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    運行參數(shù)對活塞熱負荷及異常燃燒的影響

    2015-12-29 22:54:58
    柴油機設(shè)計與制造 2015年2期
    關(guān)鍵詞:缸蓋混合氣氣缸

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    運行參數(shù)對活塞熱負荷及異常燃燒的影響

    陸靜安,李朝陽

    (上海柴油機股份有限公司,上海200438)

    摘要應(yīng)用AVL BOOST仿真軟件建立了天然氣發(fā)動機的仿真模型,計算不同的運行參數(shù)對發(fā)動機熱負荷的影響。主要分析不同點火提前角、空燃比、中冷后溫度及增壓壓力時,活塞、缸蓋等氣缸零件熱負荷的變化,為降低燃氣發(fā)動機氣缸零件熱負荷、抑制異常燃燒、優(yōu)化運行參數(shù)等各個方面的改進提供理論依據(jù)。

    關(guān)鍵詞:仿真數(shù)學(xué)模型熱負荷異常燃燒

    來稿日期:2015-02-15

    1 引言

    天然氣是一種清潔的替代燃料,與傳統(tǒng)燃料相比,天然氣燃燒時不產(chǎn)生碳煙,并具有較低的NO、CO、HC等排放污染物。此外,天然氣發(fā)動機的燃料成本僅為柴油的70%左右,經(jīng)濟性也高于柴油機。商用燃氣發(fā)動機通常是在原柴油機基礎(chǔ)上開發(fā)的,其空燃比遠低于柴油機。因此缸蓋、活塞等關(guān)鍵零部件熱負荷遠高于原柴油機,且易發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。不同氣源地的天然氣組分變化也較大,燃料抗爆性差異顯著,進一步增加了異常燃燒的概率,嚴重時會引起拉缸、活塞熔頂?shù)裙收稀1疚睦肁VL BOOST發(fā)動機仿真軟件對某天然氣發(fā)動機進行工作模擬,通過與臺架實驗數(shù)據(jù)的對比,驗證模型的有效性;通過變參數(shù)研究,探討了點火提前角、中冷后進氣溫度、空燃比及增壓壓力對發(fā)動機氣缸熱負荷的影響,對于優(yōu)化運行參數(shù)、抑制異常燃燒、確保天然氣發(fā)動機在惡劣工況下正常運行具有實際的指導(dǎo)意義。

    2 異常燃燒現(xiàn)象分析

    我公司的天然氣發(fā)動機在某熱帶地區(qū)使用半年后連續(xù)發(fā)生活塞熔頂?shù)膰乐厥鹿?。該地區(qū)溫度常年在35℃以上,夏季最高溫度在45℃以上。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn),用戶使用保養(yǎng)欠規(guī)范,中冷器、水箱等冷卻系統(tǒng)清洗不及時,而且該地區(qū)不同加氣站的燃氣組分、抗爆性差別較大,如某些加氣站甲烷成分不到70%。現(xiàn)場拆解發(fā)現(xiàn),活塞頭部從輕微缺角到完全熔化,損壞嚴重程度不一,輕微熔化的活塞裙部無拉傷、活塞頭部環(huán)岸和活塞頂部無燒蝕痕跡。從活塞故障癥狀來看,燃氣發(fā)動機發(fā)生了嚴重的異常燃燒,而且其早燃特征更為明顯。

    燃氣發(fā)動機的正常燃燒過程中,空氣與天然氣在缸外的混合器中形成混合氣,在壓縮沖程接近上死點前,通過火花塞的火花進行點燃。隨后,該著火源以近似球面形狀的火焰鋒面在可燃混合氣中迅速傳播,火焰鋒面不斷向前推進,直至火焰?zhèn)髦磷罱K燃燒的末端混合氣為至。然而由于受到各種因素的影響,發(fā)動機的燃燒過程可能受到干擾,會產(chǎn)生2種完全不同的異常燃燒:早燃和爆燃。

