雙火花塞對改善大EGR率CNG發(fā)動機性能的仿真研究*

李垂孝　朱昌吉　李君（吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025）

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雙火花塞對改善大EGR率CNG發(fā)動機性能的仿真研究*

李垂孝朱昌吉李君
（吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025）

【摘要】以CNG發(fā)動機為研究對象，利用AVL-FIRE軟件模擬單、雙火花塞不同點火策略對發(fā)動機燃燒過程及性能的影響。結果表明，在轉速為2 840 r/min、75%負荷、25%EGR率、當量比燃燒的條件下，單火花塞點火的最佳點火正時為上止點前65°，雙火花塞最佳點火正時同步點火為上止點前55°，雙火花塞最佳點火正時異步點火分別為上止點前55°～60°；在最佳點火性能下，雙火花塞點火的燃燒持續(xù)期比單火花塞縮短20°，指示功率高2 kW，指示燃油消耗率提高8%。

主題詞：CNG發(fā)動機雙火花塞EGR率當量比燃燒

1　前言

目前，國外低排放、大排量天然氣發(fā)動機為了達到要求，采用當量比+EGR+TWC的技術路線，由于使用當量比燃燒且CNG燃料本身的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷龝沟冒l(fā)動機的熱負荷增加，爆震趨勢增強［1、2］。需要通入大EGR率以降低爆震和控制熱負荷。高EGR率會使得缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M一步降低，使得整機的經(jīng)濟性變差，熱效率降低［3、4］。

國外研究者的研究成果［5～10］表明，雙火花塞點火可以提高工質(zhì)燃燒速度，使發(fā)動機實際循環(huán)更加接近理論循環(huán)曲線，在部分負荷允許通入大EGR率（拓寬燃燒界限），可以有效地降低爆震的發(fā)生等。近年來，國內(nèi)的研究者們［11～13］針對雙火花塞技術在汽油發(fā)動機上對火花塞位置布置、聯(lián)合可變配氣系統(tǒng)、稀薄燃燒等方面進行了相關仿真和試驗研究。

本文以采用當量比+EGR+TWC技術路線的大排量天然氣發(fā)動機為研究對象，仿真研究雙火花塞快速燃燒技術對其性能的改善。

2　CNG發(fā)動機模型建立及校驗

2.1CNG發(fā)動機參數(shù)

研究所用的發(fā)動機是由CA4102汽油機開發(fā)的單一燃料CNG發(fā)動機，其主要參數(shù)見表1。

表1　CNG發(fā)動機參數(shù)

2.2幾何建模及網(wǎng)格劃分

該CNG發(fā)動機燃燒室由許多不規(guī)則、形狀復雜的空間曲面組成，為浴盆型燃燒室。CAD建模過程先是采用樹脂澆鑄燃燒室陽膜，然后掃描出陽膜點云圖，將得到的點云圖利用CATIA軟件進行逆向造型，最后得到燃燒室的封閉曲面，如圖1所示。

圖1燃燒室CAD模型

圖2為用AVL-FIRE軟件中的FEP工具進行燃燒室動網(wǎng)格的劃分，生成的網(wǎng)格區(qū)間是588°～858°（即進氣門關閉至排氣門開啟），其中上止點的網(wǎng)格數(shù)為154 467，858°的網(wǎng)格數(shù)為557 266。

圖2　FEP動網(wǎng)格劃分及體網(wǎng)格

2.3CFD模型選擇及邊界條件設置

AVL-FIRE軟件的計算模型選擇及邊界條件如表2所列。

表2　計算模型選擇及邊界條件設置

2.4模型驗證

在轉速2 840 r/min、75%負荷、過量空氣系數(shù)為1的條件下對該發(fā)動機燃燒過程進行仿真研究，將上止點前30°（690°）單火花塞點火的缸內(nèi)壓力與試驗值進行校驗（圖3）可知，誤差在范圍之內(nèi)，一致性較好。說明所選模型及參數(shù)設置合理，可以進行相關研究。

