施東曉，郭立新，鐘 博，姚春德

(1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司無(wú)錫油泵油嘴研究所，無(wú)錫 214063)

0 概述

積極發(fā)展內(nèi)燃機(jī)清潔替代燃料是應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境問(wèn)題的重要措施之一。天然氣具有儲(chǔ)量豐富、燃燒清潔、辛烷值高、成本低等特點(diǎn)，是理想的替代燃料[1-3]。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[4-6]。目前中重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)選擇當(dāng)量比燃燒路線達(dá)到國(guó)六排放限值[7]，與稀燃相比，采用當(dāng)量比燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度高，熱效率低，并且高負(fù)荷時(shí)存在明顯爆震傾向[8]。研究表明，高壓冷卻廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation， EGR)技術(shù)是降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷并抑制爆震傾向的有效措施[9-11]，但再循環(huán)廢氣的添加使得燃燒速度減慢，燃燒相位后移，發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力下降，通過(guò)提前點(diǎn)火可以使得燃燒相位提前以保證燃料的做功能力[12]。目前對(duì)EGR的研究主要集中于柴油機(jī)或進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)，關(guān)于EGR率及點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)當(dāng)量比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程影響的研究較少。

數(shù)值模擬技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮顯著作用，一維熱力學(xué)計(jì)算模型能夠?qū)φ麢C(jī)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，但對(duì)于缸內(nèi)燃燒過(guò)程的計(jì)算主要采用零維或準(zhǔn)維燃燒模型，計(jì)算精度不如三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件。本研究中針對(duì)某臺(tái)當(dāng)量比燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提升要求，采用三維CFD與一維熱力學(xué)計(jì)算相結(jié)合的方式，分析EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻的協(xié)同作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排溫的影響規(guī)律，在滿足動(dòng)力性與排溫限值的條件下尋求EGR率與點(diǎn)火時(shí)刻的最優(yōu)組合，并進(jìn)一步挖掘該發(fā)動(dòng)機(jī)提升功率的潛力，為中重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 一維計(jì)算模型

研究機(jī)型為進(jìn)氣管單點(diǎn)噴射的預(yù)混合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，新鮮空氣、天然氣和再循環(huán)廢氣分別在混合器混合后經(jīng)進(jìn)氣總管、穩(wěn)壓腔及進(jìn)氣歧管進(jìn)入各個(gè)氣缸[13]。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，采用GT-SUITE軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)一維熱力學(xué)計(jì)算模型，包括渦輪增壓中冷系統(tǒng)、EGR中冷系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)和氣缸等。在模型標(biāo)定時(shí)，一維計(jì)算的燃燒模型由試驗(yàn)缸壓曲線反推得到的放熱率直接定義。

首先根據(jù)外特性多個(gè)全負(fù)荷工況進(jìn)行一維模型標(biāo)定，如圖1所示，功率、轉(zhuǎn)矩、空氣流量、有效燃料消耗率(brake specific fuel cansumption, BSFC)、EGR率和渦前溫度(排溫)的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，表明所構(gòu)建的一維計(jì)算模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，能夠用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)測(cè)并為缸內(nèi)三維燃燒計(jì)算提供邊界條件。

圖1 一維計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

1.2 三維計(jì)算模型

圖2 三維燃燒計(jì)算模型及網(wǎng)格示意圖

模型的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為4 mm，氣道、氣門和火花塞附近的網(wǎng)格尺寸分別為2.0 mm、1.0 mm和 0.5 mm，缸內(nèi)根據(jù)燃燒時(shí)的溫度梯度進(jìn)行網(wǎng)格2級(jí)自適應(yīng)加密，圖2(b)為活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格。計(jì)算周期覆蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)的1個(gè)工作循環(huán)，進(jìn)排氣的壓力、溫度瞬態(tài)邊界條件由一維模型提供，進(jìn)排氣的氣體組分根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算得到。

圖3為外特性最大轉(zhuǎn)矩工況和標(biāo)定功率工況下計(jì)算所得的缸內(nèi)壓力與試驗(yàn)值的對(duì)比。計(jì)算的缸內(nèi)壓力與試驗(yàn)所測(cè)壓力吻合良好，計(jì)算得到的放熱率曲線與由試驗(yàn)缸壓得到的放熱率曲線也有較好的一致性，表明所建立的三維燃燒模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，能夠用于開(kāi)展缸內(nèi)燃燒分析。