    早燃是氣缸內(nèi)混合氣在火花塞點火前已被燃燒室內(nèi)其它的熾熱表面點燃,熾熱部件有排氣門、火花塞、燃燒室周圍的表面以及這些部件上的沉積物。這些部件上的熾熱點導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ネ耆タ刂?,使得活塞頭部溫度急劇增加,并且可以在幾秒鐘內(nèi)就達到活塞熔化的溫度。引起早燃的原因有:(1)火花塞的熱值太低(熱值表示火花塞散熱能力;數(shù)值越大,散熱越好,數(shù)值越小,散熱越差);(2)混合氣過濃導(dǎo)致過高的燃燒溫度;(3)排氣門有故障,或間隙不足,導(dǎo)致排氣門密封不好;(4)活塞頂部、缸蓋、火花塞和排氣門上有殘留物;(5)燃料中的辛烷值太低;(6)發(fā)動機部件通風(fēng)不好引起中冷后的溫度過高;(7)過負荷引起的過熱。

    爆燃是火花塞點火后離火花塞較遠的末端混合氣,在火焰鋒面尚未達到前就已完成焰前反應(yīng)而發(fā)生自燃,形成新的火焰中心,產(chǎn)生強烈的壓力脈沖,并以極高的速度向附近氣體傳播。燃燒室中燃掉了所有的殘留物是爆燃的跡象。爆燃會導(dǎo)致材料燒蝕,活塞和曲軸驅(qū)動的機械負荷過載,嚴重的、或長期的爆燃會導(dǎo)致活塞頭部環(huán)岸和頂部燒蝕。爆燃還會導(dǎo)致燃燒室個別部件受熱嚴重,隨著熱負荷的過載,早燃發(fā)生的可能性會進一步增加。引起爆燃的原因有以下幾種情況:(1)點火提前角太大;(2)混合氣過濃導(dǎo)致過高的燃燒溫度;(3)燃燒殘留物引起過高壓縮比;(4)燃料中的辛烷值太低;(5)發(fā)動機部件通風(fēng)不好引起中冷后的溫度過高;(6)過負荷引起的過熱[1]。

    針對用戶使用的高溫環(huán)境及燃氣的品質(zhì),通過優(yōu)化點火提前角、空燃比、中冷后溫度、中冷后壓力等運行參數(shù),消除異常燃燒,同時兼顧動力性、經(jīng)濟性,確保優(yōu)化調(diào)整后保持正常燃燒的情況下仍能保持原機的性能。利用AVL BOOST仿真軟件對發(fā)動機進行工作模擬,分析計算點火提前角、空燃比、中冷后溫度、中冷后壓力對活塞熱負荷的影響。通過仿真分析,有目的地進行參數(shù)優(yōu)化,縮短試驗時間,快速解決用戶使用過程中出現(xiàn)的故障,確保天然氣發(fā)動機在惡劣工況下能夠正常運行。

    3 模型的建立及驗證

    采用AVL BOOST發(fā)動機循環(huán)工作模擬軟件,以燃氣發(fā)動機為原型進行建模。在建模時主要考慮發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、傳熱模型、燃燒模型、摩擦功、燃氣組分等關(guān)鍵元素。BOOST整機分析模型包括進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、氣缸、混合器、中冷器和增壓器。根據(jù)燃氣發(fā)動機的實際結(jié)構(gòu),建立了如圖1所示的仿真計算模型。燃燒模型中,采用發(fā)動機實際的放熱規(guī)律曲線和Woschni 1978傳熱模型。圖中,C1~C6為氣缸,PL1為進氣管,TC1為渦輪增壓器,CO1是中冷器,1~26為管道,I1為混合器,MP1~MP26為測量點,SB1和SB2為系統(tǒng)邊界[2]。

    在進行運行參數(shù)優(yōu)化計算前,必須應(yīng)用試驗數(shù)據(jù)對模型進行校準。需要校準下列參數(shù):功率、容積效率、空氣質(zhì)量流量、燃氣流量、增壓器參數(shù)、缸內(nèi)壓力曲線,以及進排氣管道的壓力和溫度等。選取標定轉(zhuǎn)速2 200 r/min下的全負荷工況為計算模型驗證指標,按照試驗條件設(shè)置初始條件和邊界條件。調(diào)整模型參數(shù),使之適合實際狀態(tài)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整,使功率和試驗數(shù)據(jù)吻合。對其它參數(shù)進行比較,可以從表1的對比結(jié)果看出,計算誤差都小于3%,認為計算模型及模型參數(shù)基本符合要求,能代表實際狀態(tài),可進一步對運行參數(shù)進行優(yōu)化計算。

