桑海浪，姜淑君，李志杰

(1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 南寧 530007；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

世界正面臨著嚴重的能源危機和環(huán)境污染的全球性問題，這些問題推動著內(nèi)燃機的技術(shù)進步，其中包括先進的燃燒策略，以期望在提高內(nèi)燃機的熱效率的同時減少污染物的排放。稀薄燃燒策略作為一種低溫燃燒技術(shù)，可以減少排放，同時提高燃料效率[1-3]。降低燃料的消耗意味著減少二氧化碳排放。 然而，稀薄燃燒發(fā)動機存在著由高度稀釋的混合物引起的燃燒不穩(wěn)定性問題。因此，研究人員提出了各種增強點火方法來提高稀薄燃燒發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，如預(yù)燃室點火系統(tǒng)[4]、等離子輔助點火[5]和微波火花點火[6]。在這些技術(shù)中，預(yù)燃室式湍流射流點火燃燒系統(tǒng)備受關(guān)注，因為這種燃燒技術(shù)具有改善稀燃發(fā)動機燃燒特性的巨大潛力。

射流引燃的概念首先在1950年代被Nikolai Nikolaievich Semenov[7]提出，經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，基于現(xiàn)代化的控制手段和已有硬件，MAHLE公司[8]提出了高可靠性的預(yù)燃室設(shè)計，并命名為湍流射流點火(Turbulent Jet Ignition，TJI)，其預(yù)燃室體積占比約為2%，預(yù)燃室的輔助燃料能量占比也約為2%。美國MAHLE公司、美國國家研究委員會和美國空軍聯(lián)合對湍流射流著火系統(tǒng)展開研究，對預(yù)燃室湍流射流點火模式下的爆震極限范圍進行試驗，結(jié)果表明，該技術(shù)可以將發(fā)動機的壓縮比提高2～3個單位而不引起爆震，這對內(nèi)燃機提升熱效率具有非?？捎^的潛力[9]。

一些研究人員使用仿真模擬的方式對湍流射流點火系統(tǒng)進行了研究。大連理工大學(xué)曲闖[10]對天然氣發(fā)動機的預(yù)燃室內(nèi)部的燃料混合過程進行了模擬研究，結(jié)果顯示，預(yù)燃室內(nèi)部直噴燃料具有較高速度并傳播到整個預(yù)燃室，增強了湍流強度。江蘇大學(xué)陳良[11]模擬研究發(fā)現(xiàn)，燃燒速度與預(yù)燃室內(nèi)部混合氣的濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。Shah等[12]的模擬研究表明，射流火焰與主燃室混合氣有較強的相互作用。

綜上所述，預(yù)燃室式湍流射流點火燃燒技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，但是湍流射流火焰的燃燒過程極其復(fù)雜，影響其燃燒特性的因素較多，因此需要進一步探究。在本研究中，模擬實現(xiàn)稀薄混合氣下的湍流射流點火模式與傳統(tǒng)火花塞點火模式，并且通過缸內(nèi)壓力曲線、燃燒內(nèi)部冷場的速度場和濃度場、燃燒溫度場和湍動能對湍流射流點火燃燒特性進行分析，以期對湍流射流點火技術(shù)在發(fā)動機上應(yīng)用提供參考。

1 仿真模型的構(gòu)建

試驗中使用了4缸進氣道噴射汽油機，其基本參數(shù)見表1。

表1 汽油機的基本參數(shù)

1.1 發(fā)動機三維模型的建立

本研究的數(shù)值仿真研究基于Converge軟件，在UG三維建模軟件中建立了試驗發(fā)動機的幾何模型，并將幾何模型保存為STL格式文件導(dǎo)入到Converge中以獲得發(fā)動機模型的表面文件，其結(jié)果見圖1。

