天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性數(shù)值模擬分析

任 川，周億迎

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088）

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性數(shù)值模擬分析

任 川，周億迎

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088）

利用發(fā)動(dòng)機(jī)建模軟件建立了某型號天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過變參數(shù)模擬分析，探討了壓縮比、空氣過量系數(shù)、點(diǎn)火提前角對天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性和NOx排放特性的影響。模擬結(jié)果表明：當(dāng)其他運(yùn)行條件不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆壓、缸內(nèi)最高溫度以及NOx排放量隨壓縮比、點(diǎn)火提前角的增大而增大，隨發(fā)動(dòng)機(jī)空氣過量系數(shù)的增大而減小。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；壓縮比；過量空氣系數(shù)；點(diǎn)火提前角；燃燒特性；排放特性

1 概述

隨著全球石油資源的短缺和環(huán)境的惡化，清潔能源的利用成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。天然氣是一種儲量豐富的清潔能源，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比具有排放低、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用是滿足未來日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和燃料經(jīng)濟(jì)性要求的有效途徑［1］。

為了研究點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性，本文通過數(shù)值模擬的方法，得到了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的壓縮比、過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角等條件下，其燃燒及排放情況（NOx排放）的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了相關(guān)因素的影響分析。

2 模型的建立

BOOST是奧地利AVL公司開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析軟件，它基于一維模擬計(jì)算方法，能夠建立完整的發(fā)動(dòng)機(jī)工作模型，具有操作簡單、計(jì)算結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬及評價(jià)［2］。本文以某帶有增壓中冷系統(tǒng)的V型8缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，缸徑×沖程為175mm×218mm，連桿長度為380mm，發(fā)火順序?yàn)?－6－3－5－4－7－2－8。利用BOOST軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型，如圖1所示。

3 模擬及分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、點(diǎn)火提前角、空氣過量系數(shù)等參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大影響。本文通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型的運(yùn)行參數(shù)并模擬計(jì)算，分析相關(guān)參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性分析

3.1.1 壓縮比的影響

壓縮比與發(fā)動(dòng)機(jī)性能有很大關(guān)系，提高壓縮比可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率。在其他條件相同情況下（設(shè)定點(diǎn)火提前角為22°，噴氣量保持一定，空氣過量系數(shù)為1.35，轉(zhuǎn)速為1 500r／min），分別選取11、11.5、12、12.5、13五個(gè)壓縮比進(jìn)行模擬計(jì)算。以4＃氣缸為例，圖2為不同壓縮比條件下，氣缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。

圖2 不同壓縮比下氣缸內(nèi)壓力變化情況

圖1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型

圖3～圖5分別給出了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率、最高溫度與壓縮比的關(guān)系。

從圖中可以看出，隨著壓縮比的增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率和最高溫度均呈增大的趨勢。這主要是由于壓縮比增加，使壓縮終點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)壓力和溫度升高，同時(shí)，混合氣流動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，燃燒的著火延遲期縮短，缸內(nèi)燃燒速率和混合氣放熱速率加快，在壓縮和燃燒的雙重作用之下，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和最高溫度均隨之增加。另外，隨著壓縮比的增大，整個(gè)燃燒過程在相對更小的缸內(nèi)容積下完成，擴(kuò)大了循壞的溫度階梯，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹比，提高了熱效率，因此可以適當(dāng)?shù)靥岣唿c(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，從而相應(yīng)地提高其動(dòng)力性能。但壓縮比過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)爆燃現(xiàn)象。相關(guān)資料表明，由于受到爆燃限制，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率應(yīng)控制在0.25MPa以內(nèi)。由圖4可知，該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比控制在12以內(nèi)較為合適。

