大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同壓縮比的燃燒仿真分析

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

大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同壓縮比的燃燒仿真分析

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

建立了大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型，研究分析壓縮比分別為10.5和11對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。對(duì)比分析仿真結(jié)果可知：隨著壓縮比的升高，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最大缸壓值增加，指示燃油消耗率下降了；同時(shí)壓縮比增加，改善了燃燒過程，火焰?zhèn)鞑ニ俾始涌?，縮短了燃燒持續(xù)期。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；壓縮比；燃燒；發(fā)動(dòng)機(jī)性能

大多數(shù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)都是由汽油機(jī)或柴油機(jī)改裝而來的[1,2]。為了進(jìn)一步分析不同壓縮比對(duì)大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響規(guī)律，本文借助于AVL-Fire軟件分別建立壓縮比10.5、11的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型，對(duì)燃燒過程進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)比結(jié)果，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 三維模型的建立和驗(yàn)證

（1）三維仿真模型的建立。本研究所采用發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)六缸、直列、水冷、四沖程的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比為10.5。將三維模型轉(zhuǎn)換為STL格式導(dǎo)入AVL-Fire中，借助于AVL-Fire中的FEP模塊進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分。圖1即為動(dòng)網(wǎng)格劃分過程中計(jì)算模型的體網(wǎng)格。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型體網(wǎng)格

（2）模型驗(yàn)證。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在轉(zhuǎn)速為1000r/min,點(diǎn)火提前角為28°CA 的試驗(yàn)工況條件下對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，將該工況條件下的模擬缸壓值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。兩者最大缸壓值的誤差小于5%,誤差在允許范圍內(nèi)。因此可以以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行不同壓縮比對(duì)大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程影響的分析。

圖2 缸壓對(duì)比圖

2 不同壓縮比活塞的設(shè)計(jì)

原機(jī)的壓縮比ε=10.5，通過改變活塞頂隙的方法來改變壓縮比，以此保證燃燒室的形狀沒有改變。新的壓縮比ε=11。

3 模擬結(jié)果分析

（1）壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的分析。如圖3即為不同壓縮比的缸壓對(duì)比圖。ε=11時(shí)最高缸壓明顯大于ε=10.5時(shí)最高缸壓值，說明壓縮比增大，燃燒速度加快，缸壓有較大幅度增加。一方面是因?yàn)閴嚎s比增加導(dǎo)致在壓縮終點(diǎn)時(shí)壓力和溫度升高，點(diǎn)火燃燒后缸內(nèi)峰值壓力會(huì)相應(yīng)增加；另一方面由于壓縮比增加，缸內(nèi)燃燒速度加快，缸內(nèi)最高燃燒壓力也會(huì)增加[3-5]。

圖3 不同壓縮比的缸壓對(duì)比圖

對(duì)比分析兩者的指示燃油消耗率可知，當(dāng)ε=11時(shí)，指示燃油消耗率較ε=10.5時(shí)下降了5%。由此可知壓縮比增加，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性得到一定改善。

（2）壓縮比對(duì)燃燒過程的影響。計(jì)算所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)是火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃包含著局部著火和火焰?zhèn)鞑?。其中火焰由一點(diǎn)向四周擴(kuò)散的過程就是溫度場(chǎng)發(fā)生變化的過程[6]。圖4可以明顯觀察到，在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中隨著壓縮比增加，其火焰半徑大，傳播速度快，燃燒速度增快。

圖4 不同壓縮比火焰?zhèn)鞑?duì)比

4 結(jié)論

建立了大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型，研究了不同壓縮比對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）隨著壓縮比的增加，最大缸壓增加，指示燃油消耗率下降,燃油經(jīng)濟(jì)性得到一定改善；

（2）燃燒過程中，壓縮比越大，火焰半徑越大，燃燒速度越快。

[1]王建昕,帥石金.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:345.

[2]Johansson B. Combustion Chambers for Natural Gas SI Engine Part 1 .SAE Paper 950469.

[3]鄭建軍,王金華,王彬,黃佐華,寧德忠,張英佳.壓縮比對(duì)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010,28（01）:20-25.

[4]斯海林,姜在先,王志洪,何義團(tuán).配氣相位和壓縮比對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的模擬研究[J].客車技術(shù)與研究,2013（03）:28-29.

[5]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2102:108.

[6]焦運(yùn)景.稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程研究和燃燒系統(tǒng)開發(fā)[D].天津：天津大學(xué),2009.