在湍流射流點火系統(tǒng)中，預(yù)燃室體積約為1.05 cm3(約占主燃燒室體積的1.8%)，預(yù)燃室通過6個直徑為1.6 mm的噴孔與主燃室相連接。選用RNGk-ε湍流模型描述缸內(nèi)湍流，選用KH-RT噴霧破碎模型來描述液滴的生成、脫落和破裂為更小的液滴[13]。主要的影響參數(shù)包括：KH模型破碎特征時間系數(shù)，其控制一次破碎過程的快慢，本研究中設(shè)置為7.0；RT模型破碎特征時間系數(shù)，其控制二次破碎的快慢，本研究中設(shè)置為1.0；RT模型破碎長度系數(shù)，該值越小，二次破碎進行越早，本研究中設(shè)置為1.0。碰撞模型為NTC模型，蒸發(fā)模型為Frossling模型。采用異辛烷和正庚烷來代替汽油燃料，選用詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)燃燒模型(SAGE)，選用152個反應(yīng)的骨架機理[14]，在求解流體動力學(xué)的同時進行化學(xué)反應(yīng)的求解，針對預(yù)混合燃燒具有較高的模擬準確性。

基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為4 mm，在燃燒室內(nèi)部采用2級固定加密，在此基礎(chǔ)上增加自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)，通過設(shè)置速度梯度(1.0 m/s)和溫度梯度(2.5 K)限制在需求的時間內(nèi)進行自動化網(wǎng)格加密與粗化，最小網(wǎng)格大小為0.25 mm。

1.2 模型驗證

通過試驗結(jié)果對仿真模型計算結(jié)果進行驗證(見圖2)。發(fā)動機運行工況為轉(zhuǎn)速3 000 r/min，點火時刻-15°，主燃室分別為當量比燃燒和稀薄燃燒。在仿真模型中，噴油時刻為-440°，進氣門開啟時刻為-410°，排氣門開啟時刻為120°，模型從噴油時刻開始計算直到排氣門開啟。從結(jié)果中可以觀察到數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在壓縮階段和燃燒階段均在誤差范圍內(nèi)，因此可以依據(jù)此模型進行研究工作。

圖2 數(shù)值模擬與試驗結(jié)果的對比

1.3 模擬案例工況

本研究探究湍流射流點火的燃燒特性，并與傳統(tǒng)火花塞點火方式進行比對。根據(jù)在預(yù)燃室內(nèi)部有無輔助燃料供給，可以將湍流射流點火模型分為兩類，一類為無輔助燃料，一類為附帶輔助燃料。表2示出了本研究的模擬仿真工況參數(shù)，其中案例1～3為傳統(tǒng)火花塞點火，案例4～6為無輔助燃料的湍流射流點火，案例7～11為附帶輔助燃料的湍流射流點火。設(shè)置主燃室混合氣濃度(λmain)分別為1.0,1.25和1.5，用于探究稀薄燃燒下的燃燒特性。在附帶輔助燃料情況下，設(shè)置預(yù)燃室混合氣濃度(λpre)來探究其對燃燒特性的影響，預(yù)燃室內(nèi)部噴油壓力為5 MPa，噴油時刻為進氣門關(guān)閉后，點火能量設(shè)置為120 mJ。

表2 模擬仿真工況

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 燃燒特性分析

首先通過壓力曲線對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒特性進行分析。圖3示出了在混合氣濃度λmain分別為1.0,1.25和1.5情況下主燃室壓力曲線和放熱率曲線的變化。在λmain=1.0的情況下，在預(yù)燃室內(nèi)無輔助噴油情況下，預(yù)燃室內(nèi)部的混合氣與主燃室相同。在湍流射流點火情況下，壓力曲線升高明顯提前，并通過放熱率曲線可以觀察到湍流射流點火的燃燒速度快于傳統(tǒng)點火方式，這是由于從預(yù)燃室噴出的熱射流形成了多點分布的點火源，加速了主燃室混合氣的燃燒。除此之外，熱射流在噴孔處具有較高的燃燒速度，也加速了混合氣的消耗。從預(yù)燃室的壓力曲線可以觀察到，在火花塞點火后，預(yù)燃室先行著火燃燒，引起了預(yù)燃室與主燃室之間的壓力差。壓力差對噴入主燃室的熱射流以及主燃室的燃燒具有重要的影響。

