湍流射流点火燃烧特性的模拟研究

桑海浪，姜淑君，李志杰

(1.广西玉柴机器股份有限公司，广西 南宁 530007；2.无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121；3.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061)

世界正面临着严重的能源危机和环境污染的全球性问题，这些问题推动着内燃机的技术进步，其中包括先进的燃烧策略，以期望在提高内燃机的热效率的同时减少污染物的排放。稀薄燃烧策略作为一种低温燃烧技术，可以减少排放，同时提高燃料效率[1-3]。降低燃料的消耗意味着减少二氧化碳排放。 然而，稀薄燃烧发动机存在着由高度稀释的混合物引起的燃烧不稳定性问题。因此，研究人员提出了各种增强点火方法来提高稀薄燃烧发动机的燃烧稳定性，如预燃室点火系统[4]、等离子辅助点火[5]和微波火花点火[6]。在这些技术中，预燃室式湍流射流点火燃烧系统备受关注，因为这种燃烧技术具有改善稀燃发动机燃烧特性的巨大潜力。

射流引燃的概念首先在1950年代被Nikolai Nikolaievich Semenov[7]提出，经过了数十年的发展，基于现代化的控制手段和已有硬件，MAHLE公司[8]提出了高可靠性的预燃室设计，并命名为湍流射流点火(Turbulent Jet Ignition，TJI)，其预燃室体积占比约为2%，预燃室的辅助燃料能量占比也约为2%。美国MAHLE公司、美国国家研究委员会和美国空军联合对湍流射流着火系统展开研究，对预燃室湍流射流点火模式下的爆震极限范围进行试验，结果表明，该技术可以将发动机的压缩比提高2～3个单位而不引起爆震，这对内燃机提升热效率具有非常可观的潜力[9]。

一些研究人员使用仿真模拟的方式对湍流射流点火系统进行了研究。大连理工大学曲闯[10]对天然气发动机的预燃室内部的燃料混合过程进行了模拟研究，结果显示，预燃室内部直喷燃料具有较高速度并传播到整个预燃室，增强了湍流强度。江苏大学陈良[11]模拟研究发现，燃烧速度与预燃室内部混合气的浓度呈现正相关关系。Shah等[12]的模拟研究表明，射流火焰与主燃室混合气有较强的相互作用。

综上所述，预燃室式湍流射流点火燃烧技术具有显著的优势，但是湍流射流火焰的燃烧过程极其复杂，影响其燃烧特性的因素较多，因此需要进一步探究。在本研究中，模拟实现稀薄混合气下的湍流射流点火模式与传统火花塞点火模式，并且通过缸内压力曲线、燃烧内部冷场的速度场和浓度场、燃烧温度场和湍动能对湍流射流点火燃烧特性进行分析，以期对湍流射流点火技术在发动机上应用提供参考。

1 仿真模型的构建

试验中使用了4缸进气道喷射汽油机，其基本参数见表1。

表1 汽油机的基本参数

1.1 发动机三维模型的建立

本研究的数值仿真研究基于Converge软件，在UG三维建模软件中建立了试验发动机的几何模型，并将几何模型保存为STL格式文件导入到Converge中以获得发动机模型的表面文件，其结果见图1。

在湍流射流点火系统中，预燃室体积约为1.05 cm3(约占主燃烧室体积的1.8%)，预燃室通过6个直径为1.6 mm的喷孔与主燃室相连接。选用RNGk-ε湍流模型描述缸内湍流，选用KH-RT喷雾破碎模型来描述液滴的生成、脱落和破裂为更小的液滴[13]。主要的影响参数包括：KH模型破碎特征时间系数，其控制一次破碎过程的快慢，本研究中设置为7.0；RT模型破碎特征时间系数，其控制二次破碎的快慢，本研究中设置为1.0；RT模型破碎长度系数，该值越小，二次破碎进行越早，本研究中设置为1.0。碰撞模型为NTC模型，蒸发模型为Frossling模型。采用异辛烷和正庚烷来代替汽油燃料，选用详细化学反应动力学燃烧模型(SAGE)，选用152个反应的骨架机理[14]，在求解流体动力学的同时进行化学反应的求解，针对预混合燃烧具有较高的模拟准确性。

基础网格尺寸为4 mm，在燃烧室内部采用2级固定加密，在此基础上增加自适应网格加密技术，通过设置速度梯度(1.0 m/s)和温度梯度(2.5 K)限制在需求的时间内进行自动化网格加密与粗化，最小网格大小为0.25 mm。

