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高壓縮比射流點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性

2022-02-15 19:16:01·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
高壓縮比射流點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性 diner 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)
文章導(dǎo)讀
以天然氣為燃料、稀燃運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)在節(jié)能減排方面有較大的潛力。而在缸內(nèi)燃料稀薄程度加大的情況下，射流點(diǎn)火以其顯著提高燃燒速度的優(yōu)勢(shì)受到關(guān)注。當(dāng)前研究涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比普遍小于15，高壓縮比情況下相關(guān)燃燒和排放特性相關(guān)研究較少?；诖?，本期推文筆者針對(duì)不同壓縮比下天然氣射流點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性開展了試驗(yàn)，以期揭示壓縮比對(duì)燃燒和排放的影響規(guī)律。
1、試驗(yàn)裝置
研究所使用的射流點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是基于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改造而成，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。圖1為射流點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意，利用筆者課題組設(shè)計(jì)的射流點(diǎn)火器取代傳統(tǒng)火花塞，實(shí)現(xiàn)了射流點(diǎn)火功能，詳細(xì)信息參見原文[1]。試驗(yàn)中使用的壓縮比ε為11.5和17.0，是通過改變活塞的凹坑深度實(shí)現(xiàn)。表2為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的運(yùn)行工況參數(shù)。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)


圖1 射流點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖
表2 運(yùn)行工況參數(shù)
2、結(jié)果與分析
試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 200 r/min，選擇IMEP為0.8 MPa和1.2 MPa、發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)整體過量空氣系數(shù)?a為0.625和0.556兩種稀燃工況。
圖2對(duì)比了?a＝0.625 且相同點(diǎn)火角(－18° CA ATDC)時(shí)不同壓縮比、不同負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓及放熱率曲線。在兩種負(fù)荷工況下，高壓縮比缸壓曲線上升更迅速，缸壓峰值更高。從放熱率曲線可以看出，高壓縮比的燃燒放熱時(shí)刻更加提前。
圖2 不同壓縮比和負(fù)荷下缸壓及放熱率曲線對(duì)比
圖3給出了兩種負(fù)荷工況、不同壓縮比下循環(huán)波動(dòng)隨CA 50的變化關(guān)系。循環(huán)波動(dòng)小于5%時(shí)認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)中，掃略點(diǎn)火角使CA 50維持在上止點(diǎn)后0至10° CA 之間，點(diǎn)火角與CA 50呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著點(diǎn)火角后推，燃燒相位CA 50 單調(diào)后推。發(fā)動(dòng)機(jī)在兩種壓縮比和兩種負(fù)荷下循環(huán)波動(dòng)隨點(diǎn)火角的掃略均小于5%，可以視為穩(wěn)定的運(yùn)行。高壓縮比下發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)在兩種負(fù)荷下整體大于低壓縮比時(shí)的循環(huán)波動(dòng)。這是由于高壓縮比下，射流室與活塞頂面的距離更近，燃?xì)馍淞鞲菀鬃矒羧紵冶诿婕盎钊斆?，?dǎo)致火焰面淬熄。大面積射流火焰的淬熄導(dǎo)致接下來火焰?zhèn)鞑サ牟环€(wěn)定性增加。在IMEP＝1.2 MPa且?a＝0.556的工況下，高壓縮比時(shí)的循環(huán)波動(dòng)在CA 50大于6.5時(shí)循環(huán)波動(dòng)超過5%。這是由于隨著燃燒相位后推，燃燒室的體積不斷增加?；鹧娼?jīng)歷壁面淬熄后的傳播距離進(jìn)一步增加，燃燒不穩(wěn)定性提高，循環(huán)波動(dòng)增加。
圖3 不同壓縮比下循環(huán)波動(dòng)的對(duì)比
圖4為不同壓縮比下滯燃期隨CA 50的變化關(guān)系。在同一工況、相同壓縮比下，隨著點(diǎn)火角的推遲，滯燃期先降低而后略有增加。滯燃期降低是由于點(diǎn)火越接近上止點(diǎn)缸內(nèi)溫度更高，有利于射流室及缸內(nèi)燃燒。而隨著點(diǎn)火角進(jìn)一步后推，射流的時(shí)刻也更接近上止點(diǎn)，射流火焰容易撞擊活塞頂面發(fā)生淬熄，不利于主燃室內(nèi)混合氣的引燃，導(dǎo)致滯燃期的增加。在兩種負(fù)荷下，高壓縮比下的滯燃期整體較低壓縮比下的滯燃期更短。這表明高壓縮比下壓縮終點(diǎn)溫度的提高更有利于缸內(nèi)的燃燒放熱。
圖4 不同壓縮比下滯燃期的對(duì)比
圖5為不同壓縮比下燃燒持續(xù)期隨CA 50的變化關(guān)系。相同壓縮比下，隨著點(diǎn)火角的后推，燃燒持續(xù)期逐漸縮短。在實(shí)際缸內(nèi)燃燒中，射流從射流室射出點(diǎn)燃主燃室混合氣時(shí)發(fā)生在壓縮行程中。射流點(diǎn)火時(shí)刻越靠前，活塞上行速度更高，射流室內(nèi)外壓差更大，因而射流需要克服的內(nèi)外壓差也更大；點(diǎn)火角越提前，射流的出口速度相對(duì)更小。此外，由于距離上止點(diǎn)更遠(yuǎn)，缸內(nèi)的溫度相對(duì)更低，壁面對(duì)射流火焰的淬熄效果更明顯。有效的射流點(diǎn)火面積受到限制，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期在較為提前的點(diǎn)火角下更長。當(dāng)點(diǎn)火角后推時(shí)，射流的速度相對(duì)提高，有效點(diǎn)火區(qū)域更大。缸內(nèi)的溫度也相對(duì)更高，更有利于缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ゼ叭紵Ｒ蚨紵掷m(xù)期相對(duì)縮短。隨著燃燒相位后推，雖然燃燒室體積不斷增加，但是與壁面接觸的混合氣增加，火焰在近壁淬熄面積增加。高壓縮比下的燃燒持續(xù)期明顯增加；高壓縮比下存在明顯的后燃現(xiàn)象，雖然燃燒室容積變小使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，但射流火焰更容易與燃燒室壁面、活塞頂部接觸而淬熄。高壓縮比下的初期燃燒速度更快，但燃燒后期火焰被壁面大量淬熄使放熱減緩。此外，高壓縮比下缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)的壓力更高，缸內(nèi)余隙及狹縫中存儲(chǔ)了更多的未燃混合氣。隨著活塞下行，狹縫及余隙中的未燃混合氣逐漸被釋放而且高壓縮比下缸內(nèi)的平均溫度更高，使該部分未燃混合氣緩慢氧化。因而高壓縮下的燃燒持續(xù)期增加。
圖5 不同壓縮比下燃燒持續(xù)期的對(duì)比
發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率、指示熱效率、排放特性等參數(shù)變化規(guī)律請(qǐng)參見原文[1]。
文獻(xiàn)來源
[1]趙自慶,蔡開源,王志.高壓縮比射流點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2022,(01):10-19.
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