何義團(tuán)，周 磊，袁俊勇，邵毅明，鄧 彪

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

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高壓縮比HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)回火工況三維仿真分析

何義團(tuán)，周 磊，袁俊勇，邵毅明，鄧 彪

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

為研究某高壓縮比HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)回火機(jī)理，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)回火工況臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用AVL-Fire軟件建立HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型，對(duì)回火工況進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明：壓縮比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)越容易回火；其他條件不變，較小的點(diǎn)火提前角容易引起回火；由于氣門重疊期較大，壓縮比提高，導(dǎo)致高溫廢氣回流到進(jìn)氣道，這是造成回火的原因之一；排氣沖程末端的無效點(diǎn)火，使得進(jìn)氣門附近的溫度進(jìn)一步提高，加大了回火的趨勢(shì)。

車輛工程；HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)；回火；三維仿真；壓縮比

氫氣是一種清潔可再生燃料，但由于氫氣燃燒溫度高可能會(huì)產(chǎn)生大量NOX排放，因此控制NOX排放成為目前研究氫內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)主要方向[1-2]。天然氣摻氫燃料(HCNG)，是將氫氣與天然氣按照一定比例混合而成的車用氣體燃料。天然氣摻氫后可以提高燃燒速度，拓寬稀燃極限，容易實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒[3]，降低溫室氣體排放[4-5]。因此，天然氣摻氫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)將是氫能在燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最有前途和最具可行性的方式[6]。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮比提高后，HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的負(fù)荷條件下便發(fā)生回火現(xiàn)象。為了研究高壓縮比條件下HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的回火機(jī)理，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用AVL-Fire軟件分別建立壓縮比為10，11的HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型，對(duì)回火工況進(jìn)行仿真計(jì)算，從而分析高壓縮比條件下HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)回火機(jī)理，為HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)提供一定的理論優(yōu)化依據(jù)。

1 回火工況試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)用原機(jī)為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗(yàn)設(shè)備參見文獻(xiàn)[7]。該發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)采用DELPHI公司ITMS-6F電控單元，該電控系統(tǒng)采用了兩缸同時(shí)點(diǎn)火的無分電器點(diǎn)火技術(shù)，分組的兩氣缸同時(shí)點(diǎn)火的時(shí)候，其中一缸是在接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)發(fā)火(有效點(diǎn)火)，另一缸是在接近排氣上止點(diǎn)時(shí)發(fā)火(無效點(diǎn)火)[8]。

表1 天然氣原發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

表2顯示了不同壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況。點(diǎn)火提前角從28°CA BTDC變到16°CA BTDC，間隔2°CA BTDC。工況穩(wěn)定后，測(cè)量缸壓、排放和動(dòng)力性參數(shù)。

表2 不同壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓縮比越高發(fā)動(dòng)機(jī)越容易發(fā)生回火。當(dāng)ε=11，n=1 600 r/min，MAP=90 kPa，θig=16°CA BTDC，φa=1.6時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生回火現(xiàn)象，如圖1中星號(hào)標(biāo)記。

圖1 功率隨點(diǎn)火提前角變化曲線

2 仿真模型建立及驗(yàn)證

2.1 HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型的建立

從發(fā)動(dòng)機(jī)Pro/E裝配模型里取出單個(gè)缸體的計(jì)算域，分別建立ε=10，11時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)循環(huán)幾何模型。共分為4種(圖2)：①進(jìn)氣道+排氣道+氣缸(氣門重疊期)；②進(jìn)氣道+氣缸(進(jìn)氣門開，排氣門關(guān))；③氣缸(進(jìn)、排氣門均關(guān))；④排氣道+氣缸(進(jìn)氣門關(guān)，排氣門開)。轉(zhuǎn)換為STL面網(wǎng)格格式導(dǎo)入AVL-Fire中，再利用Fame Engine Plus(FEP)自動(dòng)網(wǎng)格生成工具建立發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)循環(huán)進(jìn)氣道-氣缸-排氣道的動(dòng)態(tài)計(jì)算網(wǎng)格。

采用Fire中的GUI Solver做燃燒模擬。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)得到模擬所需的邊界條件，主要邊界條件見表3。筆者選用k-ε雙方程模型作為湍流模擬、CFM-2A模型作為燃燒模擬、簡化火花塞點(diǎn)燃模型作為點(diǎn)火模型以及Zeldovich NOxModel (AVL)作為NOx排放模擬。

圖2 不同曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)時(shí)的體網(wǎng)格

Table 3 Boundary conditions/K

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，選擇2種典型工況，具體數(shù)據(jù)見表4。為了保證模擬計(jì)算的精度以及加速收斂速度，這就要求初始條件的設(shè)定需要與計(jì)算工況相匹配，并盡量與實(shí)際相接近。

表4 工況點(diǎn)數(shù)據(jù)

將工況1和工況2的模擬缸壓值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖3。2種工況的模擬值與試驗(yàn)值的誤差均小于5%，模擬缸壓最大值比試驗(yàn)缸壓略低。因?yàn)閹缀文Ｐ?、進(jìn)氣過程計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)性的燃燒模型等緣故，誤差在所難免，但趨勢(shì)基本符合，這說明此模型基本適用于HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣形成和燃燒的三維模擬研究。

圖3 工況1和工況2缸壓曲線

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

為了研究壓縮比對(duì)回火過程的影響，分析工況1和工況2缸內(nèi)溫度和流場(chǎng)分布情況，選取355，360°CA兩個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角為代表。其中切片截面是沿著曲軸軸向方向，如圖4。