    4 運行參數(shù)的仿真與優(yōu)化

    圖1 發(fā)動機模型

    表1 模型驗證結(jié)果

    利用AVL BOOST仿真軟件對發(fā)動機進行工作模擬時,為簡化分析計算,在仿真過程中,假設(shè)燃燒過程中燃燒持續(xù)期和放熱率形狀不變,在實際運行時任何參數(shù)的變化均會影響燃燒放熱過程。在調(diào)整點火提前角、空燃比、中冷后溫度運行參數(shù)時,調(diào)整中冷后壓力確保參數(shù)改變后功率不變,即在動力性相同的情況下,評價運行參數(shù)的調(diào)整對每循環(huán)氣缸熱負荷及整機經(jīng)濟性的影響,為確定合理的運行參數(shù)提供理論根據(jù)。

    4.1點火提前角仿真計算

    燃燒起始點(略遲于點火提前角)決定了放熱率曲線與壓縮上止點的相對位置;在持續(xù)期和放熱率形狀不變的前提下也就決定了放熱中心(放熱率曲線包圍的面心)距上止點的位置。在仿真過程中,燃燒起始點分別設(shè)為上止點前6℃A~18℃A,同時調(diào)整中冷后壓力,保持不同燃燒起始點時輸出功率不變。燃燒起始點的變化對氣缸零件熱負荷的變化相當(dāng)敏感;起始點越大,燃燒中心越接近上止點,越接近于等容燃燒。不同燃燒起始點時熱負荷及燃燒溫度見表2。

    表2 不同燃燒起始點時循環(huán)熱負荷及燃燒溫度

    由表2可知,在標定工況下,保持功率不變,隨著燃燒起始點的提前,活塞和缸蓋熱負荷不斷上升,缸套熱負荷和燃氣耗率不斷下降。燃燒起始點越大,熱負荷變化幅度就越大,燃燒起始點從15℃增加到18℃,活塞熱負荷增加了6.1%,缸蓋熱負荷增加了5.8%,缸套熱負荷則下降了2.7%,而氣耗下降了1.0%,見圖2。缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 706℃增加到1 732℃;渦前排溫從655℃降低到644℃(見圖3)。起燃點過早,則混合氣必然過早點燃,從而引起壓力升高率增加,最高燃燒壓力、最高燃燒溫度過高,缸蓋和活塞熱負荷增加,易發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。若起燃點過遲,燃燒中心后移,膨脹比過小,缸蓋和活塞熱負荷降低,缸套熱負荷增加,同時加速性、經(jīng)濟性下降。

    圖2 燃燒起始點對熱負荷及氣耗率的影響

    圖3 燃燒起始點對燃燒溫度和排溫的影響

    4.2空燃比仿真計算

    燃氣發(fā)動機普遍采用缸外預(yù)混合均質(zhì)稀燃模式,在缸外混合器中形成均質(zhì)的預(yù)混合氣,在壓縮上止點前通過火花塞的火花進行點燃。稀燃混合氣熱值低,火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒溫度下降,降低了與氣缸壁面的傳熱,減少了氣缸零件的熱負荷。在仿真過程中,空燃比分別設(shè)為23~27之間,同時調(diào)整中冷后壓力,保持不同空燃比時輸出功率不變??杖急鹊淖兓瘜飧琢慵嶝摵傻淖兓^敏感,空燃比越大,氣缸零件熱負荷就越低。不同空燃比時熱負荷及燃燒溫度見表3。