圖3　模型缸內(nèi)壓力校正型線

3　不同點火策略的點火正時優(yōu)化仿真研究

圖4為雙火花塞位置定義圖示?？芍?，S點為原機火花塞的安裝位置，N點為圖4中豎線的1/4處，即另一火花塞位置，基于此種位置進行不同點火策略的仿真研究。

圖4　雙火花塞位置定義示意

為了進一步研究發(fā)動機單、雙火花塞點火聯(lián)合大EGR率（25%）策略的最佳性能，首先進行優(yōu)化單、雙火花塞點火策略所對應的最佳點火正時，然后針對不同點火策略在匹配最佳點火正時下對CNG發(fā)動機性能進行對比研究。

3.1單火花塞點火在大EGR率下點火正時優(yōu)化

點火正時對點燃式發(fā)動機的功率、燃油消耗率等性能有重要影響，因此對單火花塞在大EGR率、轉速為2 840 r/min、75%負荷條件下根據(jù)CFD軟件的二維輸出相關參數(shù)型線進行點火正時優(yōu)化分析。圖5為單火花塞不同點火正時缸內(nèi)壓力圖?？芍?5%的EGR率抑制了缸內(nèi)工質(zhì)燃燒，使得缸內(nèi)壓力變低，隨著點火正時往前推移，缸內(nèi)壓力升高，峰值后移，原因可由圖6不同點火正時的放熱率型線對比圖進行分析。點火正時提前一方面使得燃燒過程在上止點前的壓縮過程已經(jīng)開始，一方面缸內(nèi)工質(zhì)的放熱率在上止點附近的上升速率非常大，從而使得缸內(nèi)壓力升高；而點火正時推遲的燃燒過程主要集中在上止點之后的膨脹過程，隨著活塞下行，工質(zhì)燃燒放熱率引起的壓力增加不足以彌補活塞下行引起的壓力降低，因此點火正時的推遲使得缸內(nèi)壓力峰值趨近于上止點附近（理想的缸內(nèi)壓力峰值曲軸轉角出現(xiàn)在上止點后12°～15°）。由表3單火花塞點火策略的燃燒特性參數(shù)中可以看出，點火正時從680°提前至650°時，峰值壓力對應曲軸轉角從上止點后5°移至15°，其中在曲軸轉角為655°時缸內(nèi)壓力峰值對應曲軸轉角正好出現(xiàn)在理想位置。不同點火正時的壓力升高率隨著點火正時的不斷提前而增大。由圖6可以看出，放熱率隨著點火正時的提前，放熱率峰值不斷變大，其中點火正時在650°～655°時放熱率型線差別已不明顯。

圖5　單火花塞不同點火正時缸內(nèi)壓力

圖6　單火花塞不同點火正時放熱率

表3　單火花塞點火策略的燃燒特性參數(shù)

圖7單火花塞不同點火角平均溫度顯示的型線變化趨勢同放熱率型線，點火正時的提前可以有效控制燃燒過程后移的情況，從而降低排氣溫度。圖8為單火花塞不同點火正時NO質(zhì)量分數(shù)圖?？芍?，對應于平均溫度對比圖，NO生成情況隨著點火提前角的提前而生成量增多。

圖7　單火花塞不同點火正時平均溫度

圖8　單火花塞不同點火正時NO質(zhì)量分數(shù)

表4所列為單火花塞點火策略的指示性能指標在不同點火正時的指示特性?？芍?，點火正時由680°提前至650°時，CNG發(fā)動機的指示功率及指示熱效率提高23.5%，相應的指示燃油消耗率降低23.5%。指示熱效率的增長率幅度呈現(xiàn)出遞減的趨勢，在點火正時由655°提至650°時其增長率僅不到2%。因此，結合缸內(nèi)壓力峰值對應曲軸轉角的理想?yún)^(qū)間及排放物的生成量，在曲軸轉角655°時為單火花塞點火策略的最佳點火正時。

表4　單火花塞點火策略的指示性能指標

3.2雙火花塞同步點火在大EGR率下點火正時優(yōu)化

對雙火花塞同步點火策略的點火正時優(yōu)化研究進行分析。圖9為不同點火正時的缸內(nèi)壓力對比。可以看出，缸內(nèi)壓力型線對比圖的變化規(guī)律與單火花塞點火策略不同，隨著點火正時的提前，缸內(nèi)壓力峰值增高，其對應曲軸轉角隨之前移。雙火花塞在不同點火正時放熱率（圖10）的規(guī)律同圖9，并且峰值變化率呈降低趨勢。