在λmain=1.25情況下，可以觀察到在無輔助燃料的情況下，燃燒速率較慢，這主要是由于主燃室的混合氣進入到預(yù)燃室后，和預(yù)燃室原有的空氣進行融合形成了更稀薄的混合氣，在點火時刻預(yù)燃室內(nèi)平均混合氣濃度為1.38。但是在增加輔助噴油后，預(yù)燃室和主燃室混合氣濃度均為1.25，湍流射流點火依然會加快火焰燃燒速度使得燃燒提前。將預(yù)燃室混合氣濃度提高到1.0后，由于混合氣的化學(xué)活性增加，進一步提前了燃燒時刻。

當混合氣濃度進一步稀釋，濃度達到1.5時，在傳統(tǒng)點火模式下，由于混合氣過于稀薄，盡管點火能量達到120 mJ，火焰?zhèn)鞑ニ俾室廊惠^慢，以至于幾乎觀察不到明顯的壓力升高。然而在使用具有輔助燃料的湍流射流點火后，可以觀察到明顯的壓力升高，最高壓力為3.62 MPa，相比于λmain=1.0情況，放熱率的峰值降低了約50%，降低的原因主要是燃料的化學(xué)反應(yīng)活性降低，但是相對于傳統(tǒng)點火最高壓力提高66.4%。

圖4示出了預(yù)燃室混合氣濃度λpre為1.0時，不同λmain下湍流射流點火的缸內(nèi)燃燒溫度。在上止點前，隨著混合氣稀薄程度的增加溫度升高，這是因為點火時刻提前導(dǎo)致放熱提前。最高燃燒溫度隨著混合氣稀薄程度的增加大幅度降低，由λ=1.0時的2 616 K降低到λ=1.5時的2 043 K。低的燃燒溫度會抑制NOx排放物的產(chǎn)生。

圖4 缸內(nèi)溫度曲線

圖5示出了NOx排放物的生成量曲線。在內(nèi)燃機排放物中熱NOx是最主要的產(chǎn)物，由于稀薄混合氣降低了最高燃燒溫度，因此NOx排放量大幅度減少。相比于在當量比情況下燃燒，λ為1.5稀薄燃燒情況下的NOx排放量降低了93.9%。因此，采用湍流射流點火燃燒技術(shù)配合稀薄燃燒可以實現(xiàn)超低的NOx排放。

圖5 主燃室NOx排放物的生成曲線

圖6示出了湍流射流點火燃燒工況的壓力差。在主燃室混合氣濃度不變的情況下，隨著λpre的增加，壓力差增加，這表明預(yù)燃室內(nèi)混合氣活性增加引起燃燒速率增加，進而增大了預(yù)燃室與主燃室的壓力差，有助于射流火焰?zhèn)鞑?。另一方面，在預(yù)燃室混合氣濃度不變的情況下，隨著主燃室混合氣稀薄程度的增加，壓力差減小。這主要是由于稀薄燃燒工況下需要進行點火提前，因而預(yù)燃室內(nèi)部的溫度和壓力較低，燃燒速率較慢，最終降低了壓力差。

圖6 不同混合氣濃度下的壓力差

2.2 燃燒冷場分析

通過模擬方式可以獲得清晰的缸內(nèi)流場信息，以便于對燃燒特性有深入的認識。圖7示出了案例4的湍流射流點火系統(tǒng)在點火時刻預(yù)燃室內(nèi)部的流線圖。從圖中可以觀察到，活塞壓縮主燃室的混合氣通過噴孔進入到預(yù)燃室，由于噴孔具有加速作用，預(yù)燃室內(nèi)部氣流速度較高，可達到每秒十幾米。氣流在預(yù)燃室中的運動會影響輔助燃料的混合。圖8示出了λmain為1.5情況下，在點火時刻預(yù)燃室內(nèi)部的混合氣濃度場，圖中預(yù)燃室的混合濃度λpre為平均值。隨著輔助噴油量的增加，預(yù)燃室內(nèi)部的混合氣濃度增加。從中可以觀察到氣流運動的關(guān)系，可見混合氣濃度不均也會影響到熱射流的結(jié)構(gòu)。

