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摘 要:近年来,由于环保法规越来越严格和石油紧缺日益突出,节约能源、降低排放已成为全世界关注的焦点。发动机在大负荷时存在热负荷高、火焰传播速度低等问题。因此,本文旨在通过双火花塞点火技术实现燃料快速燃烧来研究发动机的性能。通过AVL-FIRE软件对双火花塞点火的燃烧过程进行分析,得出改变双火花塞位置對发动机性能的影响,以及双火花塞发动机相对单火花塞发动机的优点。
关键词:双火花塞;汽油机;缸内温度;缸内压力
1 双火花塞发动机的研究现状
由于缸内燃烧对发动机性能有很大影响,发动机小型化、低排放以及高经济性已经成为发动机发展的主要潮流,同时还要保证动力性满足使用要求,双火花塞点火技术能够很好地解决上述矛盾。双火花塞点火方式一般分为两种:同步点火和异步点火。通过这样的点火方式可以有效减小火焰传播距离,大幅度提高火焰传播速度,从而达到提高压缩比和快速燃烧的目的。Ramtilak等人[1]在发动机台架上对双火花塞点火技术进行了研究,结果表明:该技术可以有效提高发动机的经济性、排放性和动力性。陈明飞等人[2]对单火花塞点火和双火花塞点火的缸内压力进行比较。试验结果显示:双火花塞点火技术大大改善了发动机的动力性,夏怀成等人[3]搭建三维仿真平台来研究对比单、双火花塞点火对缸内燃烧过程以及缸内压力变化的影响。试验结果显示,双火花塞点火在火焰传播速率和最高爆发压力方面相对于单火花塞点火有显著的提高,极大的改善了发动机的工作性能。世界上许多企业也开始涉足双火花塞点火技术的研究,其中,雪铁龙公司[4]在小排量发动机上开展了双火花塞点火技术的研究分析,在中等负荷、不同的EGR下探究了单、双火花塞点火技术在不同点火时刻下的规律曲线,实验结果表明:还将明显减小火焰传播距离,提高发动机压缩比,整机性能得到大幅度改善。
2 研究方法
本文通过AVL软件就双火花塞在3种分布位置(图1)时对缸内燃烧过程影响程度进行了研究并优化最佳的点火位置。之后再利用AVL软件进行仿真来对比分析单双火花塞点火缸内燃烧压力和温度等参数。
3 研究内容及结论
3.1 双火花塞不同布置时的参数分析
众所周知,火花塞的安装位置能够对发动机的性能具有很大影响,不同位置的火花塞布置可以影响点火能量、燃料燃烧的完善程度以及火焰传播速度。图2~5所示为在转速为3000r/min、当量比为1、点火提前角为700°CA、70%负荷下,双火花塞在不同位置时的放热率、缸内压力、缸内温度以及一氧化氮排放随曲轴转角的变化曲线[5]。
从图2~5不难看出:三种双火花塞位置布置时所产生的缸内压力和缸内温度的变化曲线基本一致,表明双火花塞布置位置对缸内压力和缸内温度的影响不大。然而在不同位置放热率和氮氧化物的排放有着明显的差异,其中S-1和S-3位置的放热率峰值相位比S-2位置处的峰值相位提前1.2℃A,放热率峰值高10.5J/℃A。S-1位置生成的一氧化氮排放量要高于S-2和S-3位置,这说明S-1位置可以提高放热率,可适当提高发动机的热效率,但与此同时NO的排放相对增加。
3.2 单、双火花塞点火性能对比
以下为在当量比为1、点火提前角为700℃A、70%负荷下单、双火花塞点火对缸内物理参数影响的比较,如图6~9所示。
从缸压对比图中可知,双火花塞点火技术相对于单火花塞而言可大幅度提高缸内压力,其中双火花塞点火的压力峰值大约是单火花塞压力峰值的1.21倍,峰值相位提前约9℃A,压力升高率峰值高出1.72倍,峰值相位提前5℃A。由下面单、双火花塞点火时平均温度比较图和单、双火花塞点火时一氧化氮排放比较图不难看出:双火花塞点火时缸内温度和热负荷都比单火花塞点火高,由于缸内燃烧温度上升,自然导致双火花塞点火时的NOx排放增加。通过图9可以看出点火方式对燃料的反应速率影响很大,图中列出了单火花塞点火反应率乘系数2的曲线,在上止点前双火花塞点火反应率与单火花塞点火反应率的2倍具有相同上升趋势,数值的不同是由于S位置和3位置的火花塞产生火焰情况不同导致的,后期燃烧时双火花塞点火时的反应速率逐渐下降。
4 总结与展望
(1)本文通过分析双火花塞不同位置型线来研究其对缸内参数的影响,试验结果显示:在S-1、S-2和S-3三个位置时,缸内压力、缸内温度和放热率都有类似的变化曲线。但由于两火花塞分布在S-1位置时的间距相对其他两位置较远且对气缸的热负荷有较高的要求,而在S-2位置时,燃烧室的结构很大程度上限制了燃烧过程中火焰的传播。因此,从对发动机性能的影响和制造要求方面考虑,S-3位置是最佳布置位置。
(2)本文进一步对比单、双火花塞性能的优劣,从实验仿真结果不难看出:双火花塞点火技术能够显著加快火焰传播速度从而相对减小了火焰传播距离和增加了燃油的消耗量;但该技术仍然存在一些弊端需要改进,比如在燃烧过程中的某一时刻压力急剧上升容易引起发动机振动加剧,工作粗暴,影响发动机寿命。
参考文献:
[1]Ramtilak A,Joseph A,et.al.Digital twin spark igniion forimproved fuel economy and emissions on four stroke engine[C].SAE 2005-26-008.
[2]陈明飞,黄永生,张力,侯建军,李强.发动机单双火花塞点火性能对比研究[J].小型内燃机与摩托车,2011,40(03):23-26.
[3]夏怀成,安子军,孙泽,邸立明.双火花塞发动机性能的仿真分析[J].机械设计,2012,29(05):76-80.
[4]Lauvergne R,Hallot J.Investigation of the Effect of DoubleIgnition on the Combustion Processes in a 2-valves GasolineEngine Through 3D Simulation[J].SAE Transactions,2003-01-0010,112:87-99.
[5]李垂孝.双火花塞对低排放天然气发动机燃烧影响仿真研究[D].吉林大学,2016.