圖3 缸壓、放熱率曲線對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果與分析

缸內(nèi)壓力和放熱率反映了缸內(nèi)的燃燒過(guò)程，燃燒重心(CA50)、燃燒持續(xù)期(CA10—CA90)是表征燃燒放熱規(guī)律的兩個(gè)重要特征參數(shù)。CA50定義為循環(huán)累積放熱量達(dá)到總放熱量50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，CA10和CA90同理；CA10—CA90定義為從循環(huán)累積放熱量為總放熱量的10%到90%之間對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔。CA50和燃燒持續(xù)期會(huì)密切影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、最高燃燒壓力、缸內(nèi)燃燒溫度等。EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻共同控制著缸內(nèi)的燃燒過(guò)程。

當(dāng)量比燃燒的中重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)存在熱負(fù)荷較高的問(wèn)題，限制了其壓縮比和功率的提升。由圖1可知標(biāo)定功率工況(1 900 r/min)的渦前溫度最高，以下針對(duì)該工況展開(kāi)分析和討論。首先，基于三維CFD軟件分別研究點(diǎn)火時(shí)刻相同而EGR率不同及EGR率相同而點(diǎn)火時(shí)刻不同時(shí)的燃燒規(guī)律。然后，將三維燃燒計(jì)算得到的放熱率作為一維模型缸內(nèi)燃燒的放熱規(guī)律，基于一維模型分析不同EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻的組合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，進(jìn)而探索發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升的潛力。

2.1 EGR率對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響

保持點(diǎn)火時(shí)刻(-9.5°)及每循環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)空氣和燃?xì)饬肯嗤那闆r下，分析EGR率對(duì)燃燒的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。由于是當(dāng)量比燃燒，空氣和燃?xì)獾倪M(jìn)氣量一定，需調(diào)整進(jìn)氣壓力以獲得不同的EGR率，因此在點(diǎn)火之前，EGR率高的工況缸內(nèi)壓力也高。再循環(huán)廢氣中的惰性氣體CO2和N2的稀釋效應(yīng)可以降低缸內(nèi)氧濃度，使有氧氣參與的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率降低，從而降低燃料的燃燒速率。另外，再循環(huán)廢氣中CO2和H2O的比熱容較高，進(jìn)入氣缸后使得缸內(nèi)混合氣的比熱容增大，能夠吸收更多燃料燃燒釋放的熱量。隨著EGR率的增大，廢氣的稀釋作用和熱容效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，二者對(duì)缸內(nèi)混合氣燃燒的抑制作用也隨之增強(qiáng)。

圖4 不同EGR率下缸內(nèi)壓力、放熱率和缸內(nèi)平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖5 EGR率對(duì)燃燒相位的影響

圖6 EGR率對(duì)缸內(nèi)平均溫度、燃燒持續(xù)期、最大壓升率和最高燃燒壓力的影響

由圖可知，點(diǎn)火之后缸內(nèi)壓力、放熱率及缸內(nèi)平均燃燒溫度的峰值均隨著EGR率的增大而減小，燃燒相位隨著EGR率的增大而推遲。EGR率從4.5%增大到24.5%時(shí)，最高燃燒壓力下降了2.52 MPa，最大壓升率下降了0.398 MPa/(°)，燃燒重心推遲了8.3°，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)了5.2°，排氣門開(kāi)啟時(shí)刻(曲軸轉(zhuǎn)角130°)的缸內(nèi)平均溫度下降了116 ℃，因此增大EGR率有助于降低排氣溫度。

在燃燒室結(jié)構(gòu)和點(diǎn)火時(shí)刻相同的情況下，燃燒速率取決于火焰的傳播速度，溫度場(chǎng)分布可以反映火焰的傳播情況。圖7對(duì)比了EGR率分別為8.5%、16.5%和24.5%，曲軸轉(zhuǎn)角為0°、5°和10°時(shí)的溫度場(chǎng)，圖中高溫區(qū)域和低溫區(qū)域的交界面為火焰前鋒面。由圖7可以看出EGR率越小火焰?zhèn)鞑ピ娇欤虼巳紵俣雀?，放熱更加集中?/p>

注意到在B中包含i的成員有26個(gè),i=1,2;在B中包含j的成員有29個(gè),j=3,4,5,6。我們有每個(gè)C(ui)至少包含3種顏色,故C(X)?B2∪B3, C(X)∪C(Y)?B,有10+n≤48,可得:n≤38,因此當(dāng)39≤n≤48時(shí),B中的成員不能區(qū)分X和Y中的(10+n)個(gè)頂點(diǎn),得出矛盾。以下僅考慮當(dāng)31≤n≤38的情況。

圖7 不同EGR率時(shí)的溫度場(chǎng)