圖9　同步點火不同點火正時的缸內(nèi)壓力對比

圖10　同步點火不同點火正時的放熱率對比

圖11和圖12為雙火花塞不同點火正時的缸內(nèi)溫度及NO質(zhì)量分數(shù)對比圖?？芍?，缸內(nèi)溫度隨著點火正時的提前而升高，NO生成量增加。表5為雙火花塞同步點火策略的燃燒特性參數(shù)?？芍p火花塞在665°同步點火時，缸內(nèi)峰值壓力為6.98 MPa，其對應的曲軸轉角為上止點后13°，相比于點火正時為650°、655°時所產(chǎn)生的NO量更少，燃燒溫度低，并且缸內(nèi)壓力、放熱率、壓力升高率、峰值相差不大；其相比于點火正時為670°、680°時的缸內(nèi)壓力、放熱率峰值更高，更好的減少了后燃現(xiàn)象。

圖11　同步點火不同點火正時的溫度對比

圖12　同步點火不同點火正時的NO質(zhì)量分數(shù)

表5　雙火花塞同步點火策略的燃燒特性參數(shù)

表6為雙火花塞不同點火正時的動力性及經(jīng)濟性參數(shù)指標。通過仿真計算分析，隨著雙火花塞點火正時的提前，指示功率和指示效率隨之上升，指示燃油消耗率隨之下降，考慮到熱負荷及排放性等因素，在曲軸轉角為665°時為雙火花塞同步點火最佳點火正時。

3.3雙火花塞異步點火在大EGR率下的點火正時優(yōu)化

雙火花塞同步點火策略的最佳點火正時在665°附近，因此對于雙火花塞異步點火策略最優(yōu)點火正時的研究是基于保持一個火花塞（S處）的點火正時為665°，另一火花塞（N處）的點火正時在此基礎上分別提前和推遲5°、10°、15°，以研究其對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程的影響。由CFD軟件的三維輸出結果對兩火花塞左右（SN）點火和右左（N-S）點火的缸內(nèi)壓力曲線等數(shù)據(jù)處理，結果顯示兩種情況所得到的型線及峰值情況相同，因此僅給出一種情況（S-N）下的狀態(tài)。圖13～圖16為雙火花塞異步點火策略在不同點火正時的缸內(nèi)壓力、放熱率、缸內(nèi)平均溫度、NO生成量型線對比圖?？芍p火花塞異步點火策略隨點火正時的變化規(guī)律同雙火花塞同步點火策略。

表6　雙火花塞同步點火的動力性及經(jīng)濟性指標

圖13　異步點火不同點火正時缸內(nèi)壓力對比

圖14　異步點火不同點火正時放熱率對比

表7為雙火花塞異步點火策略燃燒特性分析。可知，D3、D4缸內(nèi)壓力峰值壓力位于理想的曲軸轉角區(qū)間，相比于D5、D6可以取得更高的缸內(nèi)壓力，并保持相對高的壓力升高率，從而較好的改善燃燒，保證整機的動力性；相比于D1、D2，產(chǎn)生的NO量少，平均缸內(nèi)溫度低，即有好的排放性和較低熱負荷。由缸內(nèi)壓力對比圖可知，D3比D4產(chǎn)生的峰值缸內(nèi)壓力高，且在大EGR率下的壓力升高率更大。

圖15　異步點火不同點火正時平均溫度對比

圖16　異步點火不同點火正時NO生成量對比

表7　雙火花塞異步點火策略的燃燒特性參數(shù)

表8為雙火花塞異步點火策略在不同點火正時的動力性及經(jīng)濟性指標數(shù)值分析即點火特性分析?？芍?，指示功率、指示熱效率隨著點火提前角的前移而升高，指示燃油消耗率隨之降低，通過具體數(shù)值可以看出動力性及經(jīng)濟性指標的變化幅度不大，明顯要低于單火花塞、雙火花塞同步點火的變化幅度。665°-655°點火相比于665°-650°點火指示熱效率的變化率不超過1%。其中D3所得到的動力性指標及經(jīng)濟性指標相比于D1、D2情況時相差很少，而比D4～D6的性能更加優(yōu)越。綜合上述分析，在雙火花塞異步點火為665°-660°時為最佳點火正時方案。