圖3 最大爆發(fā)壓力與壓縮比的關(guān)系

圖4 最大壓力升高率與壓縮比的關(guān)系

圖6 最大爆發(fā)壓力與空氣過量系數(shù)的關(guān)系

圖7 最大壓力升高率與空氣過量系數(shù)的關(guān)系

圖8 缸內(nèi)最高溫度與空氣過量系數(shù)的關(guān)系

3.1.2 空氣過量系數(shù)的影響

空氣過量系數(shù)是實(shí)際供給的空氣質(zhì)量與燃料理論上完全燃燒所需空氣質(zhì)量之比。空氣過量系數(shù)直接影響缸內(nèi)燃燒過程，也影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。在其他條件相同情況下（設(shè)定壓縮比為12，點(diǎn)火提前角22°，轉(zhuǎn)速為1 500r／min），分別選取空氣過量系數(shù)為1.15、1.25、1.35、1.45、1.55進(jìn)行模擬計(jì)算。與前文研究過程相似，圖6～圖8分別給出了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率、缸內(nèi)最高溫度與過量空氣系數(shù)的關(guān)系。

從圖6～圖8可知，隨著過量空氣系數(shù)的增大，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率、最高溫度均隨之降低。在相同的進(jìn)氣壓力下，隨著空氣過量系數(shù)的增大，缸內(nèi)混合氣變稀，每個(gè)工作循環(huán)中參與燃燒的燃?xì)饬孔兩?，進(jìn)而釋放出的熱量變少，導(dǎo)致缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率以及缸內(nèi)最高溫度隨之降低。另外，隨著混合氣變稀，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，燃燒速度變緩，燃燒過程滯后，滯燃期變長，散熱損失增加，這也使得缸內(nèi)最高溫度有所降低，且過稀的混合氣導(dǎo)致缸內(nèi)發(fā)火不穩(wěn)定。因此，過大的空氣過量系數(shù)將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能下降。

3.1.3 點(diǎn)火提前角的影響

點(diǎn)火提前角是影響點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒特性的一個(gè)重要因素。在其他條件相同情況下（設(shè)定壓縮比為12，噴氣量保持一定，空氣過量系數(shù)為1.35，轉(zhuǎn)速為1 500r／min），分別選取點(diǎn)火提前角20°、21°、22°、23°、24°進(jìn)行模擬計(jì)算。與前文研究過程相似，圖9～圖11分別給出了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率以及缸內(nèi)最高溫度與點(diǎn)火提前角的關(guān)系。

從圖中可以看出，在選取的點(diǎn)火提前角變動(dòng)范圍內(nèi)，最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率和氣缸最高溫度都是隨著點(diǎn)火提前角的增大而相應(yīng)增大。較小的點(diǎn)火提前角導(dǎo)致著火時(shí)刻相對滯后，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?；如果點(diǎn)火提前角增大，缸內(nèi)燃燒相位隨之提前，從而有更多的燃料在壓縮終點(diǎn)之前完成燃燒和放熱，缸內(nèi)最大爆壓及溫度增大。由此可見改變點(diǎn)火提前角是調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒始點(diǎn)的有效方法，適當(dāng)增加點(diǎn)火提前角可加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而改善缸?nèi)燃燒過程。但如果點(diǎn)火提前角過大，導(dǎo)致在壓縮終點(diǎn)之前燃料燃燒過多，此過程缸內(nèi)氣體對活塞做負(fù)功，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的發(fā)揮。此外，點(diǎn)火提前角的增大導(dǎo)致最大壓力升高率隨之增大，加重了發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃傾向。因此對于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)綜合考慮選取合適的點(diǎn)火時(shí)刻。

圖9 最大爆發(fā)壓力與點(diǎn)火提前角的關(guān)系

圖10 最大壓力升高率與點(diǎn)火提前角的關(guān)系

圖11 缸內(nèi)最高溫度與空點(diǎn)火提前角的關(guān)系

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放特性分析

天然氣作為一種清潔燃料，與柴油、汽油相比能夠顯著減少發(fā)動(dòng)機(jī)SOx的排放，同時(shí)由于天然氣主要成分甲烷的碳?xì)浔容^低，因此在燃燒放出相同熱量前提下，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放量較少。NOx作為發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣中重要污染物之一，其產(chǎn)生機(jī)理為空氣中的氮?dú)庠诟變?nèi)高溫條件下被氧化進(jìn)而形成NOx，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放與發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)有著密切的聯(lián)系［3］。本文通過模擬計(jì)算，研究壓縮比、空氣過量系數(shù)以及點(diǎn)火提前角對發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放特性的影響。

圖12～圖14為壓縮比、空氣過量系數(shù)、點(diǎn)火提前角對發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的影響。在分析上述某一因素的影響時(shí)，控制其他運(yùn)行參數(shù)不變。