2.2 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響

在EGR率均為20.5%且缸內(nèi)進(jìn)氣量相同的情況下，分析點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)燃燒的影響，計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示。點(diǎn)火時(shí)刻影響著燃燒相位，從而影響最高燃燒壓力及指示功。隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，最高燃燒壓力、最大壓升率和放熱率峰值均下降，燃燒重心后移，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)。

圖8 不同點(diǎn)火時(shí)刻下缸內(nèi)壓力、放熱率和缸內(nèi)平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖9 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)燃燒相位的影響

圖10 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)平均溫度、燃燒持續(xù)期、最大壓升率和最高燃燒壓力的影響

點(diǎn)火時(shí)刻從-14.5°推遲到-4.5°時(shí)，最高燃燒壓力下降了3.3 MPa，最大壓升率下降了0.22 MPa/(°)，燃燒重心推遲了9.1°，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)了4.2°。排氣門開(kāi)啟時(shí)刻的缸內(nèi)平均溫度增加了88 ℃，這是因?yàn)槿剂峡偡艧崃肯嗤?，推遲點(diǎn)火導(dǎo)致燃燒相位靠后，燃料對(duì)外做功減少，排氣帶走的能量增加。反之，提前點(diǎn)火有助于降低排氣溫度。

2.3 EGR率及點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)燃燒和排溫的影響

增大EGR率和提前點(diǎn)火均可降低燃燒溫度，是降低發(fā)動(dòng)機(jī)排溫的有效措施。但EGR率過(guò)大會(huì)造成燃燒速率過(guò)慢，發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力下降，甚至?xí)惺Щ痫L(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻太靠前，在壓縮沖程末期缸內(nèi)溫度和壓力大幅增加，在接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)即開(kāi)始燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)形成更高的混合氣溫度、壓力和振動(dòng)，引起了振動(dòng)波的傳播和瞬間點(diǎn)火，造成較高的缸內(nèi)壓力和爆震[15]，因此EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻需要限定在正常的范圍內(nèi)。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率工況，采用三維燃燒計(jì)算耦合發(fā)動(dòng)機(jī)一維熱力學(xué)模型，開(kāi)展不同EGR率及點(diǎn)火時(shí)刻的組合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性和排溫的影響的研究。其中，一維GT模型缸內(nèi)燃燒的放熱規(guī)律由三維燃燒計(jì)算得到的放熱率給定；另外一維計(jì)算時(shí)保證不同EGR率或點(diǎn)火時(shí)刻采用相同的空氣和燃?xì)膺M(jìn)氣量。

圖11對(duì)比了一維計(jì)算和三維計(jì)算的缸壓和放熱率曲線(EGR率20.5%、點(diǎn)火時(shí)刻-9.5°)，一維計(jì)算和三維計(jì)算結(jié)果高度吻合。表1統(tǒng)計(jì)了單缸一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)各個(gè)邊界散熱量相對(duì)燃料總放熱量的比值，可以看出一維計(jì)算和三維計(jì)算的缸內(nèi)各部分散熱量占比的差別在0.5%以內(nèi)，缸內(nèi)和進(jìn)排氣總散熱量占比差別在1.0%以內(nèi)，表明一維計(jì)算的缸內(nèi)散熱與三維計(jì)算基本一致。

表1 散熱量占比統(tǒng)計(jì)

圖11 一維和三維計(jì)算的缸內(nèi)壓力和放熱率對(duì)比

圖12為EGR率為20.5%時(shí)不同點(diǎn)火時(shí)刻下的最高燃燒壓力、最大壓升率、燃燒重心和指示熱效率。由圖12可以看出一維計(jì)算與三維計(jì)算的結(jié)果吻合良好。綜上所述，一維計(jì)算的總散熱、主要燃燒特征參數(shù)與三維計(jì)算的結(jié)果相符，表明基于該一維模型能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性和排溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖12 一維和三維模型的最高燃燒壓力、最大壓升率、燃燒重心和指示熱效率對(duì)比

圖13為不同EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻組合時(shí)的計(jì)算結(jié)果。由圖13可知，最高燃燒壓力和最大壓升率均隨著EGR率的減小和點(diǎn)火時(shí)刻的提前而增大，燃燒重心則相反。

圖13 不同EGR率及點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排溫的影響(原機(jī)標(biāo)定功率)

渦前溫度隨著EGR率的減小和點(diǎn)火時(shí)刻的推遲而增大。相同點(diǎn)火時(shí)刻下發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨EGR率的增大先增大后減小，BSFC的變化規(guī)律則與功率的變化規(guī)律相反。因此在進(jìn)氣量相同的前提下，適當(dāng)增大EGR率和提前點(diǎn)火有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和經(jīng)濟(jì)性。