    由表3可知,在標定點工況下,保持功率不變,隨著空燃比的提高,活塞、缸蓋和缸套熱負荷不斷下降,燃氣耗也同步下降??杖急仍叫?,活塞熱負荷變化幅度就越大,空燃比從23增加到25時,活塞熱負荷降低了2.4%,缸蓋熱負荷下降2.1%,缸套熱負荷下降了2.6%,氣耗率下降了0.62%,見圖4;缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 788℃降低到1 706℃;渦前排溫從689℃降低到656℃,見圖5?;旌蠚馄r,最高燃燒溫度下降,氣缸零件 熱負荷降低,避免早燃、爆燃等異常燃燒,同時燃燒產(chǎn)物離解減少,有利于熱效率提高。但是過稀的混合氣,由于燃燒速率降低,燃燒時間拉長,同樣使熱效率下降。當(dāng)點燃式發(fā)動機的未燃混合氣偏稀時,則火焰發(fā)展期、快速燃燒期及燃燒的循環(huán)變動將增加,達到某一數(shù)值時,發(fā)動機運轉(zhuǎn)變得粗暴且不穩(wěn)定,加減速平順性下降。過稀的混合氣因其熱值低,放熱量低,不能著火,均質(zhì)稀燃天然氣的空燃比稀限在27左右。

    表3 不同空燃比時循環(huán)熱負荷及燃燒溫度

    4.3中冷后溫度仿真計算

    對增壓器壓氣機出口空氣進行冷卻,可以降低內(nèi)燃機壓縮始點的溫度和整個循環(huán)的平均溫度,從而減少工質(zhì)對氣缸零件的傳熱量,降低熱負荷,提高熱效率。增壓中冷是改善發(fā)動機性能的重要技術(shù)手段。中冷的主要目的是降低發(fā)動機氣缸零件的熱負荷,避免表面點火和爆燃等異常燃燒。在仿真過程中,中冷后溫度分別設(shè)為40℃~80℃,同時調(diào)整中冷后壓力,保持不同中冷溫度時輸出功率不變。不同中冷后溫度時熱負荷及燃燒溫度見表4。

    表4 不同中冷后溫度時循環(huán)熱負荷及燃燒溫度

    由表4可知,中冷后溫度的變化對氣缸零件熱負荷的變化較有一定的影響;中冷后溫度越高,氣缸零件熱負荷就越高。中冷后溫度從50℃增加到60℃,活塞熱負荷增加了1.8%,缸蓋熱負荷增加了1.7%,缸套熱負荷增加了1.9%,氣耗率增加了0.1%,見圖6;缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 706℃增加到1 715℃;渦前排溫從656℃增加到660℃,見圖7。中冷后溫度越高,未燃混合氣對燃燒室零件的冷卻效果就越差,整個循環(huán)的平均溫度越高,缸蓋和活塞熱負荷增加,經(jīng)濟性下降,發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。中冷器在使用初期效果較好,隨著使用時間增長,流通表面由于水垢或灰塵等原因降低冷卻效果,應(yīng)及時進行維護保養(yǎng)。

    圖4 空燃比對熱負荷及氣耗率的影響

    圖5 空燃比對燃燒溫度和排溫的影響

    圖6 空燃比對熱負荷及氣耗率的影響

    圖7 空燃比對燃燒溫度和排溫的影響

    4.4負荷率變化的仿真計算

    增壓是提高內(nèi)燃機升功率最有效的方法。隨著增壓壓力的提高,缸內(nèi)壓力及溫度上升,燃料燃燒時單位氣缸工作容積所放出的熱量增加,通過壁面?zhèn)鞒龅臒崃恳苍龃?。在仿真過程中,保持其它參數(shù)不變,調(diào)整負荷率,改變中冷后壓力,輸出功率分別為標定功率的94%、97%、103%、106%。負荷率的變化對氣缸零件熱負荷的變化有較大影響,不同負荷率下熱負荷及燃燒溫度見表5。

    由表5可知,隨著負荷率的增加,活塞、缸蓋、缸套等零件熱負荷不斷上升,燃氣耗也同步下降。負荷率從100%增加到103%,活塞熱負荷增加了2.3%,缸蓋熱負荷增加了2.3%,缸套熱負荷增加了2.4%,氣耗率下降0.4%,見圖8;缸內(nèi)最高燃燒溫度從1 706℃增加到1 708℃,渦前排溫從656℃增加到657℃,見圖9。負荷率增加,最高燃燒壓力、最高燃燒溫度升高,缸蓋和活塞熱負荷增加;而主要零部件的傳熱面積未變,氣缸零件的溫度提高,易發(fā)生早燃、爆燃等異常燃燒。增壓后,壓縮終了的壓力和溫度都加大,實質(zhì)上相當(dāng)于壓縮比的提高,所以爆燃傾向加大。