圖12 壓縮比對發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量的影響

圖13 空氣過量系數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量的影響

圖14 點(diǎn)火提前角對發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量的影響

從圖中可知，壓縮比的增大會(huì)促進(jìn)NOx排放量的增加。因?yàn)殡S著壓縮比增大，壓縮終點(diǎn)時(shí)刻燃燒室容積變小，氣缸內(nèi)局部氧氣濃度變高，且較大壓縮比導(dǎo)致氣缸內(nèi)最高溫度較高，有利于NOx的產(chǎn)生，從而使NOx排放量增加。

當(dāng)空氣過量系數(shù)增加時(shí)，盡管缸內(nèi)氧氣濃度變高，但較高的空氣過量系數(shù)導(dǎo)致燃燒速度減緩，燃燒期變長，使缸內(nèi)溫度有所下降。氣缸內(nèi)溫度的降低不利于NOx的產(chǎn)生，隨著空氣過量系數(shù)的不斷增大，NOx排放量減少的趨勢更加明顯。從而可知，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃技術(shù)是降低NOx排放的有效途徑。

隨著點(diǎn)火提前角的增大，NOx排放量增加。因?yàn)楫?dāng)點(diǎn)火提前角增大后，燃燒起始時(shí)刻提前，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于壓縮沖程，氣缸內(nèi)壓力和溫度因受到壓縮而上升，若點(diǎn)火提前角較大，則更多燃料將在上止點(diǎn)前較小的氣缸容積內(nèi)完成燃燒，導(dǎo)致溫度升高較快，最高溫度較高，且混合氣停留在高溫環(huán)境的時(shí)間較長，有利于NOx的生成。隨著點(diǎn)火提前角變小，氣缸內(nèi)著火時(shí)刻延遲，燃燒過程整體后移，混合氣燃燒和放熱過程相對緩和，缸內(nèi)的最高壓力和溫度均有所下降，因此NOx生成與排放量減少。

4 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比增大時(shí)，最大爆壓、缸內(nèi)最高溫度以及NOx排放量均隨之增大。由于過大的壓縮比將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比不宜過大。

（2）空氣過量系數(shù)增大時(shí)，最大爆壓、缸內(nèi)最高溫度以及NOx排放量均隨之減小，可知稀燃技術(shù)有利于降低NOx排放。但過大的空氣過量系數(shù)缸內(nèi)發(fā)火不穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能下降。

（3）點(diǎn)火提前角增大時(shí)，最大爆壓、缸內(nèi)最高溫度以及NOx排放量均隨之增大。適當(dāng)增加點(diǎn)火提前角可加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，改善缸?nèi)燃燒過程。但過大的點(diǎn)火提前角將加重爆燃傾向，且不利于NOx的減排。

［1］范嵐嵐，河邦全.天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007（36）：74.

［2］陳 力，陳 劭.基于AVL BOOST的發(fā)動(dòng)機(jī)性能檢測與仿真研究［J］.內(nèi)燃機(jī)，2013（1）.

［3］謝云臣，牛丹峰，楊立平，等.天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)國Ⅳ排放對策研究［J］.現(xiàn)代車用動(dòng)力，2009（1）.

Numerical Simiulation for Combustion and Emission Characteristic of CNG Engine

Ren Chuan，Zhou Yiying
（ChinaWaterborneTransportResearchInstitute，Beijing，100088，China）

The article establishes a numerical model of CNG engine by using numerical simulation software.Through the simulation analysis of variable element，the article discusses the influence of compression ratio，air excessive coefficient and ignition advance angle on the combustion characteristic and the emission of NOx.The following results show that when the other conditions remain the same，the engine＇s maximum detonation pressure，the highest in cylinder temperature and the NOx emissions increase with the increase of the compression ratio and the ignition advance angle，but decrease with the increase of the air excessive air coefficient.

CNG engine；compression ratio；air excessive coefficient；ignition advance angle；combustion characteristic；emission characteristic

TK464

A

1674－9944（2015）08－0297－04

2015－07－07

任 川（1988—），男，遼寧本溪人，碩士，主要從事輪機(jī)工程研究。