的提前，爆燃強(qiáng)度逐漸增加，即發(fā)生爆燃的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。從試驗(yàn)獲悉，燃燒室SF1和SF2在點(diǎn)火正時(shí)分別超過(guò)-30 °CA ATDC和-28°CA ATDC時(shí)發(fā)生爆燃。本文把對(duì)應(yīng)的KI=0.138 MPa定義為該工況下的爆燃強(qiáng)度限值。在KI限值條件下，燃燒室SF2的爆燃角度較小，說(shuō)明燃燒室SF2的爆燃余量小于燃燒室SF1，即在相同電控參數(shù)下，燃燒室SF2更容易引發(fā)爆燃。

2個(gè)燃燒室的當(dāng)量化高壓指示氣耗隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如圖10所示。在相同的點(diǎn)火正時(shí)下，燃燒室SF2的氣耗比燃燒室SF1的低。從缸內(nèi)宏觀流動(dòng)來(lái)看，燃燒室SF2的動(dòng)態(tài)渦流比SF1低（圖11），但是滾流比高，對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)湍動(dòng)能也比SF1高（圖12）。由此可知，對(duì)于點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，高渦流比并不能產(chǎn)生較高的湍動(dòng)能，而是需要增加滾流比來(lái)提高缸內(nèi)湍動(dòng)能，進(jìn)而加速火焰?zhèn)鞑ニ俣纫越档蜌夂摹?/p>

如圖13的溫度場(chǎng)對(duì)比顯示，燃燒室SF2的未燃區(qū)域比燃燒室SF1小，說(shuō)明SF2的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?。圖14展示了2個(gè)燃燒室的瞬時(shí)湍動(dòng)能云圖。著火前燃燒室SF2中間區(qū)域的湍動(dòng)能比SF1高。高湍動(dòng)能可以加快燃燒初期的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并改善氣耗。因此，燃燒室SF2的氣耗比SF1更優(yōu)異。但是，2個(gè)方案在擠流區(qū)域內(nèi)的湍動(dòng)能均較低，不利于燃燒后期的火焰?zhèn)鞑ィ┒嘶旌蠚庖装l(fā)生自燃。雖然燃燒室SF2凹坑區(qū)域的湍動(dòng)能高，在一定程度上加快了燃燒初期的火焰?zhèn)鞑?。雖然已燃區(qū)內(nèi)的溫度和壓力有所增加，但是距離火花塞較遠(yuǎn)的區(qū)域湍動(dòng)能較低，燃燒后期火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，末端混合汽受到已燃區(qū)高溫氣體的壓縮和加熱，形成壓力和溫度梯度。當(dāng)末端混合氣達(dá)到特定的熱力學(xué)狀態(tài)時(shí)，容易發(fā)生自燃。綜上所述，燃燒室SF2比SF1更容易產(chǎn)生自燃。

3.3?試驗(yàn)驗(yàn)證

2個(gè)燃燒室方案在最大扭矩低轉(zhuǎn)速工況下的爆燃余量的試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。當(dāng)量化氣耗如圖16所示。試驗(yàn)顯示，燃燒室SF2的爆燃余量比燃燒室SF1的小，對(duì)應(yīng)的當(dāng)量化氣耗比SF1的低。這說(shuō)明，不同燃燒室方案的爆燃余量和氣耗水平的試驗(yàn)值與計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)吻合，也驗(yàn)證了建模流程和方法的合理性。

4?結(jié)論

采用G方程耦合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的方法，對(duì)末端混合氣未燃區(qū)域的自燃過(guò)程進(jìn)行模擬，能夠捕捉到由于末端混合氣局部放熱造成的壓力陡升的現(xiàn)象。在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆燃時(shí)，末端混合氣大面積自燃，發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生壓力振蕩。進(jìn)氣門(mén)附近的壓力振蕩峰值比排氣門(mén)附近的高。隨著火花點(diǎn)火時(shí)刻的提前，爆燃強(qiáng)度逐漸增加，即發(fā)生爆燃的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。本文結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出爆燃強(qiáng)度限值，作為燃燒室性能優(yōu)化的閾值條件。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，不同燃燒室的爆燃余量和氣耗水平的計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的趨勢(shì)吻合，驗(yàn)證了建模流程和方法的合理性。采用仿真分析的手段進(jìn)行燃燒室篩選，協(xié)助進(jìn)行燃燒系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可有效的提高開(kāi)發(fā)效率。

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