4　不同點火策略性能對比分析

在不同點火策略最佳點火正時下（單火花塞點火正時655°、雙火花塞同步點火正時665°、雙火花塞異步點火正時665°-660°）分別對CNG發(fā)動機的燃燒參數(shù)及指標進行對比分析。由圖17和18不同點火策略的缸內(nèi)壓力和放熱率型線對比圖可以得出，雙火花塞點火的放熱率上升速率更快，因此加快了火焰的傳播速度，缸內(nèi)壓力峰值更高，可以改善燃燒質(zhì)量。圖19和圖20為不同點火提前角的缸內(nèi)平均溫度和NO生成量對比圖?？芍?，雙火花塞點火策略較單火花塞點火產(chǎn)生較高的缸內(nèi)溫度，溫度峰值對應的曲軸轉角大大提前，減小了后燃趨勢，25%的EGR率可以極大降低NO的生成量，但由于雙火花塞產(chǎn)生的高溫使NO生成量高于單火花塞。

圖17　不同點火策略缸內(nèi)壓力對比

圖18　不同點火策略放熱率對比

表9為不同點火策略最佳點火正時的燃燒特性參數(shù)。通過數(shù)值計算分析，雙火花塞點火的缸內(nèi)壓力峰值要比單火花塞高27%，溫度峰值對應的曲軸轉角提前20°；而壓力升高率峰值因為點火正時的不同而有所差異，其中雙火花塞異步點火的放熱率峰值最高。

圖19　不同點火策略平均溫度對比

圖20　不同點火策略NO生成量對比

表9　不同點火策略的燃燒特性參數(shù)

表10為不同點火策略對應最佳點火正時的動力性和經(jīng)濟性指標?？芍?5%EGR率、75%負荷、2 840 r/min、當量比為1時雙火花塞點火的指示功率和指示熱效率比單火花塞點火平均高2 kW，經(jīng)濟性提高8%。

表10　不同點火策略的動力性及經(jīng)濟性指標

圖21為不同點火策略對應最佳點火正時的燃燒持續(xù)期柱狀圖對比，單火花塞的燃燒持續(xù)期為48°，雙火花塞同、異步點火的燃燒持續(xù)期在27°～28°。雙火花塞

點火使得燃燒持續(xù)期縮短了20°，加快了CNG火焰的傳播速度，一定程度上降低了非正常燃燒情況的發(fā)生。

圖21　不同點火策略的燃燒持續(xù)期柱狀圖

5　結束語

a.在大EGR率（25%）下，合理的點火正時可以更好的將單、雙火花塞點火策略對CNG發(fā)動機的性能發(fā)揮到最佳，雙火花塞的最佳點火正時比單火花塞點火推遲10°，雙火花塞點火策略的熱負荷高于單火花塞點火策略；

b.點火正時對不同點火策略的影響程度為：單火花塞的影響最大，雙火花塞同步點火次之，雙火花塞異步點火影響最小。

c.雙火花塞點火相比單火花塞點火的指示功率提高2 kW，指示燃油消耗率提高8%，火焰持續(xù)期縮短20°，改善了CNG發(fā)動機性能及燃燒質(zhì)量。

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（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年3月1日。

中圖分類號：U464.174

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0030-07

*基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2008AA11A167）。

通訊作者：朱昌吉，男，教授，E-mail：zhucj@jlu.edu.cn。

Simulation Research on Improvement of CNG Engine Performance under High EGR Rate with Double Spark Plugs

Li Chuixiao，Zhu Changji，Li Jun
（State Key Lab of Automobile Simulation&Control，Jilin University，Changchun 130025）

【Abstract】In this research，we use AVL-FIRE software to simulate different ignition strategies（single and double spark plug ignition）for research combustion process and performance of CNG engine.Results of the research show that at the speed of 2840 r/min，75%load and 25%EGR rate，stoichiometric combustion conditions，the optimum ignition timing of the single spark plug is 65°BTDC（before top dead center），double ignition spark plug is 55°BTDC，the optimum ignition asynchronous ignition of double spark plug is 55°～60°BTDC；Under the optimum ignition performance，ignition combustion duration of double spark plug is shortened 20°than single spark plug，indicated power improved by 2kW，indicated specific fuel consumption increased by 8%.

Key words:CNG engine，Double spark plugs，EGR rate，Stoichiometric combustion