    表5 不同負荷率時循環(huán)熱負荷及燃燒溫度

    圖8 負荷率對熱負荷及氣耗率的影響

    圖9 負荷率對燃燒溫度和排溫的影響

    5 試驗驗證

    5.1發(fā)動機臺架試驗驗證

    活塞是內(nèi)燃機的核心部件,工作過程中受到高溫燃氣的沖擊,活塞頭部及裙部溫度都很高,評價活塞的熱負荷,最直觀而有效的方法是求取活塞的溫度場。依據(jù)AVL BOOST仿真計算的結(jié)果,調(diào)整標定參數(shù)及運行參數(shù),測量在不同工況下的活塞表面溫度。采用緯氏硬度賽測量法同時測量1~6缸活塞表面溫度;活塞表面溫度測點位置如圖10所示。在試驗過程中保持功率不變,在原標定基礎(chǔ)上,推遲點火提前角2℃、空燃比由24.5升為25、中冷后溫度由55℃降為50℃、中冷后壓力由190 kPa升為195 kPa。原標定參數(shù)活塞表面溫度如圖11所示,標定調(diào)整后活塞表面溫度如圖12所示。優(yōu)化前后活塞頂部最高溫度可下降20℃,活塞熱負荷下降明顯。

    圖10 活塞表面溫度測點位置圖

    圖11 標定參數(shù)調(diào)整前活塞表面溫度分布圖

    圖12 標定參數(shù)調(diào)整后活塞表面溫度分布圖

    6 結(jié)論

    利用AVL BOOST仿真軟件對發(fā)動機進行模擬,定量分析運行參數(shù)對活塞熱負荷的影響,確定影響活塞熱負荷的主要因素。在運行參數(shù)中,燃燒起始點和空燃比的變化對氣缸零件熱負荷的變化相當(dāng)敏感,中冷后溫度的變化對氣缸零件熱負荷的變化有一定的影響。在標定點等功率工況下,燃燒起始點每提前3℃,活塞熱負荷約增加2.03%,缸蓋熱負荷增加1.93%,氣耗下降0.3%;空燃比每降低1,活塞熱負荷約增加1.2%,缸蓋熱負荷增加1.05%,氣耗下降0.31%;中冷后溫度每增加10℃,活塞熱負荷增加1.8%,缸蓋熱負荷增加1.7%,氣耗增加0.1%;負載系數(shù)每增加1%,活塞熱負荷增加0.97 %,缸蓋熱負荷增加0.77%,氣耗下降0.13%。

    AVL BOOST仿真軟件能迅速而高效地進行發(fā)動機工作模擬,定量分析運行參數(shù)對活塞熱負荷的影響,有針對性地進行參數(shù)調(diào)整,為性能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)改進、提高標定效率提供強有力的工具。

    參考文獻

    [1]劉永長.內(nèi)燃機原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.06.

    [2] AVL. AVL BOOST Users Guide[M]. Graz:AVL List GmbH, 2006.

    Effect of Operation Parameters on Piston Heat Load and Abnormal Combustion

    Lu Jingan, Li Chaoyang

    (Shanghai Diesel Engine Co. Ltd, Shanghai 200438, China)

    Abstract:A simulation model of natural gas engine was established by using AVL BOOST simulation software, and a calculation of engine heat load with different operation parameters was conducted, mainly analysising the heat loads of piston, cylinder head and other parts under different ignition timing, air-fuel ratio, temperatures before and after intercooler and booting pressure. It provides a theoretical basis for reducing the heat loads of gas engine in-cylinder parts, inhibiting abnormal combustion, optimizing operation parameters etc.

    Key words:simulation, mathematical model, heat load, abnormal combustion

    作者簡介:陸靜安(1971-),男,工程師,主要研究方向為發(fā)動機性能標定。

    doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.005

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