1.2 模型验证

通过试验结果对仿真模型计算结果进行验证(见图2)。发动机运行工况为转速3 000 r/min，点火时刻-15°，主燃室分别为当量比燃烧和稀薄燃烧。在仿真模型中，喷油时刻为-440°，进气门开启时刻为-410°，排气门开启时刻为120°，模型从喷油时刻开始计算直到排气门开启。从结果中可以观察到数值模拟结果与试验结果在压缩阶段和燃烧阶段均在误差范围内，因此可以依据此模型进行研究工作。

图2 数值模拟与试验结果的对比

1.3 模拟案例工况

本研究探究湍流射流点火的燃烧特性，并与传统火花塞点火方式进行比对。根据在预燃室内部有无辅助燃料供给，可以将湍流射流点火模型分为两类，一类为无辅助燃料，一类为附带辅助燃料。表2示出了本研究的模拟仿真工况参数，其中案例1～3为传统火花塞点火，案例4～6为无辅助燃料的湍流射流点火，案例7～11为附带辅助燃料的湍流射流点火。设置主燃室混合气浓度(λmain)分别为1.0,1.25和1.5，用于探究稀薄燃烧下的燃烧特性。在附带辅助燃料情况下，设置预燃室混合气浓度(λpre)来探究其对燃烧特性的影响，预燃室内部喷油压力为5 MPa，喷油时刻为进气门关闭后，点火能量设置为120 mJ。

表2 模拟仿真工况

2 模拟结果与分析

2.1 燃烧特性分析

首先通过压力曲线对发动机缸内燃烧特性进行分析。图3示出了在混合气浓度λmain分别为1.0,1.25和1.5情况下主燃室压力曲线和放热率曲线的变化。在λmain=1.0的情况下，在预燃室内无辅助喷油情况下，预燃室内部的混合气与主燃室相同。在湍流射流点火情况下，压力曲线升高明显提前，并通过放热率曲线可以观察到湍流射流点火的燃烧速度快于传统点火方式，这是由于从预燃室喷出的热射流形成了多点分布的点火源，加速了主燃室混合气的燃烧。除此之外，热射流在喷孔处具有较高的燃烧速度，也加速了混合气的消耗。从预燃室的压力曲线可以观察到，在火花塞点火后，预燃室先行着火燃烧，引起了预燃室与主燃室之间的压力差。压力差对喷入主燃室的热射流以及主燃室的燃烧具有重要的影响。

在λmain=1.25情况下，可以观察到在无辅助燃料的情况下，燃烧速率较慢，这主要是由于主燃室的混合气进入到预燃室后，和预燃室原有的空气进行融合形成了更稀薄的混合气，在点火时刻预燃室内平均混合气浓度为1.38。但是在增加辅助喷油后，预燃室和主燃室混合气浓度均为1.25，湍流射流点火依然会加快火焰燃烧速度使得燃烧提前。将预燃室混合气浓度提高到1.0后，由于混合气的化学活性增加，进一步提前了燃烧时刻。

当混合气浓度进一步稀释，浓度达到1.5时，在传统点火模式下，由于混合气过于稀薄，尽管点火能量达到120 mJ，火焰传播速率依然较慢，以至于几乎观察不到明显的压力升高。然而在使用具有辅助燃料的湍流射流点火后，可以观察到明显的压力升高，最高压力为3.62 MPa，相比于λmain=1.0情况，放热率的峰值降低了约50%，降低的原因主要是燃料的化学反应活性降低，但是相对于传统点火最高压力提高66.4%。

图4示出了预燃室混合气浓度λpre为1.0时，不同λmain下湍流射流点火的缸内燃烧温度。在上止点前，随着混合气稀薄程度的增加温度升高，这是因为点火时刻提前导致放热提前。最高燃烧温度随着混合气稀薄程度的增加大幅度降低，由λ=1.0时的2 616 K降低到λ=1.5时的2 043 K。低的燃烧温度会抑制NOx排放物的产生。

图4 缸内温度曲线

图5示出了NOx排放物的生成量曲线。在内燃机排放物中热NOx是最主要的产物，由于稀薄混合气降低了最高燃烧温度，因此NOx排放量大幅度减少。相比于在当量比情况下燃烧，λ为1.5稀薄燃烧情况下的NOx排放量降低了93.9%。因此，采用湍流射流点火燃烧技术配合稀薄燃烧可以实现超低的NOx排放。