圖4 切片截面方向

3.1 壓縮比對(duì)回火過程的影響

在氣門重疊期，氣道及缸內(nèi)流動(dòng)的變化較為劇烈，圖5給出了工況1和工況2在355°CA曲軸轉(zhuǎn)角下進(jìn)、排氣道及缸內(nèi)速度矢量流場(chǎng)截面圖。從圖5可以看出，最大速度出現(xiàn)在氣門喉口處附近，并且排氣道和缸內(nèi)的廢氣向進(jìn)氣道中倒流，如圖5(c)。這是因?yàn)闅忾T重疊期較大，并且進(jìn)氣初期排氣道、氣缸與進(jìn)氣道之間存在較大的壓差，從而出現(xiàn)了排氣回流到進(jìn)氣道中的現(xiàn)象。隨著進(jìn)氣門開度的增加，進(jìn)氣量逐漸增加，進(jìn)氣道與缸內(nèi)壓力逐漸趨于一致，排氣倒流現(xiàn)象逐漸減弱。還可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣初期回流氣體沿著進(jìn)氣門桿壁流動(dòng)，并且進(jìn)氣門桿壁附近流速較大，這是因?yàn)檫M(jìn)氣初期進(jìn)氣門開度較小(355°CA，0.567 mm)，并且缸內(nèi)壓力比進(jìn)氣道壓力高，此時(shí)進(jìn)氣門桿壁起到了導(dǎo)流的作用。

圖5 工況1和工況2在355°CA曲軸轉(zhuǎn)角下流場(chǎng)分布

圖6給出了工況1和工況2在360°CA曲軸轉(zhuǎn)角下進(jìn)、排氣道及缸內(nèi)溫度場(chǎng)的軸向截面圖。從圖6中可以看出，工況2缸內(nèi)和排氣道溫度比工況1高，并且在進(jìn)氣門進(jìn)口處出現(xiàn)了回火現(xiàn)象。這是因?yàn)檫M(jìn)氣初期活塞處于排氣壓縮沖程末端，且進(jìn)、排氣門開度均較小，壓縮比越大，缸內(nèi)廢氣受擠壓程度越高，從而提高了缸內(nèi)溫度；隨著高溫廢氣回流到進(jìn)氣道中，使新鮮工質(zhì)受熱達(dá)到著火界限，從而大大增加了回火的可能性。

圖6 工況1和工況2在360°CA曲軸轉(zhuǎn)角下溫度分布

3.2 無效點(diǎn)火對(duì)回火過程的影響

結(jié)合ITMS-6F電控單元的工作原理，當(dāng)試驗(yàn)工況點(diǎn)火提前角為16°CA BTDC時(shí)，可以計(jì)算出無效點(diǎn)火的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)為344°CA。圖7給出了工況2在360°CA曲軸轉(zhuǎn)角下進(jìn)、排氣道及缸內(nèi)溫度場(chǎng)的軸向截面圖。圖7(a)不考慮無效點(diǎn)火的影響，圖7(b)考慮無效點(diǎn)火的影響。可以看出，圖7(b)中進(jìn)氣門處出現(xiàn)了回火現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生無效點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生高能火花，使進(jìn)氣門附近溫度升高，隨著排氣道和缸內(nèi)高溫氣體向進(jìn)氣道中回流，回流氣體將高能火花吹入進(jìn)氣道中，從而增加新鮮工質(zhì)被點(diǎn)燃發(fā)生回火的可能性。

圖7 工況2在360°CA曲軸轉(zhuǎn)角下溫度分布

通過圖7可以看出，高壓縮比條件下HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)回火是壓縮比和無效點(diǎn)火共同作用的結(jié)果。

4 結(jié) 論

利用AVL-Fire建立HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，結(jié)合回火工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)回火機(jī)理，得到如下結(jié)論：

1) 臺(tái)架試驗(yàn)表明，壓縮比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)越容易回火。其他條件不變，較小的點(diǎn)火提前角容易引起回火。

2) 仿真結(jié)果表明，由于氣門重疊期較大，壓縮比提高，導(dǎo)致高溫廢氣回流到進(jìn)氣道，這是造成回火的原因之一。

3) 由于排氣沖程末端的無效點(diǎn)火，進(jìn)一步提高了進(jìn)氣門附近的溫度，從而加大了回火的趨勢(shì)。

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3-D Simulation Analysis on Backfire Conditions of HCNG Engine with High Compression Ratio

He Yituan, Zhou Lei, Yuan Junyong, Shao Yiming, Deng Biao

(School of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to research the backfire mechanism of one HCNG engine with high compression ratio, an experiment of backfire conditions was carried out. On the basis of the engine specifications and experimental data, a 3-D model of HCNG engine was established by AVL-Fire software, which made the simulation calculation of backfire conditions. The test and simulation results show that, the engine is easier to backfire at the condition of higher compression ratios; if other conditions keep unchanged, backfire is likely to happen when the ignition advanced angle is closer to top dead center (TDC); large valve overlap and high compression ratio cause the waste gas with high temperature back flow to the intake ports, which is one of the causes of backfire; the invalid ignition close to the TDC of exhaust stroke increases the gas temperature near the intake valve, which raises the backfire trend.

vehicle engineering; HCNG engine; backfire; 3-D simulation; compression ratio

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.30

2013-03-13；

2013-05-31

重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2012jjA90012)；重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目(20130126)

何義團(tuán)(1977—)，男，四川旺蒼人，教授，博士， 主要從事代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方面的研究。E-mail: heyituan@163.com。

U464.173

A

1674-0696(2015)01-140-04