EGR率超過(guò)23%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有失火風(fēng)險(xiǎn)，渦前溫度高于760 ℃不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性，最大壓升率超過(guò)0.7 MPa/(°)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴[16]，容易發(fā)生爆震(正常工作一般在0.5 MPa/(°)以內(nèi))。以上述3個(gè)因素及原機(jī)標(biāo)定功率作為限制條件，可將EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)功率的影響劃分為圖13(e)所示的區(qū)域。圖13(e)中①和②分別代表最大壓升率為0.5和0.7 MPa/(°)的等值線，③、④和⑤分別為渦前溫度760 ℃、EGR率23%及相對(duì)原機(jī)標(biāo)定功率為0的等值線。當(dāng)EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻的組合位于由曲線①、⑤和④圍成的區(qū)域內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足排溫要求，避免爆震或失火風(fēng)險(xiǎn)的前提下具有較好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)EGR率接近23%、點(diǎn)火時(shí)刻在-18°附近時(shí)(圖13(e)中五角星示意)發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC最低，比原機(jī)標(biāo)定功率工況的BSFC降低 4 g/(kW·h)，功率提升7.4 kW。

由圖13(e)可知，原機(jī)標(biāo)定功率工況的渦前溫度距離760 ℃的排溫限值有較大余量，有進(jìn)一步提升功率的潛力。保持空燃比不變，空氣和燃?xì)獾倪M(jìn)氣量同時(shí)增加11.6%可將發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率提升36 kW。

采用相同的方法計(jì)算得到不同EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)該功率下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排溫的影響，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。最高燃燒壓力、最大壓升率、燃燒重心和渦前溫度的變化規(guī)律與功率提升之前的規(guī)律相似，但在相同EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻的情況下，功率提升后由于缸內(nèi)進(jìn)入更多的燃料并釋放更多的熱量，因此最高燃燒壓力、最大壓升率和渦前溫度均比功率提升之前更高。以最大壓升率0.5和0.7 MPa/(°)、渦前溫度760 ℃、EGR率23%及相對(duì)原機(jī)標(biāo)定功率提升36 kW的等值線作為邊界(圖中曲線①～⑤)，可將EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)功率的影響劃分為圖14(e)所示的區(qū)域。當(dāng)EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻的組合位于由曲線①、③、⑤和④圍成的區(qū)域內(nèi)時(shí)，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率提升36 kW，渦前溫度小于760 ℃且最大壓升率小于0.5 MPa/(°)的條件要求，此時(shí)EGR率需大于19%，點(diǎn)火時(shí)刻需早于-10.5°。

圖14 不同EGR率及點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排溫的影響(標(biāo)定功率提升36 kW)

開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率提升36 kW的試驗(yàn)，結(jié)果如圖15所示，標(biāo)定功率工況的EGR率為19%，CA50提前，渦前溫度小于760 ℃。其他轉(zhuǎn)速的渦前溫度也小于760 ℃。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)了熱沖擊試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)，可靠性得到了驗(yàn)證。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率提升36 kW的試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 點(diǎn)火時(shí)刻相同時(shí)，隨著EGR率的增大，燃燒相位后移，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，放熱率峰值減小，最大壓升率、缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高平均燃燒溫度均降低，再循環(huán)廢氣的稀釋作用和熱容效應(yīng)能夠抑制混合氣的燃燒。

(2) EGR率相同時(shí)，隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，最大壓升率、缸內(nèi)壓力和放熱率峰值均增大，燃燒重心前移，燃燒持續(xù)期縮短，排氣溫度降低。

(3) EGR率和點(diǎn)火時(shí)刻是控制燃燒的主要因素，排溫隨EGR率的增大和點(diǎn)火時(shí)刻的提前而降低?？諝夂腿?xì)饬坎蛔儠r(shí)，EGR率增大至23%，點(diǎn)火時(shí)刻提前至-18°能夠?qū)⒃瓩C(jī)標(biāo)定功率提升7.4 kW，有效燃料消耗率降低4 g/(kW·h)。

(4) 當(dāng)空氣和燃?xì)膺M(jìn)氣量增加11.6%，EGR率大于19%，點(diǎn)火時(shí)刻早于-10.5°時(shí)，可將原機(jī)標(biāo)定功率提升36 kW并將排溫控制在760 ℃以內(nèi)。試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)了標(biāo)定功率提升36 kW后的熱沖擊和耐久試驗(yàn)，可靠性得到了驗(yàn)證。