圖7 湍流射流點火系統(tǒng)預(yù)燃室內(nèi)部流線

圖8 點火時刻預(yù)燃室混合氣濃度

2.3 湍流射流火焰結(jié)構(gòu)分析

圖9示出了λmain為1.0情況下，傳統(tǒng)點火與湍流射流點火的溫度場?？梢杂^察到在傳統(tǒng)點火模式下，在火花塞附近形成球形火焰并均勻地向外傳播，傳播速度主要取決于混合氣的化學(xué)活性。而在湍流射流點火模式下，火花塞先點燃預(yù)燃室內(nèi)部的混合氣，并且火焰鋒面在預(yù)燃室內(nèi)部傳播，當火焰通過噴孔后，燃燒速率增加，形成高速的熱射流以快速消耗主燃室的混合氣。從圖9截面處發(fā)現(xiàn)熱射流主要從左側(cè)出現(xiàn)，并結(jié)合圖10的視圖觀察，發(fā)現(xiàn)熱射流在不同噴孔處的狀態(tài)不同。一是受到預(yù)燃室內(nèi)部氣體流動影響，氣流速度與火焰面?zhèn)鞑シ较蛳嗤瑫龠M燃燒，因此在圖9中預(yù)燃室內(nèi)部左側(cè)的火焰面發(fā)展更快，進而先進入到主燃室中；二是主燃室內(nèi)部的流場布局同樣會影響到熱射流的發(fā)展。

圖9 傳統(tǒng)點火與湍流射流點火溫度場對比

稀薄燃燒的溫度較低，一般認為當溫度達到1 500 K時就已經(jīng)發(fā)生了燃燒。圖10示出了λmain為1.0情況下，傳統(tǒng)點火與湍流射流點火的溫度等值面圖。從中可以明顯觀察到在TDC時刻熱射流的快速傳播。

圖10 傳統(tǒng)點火與湍流射流點火1 500 K溫度等值面對比

進一步分析預(yù)燃室內(nèi)部輔助燃料的供給對熱射流結(jié)構(gòu)的影響。圖11示出了λmain為1.5情況下，不同預(yù)燃室混合氣濃度下的1 500 K溫度等值面圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)燃室內(nèi)部的混合氣濃度增加，預(yù)燃室內(nèi)部混合氣的燃燒速率加快，火焰前鋒更快地從噴孔處噴出，其熱射流的初始速率更大，這導(dǎo)致了熱射流的傳播侵入能力更強。在λpre達到1時最優(yōu)。預(yù)燃室體積僅占主燃室體積的1.8%，因此輔助燃料量雖然僅占總?cè)剂狭康囊恍〔糠?，但是能夠明顯改善發(fā)動機燃燒性能。

圖11 1 500 K溫度等值面

圖12示出了主燃室湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。從圖中可以觀察到，傳統(tǒng)點火模式下，火焰的傳播會增加湍動能，形成一個波峰。在湍流射流點火模式下，湍動能存在2個波峰，原因可能是從噴孔處噴出的高速熱射流形成了第一個波峰，隨著侵入距離增加，熱射流速度降低，因此湍動能降低。緊接著熱射流向周圍傳播的快速燃燒形成第二個波峰。從預(yù)燃室噴出的熱射流增加了缸內(nèi)的湍流強度，進而火焰面快速地傳播至整個燃燒室，相比于傳統(tǒng)的火花塞點火，湍流射流點火模式增加了缸內(nèi)湍動能，促進了燃燒速率增加，改善了燃燒特性。

圖12 主燃室湍動能

3 結(jié)論

a) 相比于傳統(tǒng)火花塞點火方式，湍流射流點火方式在稀薄混合氣下具有更高的燃燒速率、壓力升高率和更好的燃燒穩(wěn)定性，同時大幅度地降低了NOx污染物的排放，在混合氣濃度為1.5時，燃燒最高壓力提高66.4%，NOx排放降低93.9%；

b) 預(yù)燃室內(nèi)部的氣體流動影響到輔助燃料的混合，進而影響熱射流的結(jié)構(gòu)；

c) 當主燃室采用稀薄燃燒方式時，預(yù)燃室內(nèi)有輔助燃料可以增加熱射流初始速度，改善熱射流結(jié)構(gòu)，增加主燃室混合氣消耗速率；

d) 湍流射流點火方式在點火后，主燃室湍動能出現(xiàn)2個波峰，湍動能的增加對燃燒有促進作用。