图5 主燃室NOx排放物的生成曲线

图6示出了湍流射流点火燃烧工况的压力差。在主燃室混合气浓度不变的情况下，随着λpre的增加，压力差增加，这表明预燃室内混合气活性增加引起燃烧速率增加，进而增大了预燃室与主燃室的压力差，有助于射流火焰传播。另一方面，在预燃室混合气浓度不变的情况下，随着主燃室混合气稀薄程度的增加，压力差减小。这主要是由于稀薄燃烧工况下需要进行点火提前，因而预燃室内部的温度和压力较低，燃烧速率较慢，最终降低了压力差。

图6 不同混合气浓度下的压力差

2.2 燃烧冷场分析

通过模拟方式可以获得清晰的缸内流场信息，以便于对燃烧特性有深入的认识。图7示出了案例4的湍流射流点火系统在点火时刻预燃室内部的流线图。从图中可以观察到，活塞压缩主燃室的混合气通过喷孔进入到预燃室，由于喷孔具有加速作用，预燃室内部气流速度较高，可达到每秒十几米。气流在预燃室中的运动会影响辅助燃料的混合。图8示出了λmain为1.5情况下，在点火时刻预燃室内部的混合气浓度场，图中预燃室的混合浓度λpre为平均值。随着辅助喷油量的增加，预燃室内部的混合气浓度增加。从中可以观察到气流运动的关系，可见混合气浓度不均也会影响到热射流的结构。

图7 湍流射流点火系统预燃室内部流线

图8 点火时刻预燃室混合气浓度

2.3 湍流射流火焰结构分析

图9示出了λmain为1.0情况下，传统点火与湍流射流点火的温度场。可以观察到在传统点火模式下，在火花塞附近形成球形火焰并均匀地向外传播，传播速度主要取决于混合气的化学活性。而在湍流射流点火模式下，火花塞先点燃预燃室内部的混合气，并且火焰锋面在预燃室内部传播，当火焰通过喷孔后，燃烧速率增加，形成高速的热射流以快速消耗主燃室的混合气。从图9截面处发现热射流主要从左侧出现，并结合图10的视图观察，发现热射流在不同喷孔处的状态不同。一是受到预燃室内部气体流动影响，气流速度与火焰面传播方向相同会促进燃烧，因此在图9中预燃室内部左侧的火焰面发展更快，进而先进入到主燃室中；二是主燃室内部的流场布局同样会影响到热射流的发展。

图9 传统点火与湍流射流点火温度场对比

稀薄燃烧的温度较低，一般认为当温度达到1 500 K时就已经发生了燃烧。图10示出了λmain为1.0情况下，传统点火与湍流射流点火的温度等值面图。从中可以明显观察到在TDC时刻热射流的快速传播。

图10 传统点火与湍流射流点火1 500 K温度等值面对比

进一步分析预燃室内部辅助燃料的供给对热射流结构的影响。图11示出了λmain为1.5情况下，不同预燃室混合气浓度下的1 500 K温度等值面图。从图中可以发现，随着预燃室内部的混合气浓度增加，预燃室内部混合气的燃烧速率加快，火焰前锋更快地从喷孔处喷出，其热射流的初始速率更大，这导致了热射流的传播侵入能力更强。在λpre达到1时最优。预燃室体积仅占主燃室体积的1.8%，因此辅助燃料量虽然仅占总燃料量的一小部分，但是能够明显改善发动机燃烧性能。

图11 1 500 K温度等值面

图12示出了主燃室湍动能随曲轴转角的变化。从图中可以观察到，传统点火模式下，火焰的传播会增加湍动能，形成一个波峰。在湍流射流点火模式下，湍动能存在2个波峰，原因可能是从喷孔处喷出的高速热射流形成了第一个波峰，随着侵入距离增加，热射流速度降低，因此湍动能降低。紧接着热射流向周围传播的快速燃烧形成第二个波峰。从预燃室喷出的热射流增加了缸内的湍流强度，进而火焰面快速地传播至整个燃烧室，相比于传统的火花塞点火，湍流射流点火模式增加了缸内湍动能，促进了燃烧速率增加，改善了燃烧特性。

图12 主燃室湍动能

3 结论

a) 相比于传统火花塞点火方式，湍流射流点火方式在稀薄混合气下具有更高的燃烧速率、压力升高率和更好的燃烧稳定性，同时大幅度地降低了NOx污染物的排放，在混合气浓度为1.5时，燃烧最高压力提高66.4%，NOx排放降低93.9%；

b) 预燃室内部的气体流动影响到辅助燃料的混合，进而影响热射流的结构；

c) 当主燃室采用稀薄燃烧方式时，预燃室内有辅助燃料可以增加热射流初始速度，改善热射流结构，增加主燃室混合气消耗速率；

d) 湍流射流点火方式在点火后，主燃室湍动能出现2个波峰，湍动能的增加对燃烧有促进作用。