论文导读：：使用三维仿真软件建立了增压稀燃LPG发动机缸内燃烧模型，对工作过程中的压缩、燃烧和膨胀过程进行了数值模拟。在模型得到试验的有效性验证的基础上，计算分析了单、双火花塞不同点火模式对发动机工作过程的影响并通过实验验证了仿真计算结果。结果表明：采用双火花塞点火（DSI）与单火花塞点火（SSI）相比，缩短了火焰传播距离、急速形成较强烈的涡流、大幅度加快了火焰的传播速度、减轻了爆震、降低了排温、提高了热效率、使发动机具有较好的动力性及经济性。

　　论文关键词：内燃机LPG，点火方式，燃烧特性

　　0 引言*

　　人类对于自身的生存环境及空间的保护意识日益强烈，内燃机的主要发展方向已着眼于燃油消耗、排放、噪声等环保指标，为此清洁代用燃料被广泛使用。目前比较成熟的代用燃料主要为液化石油气（LPG）及压缩天然气（CNG），其中LPG成本低、物化特性接近于汽油，甚至在抗爆性及单位体积热值方面优于汽油，是一种优秀的替代燃料[1～3]。

　　但是由于LPG燃烧速度较慢，燃烧持续时间较长，引起了热效率低、气耗高、排放差、排温高、爆震边界窄等严重影响发动机性能的问题[4,5]（采用稀燃技术后，这些问题更加突出）。为解决这些问题，本文利用AVL-FIRE三维仿真软件计算分析了不同点火方式对发动机燃烧特性的影响，通过仿真结果及实验验证杂志铺，得出能改善缸内燃烧、提高发动机性能的点火方式。

　　1 实验样机及台架介绍

　　本研究的实验样机以四缸柴油机为原型，进行了针对LPG燃料的改装。发动机采用了增压稀燃技术及电控闭环预混合技术并根据研究需要采用了多模式点火驱动技术。具体参数由下表1给出：

　　表1 实验样机参数

　　Tab. 1 The parameter of the experimental prototype（EP）

　　项目

　　规格

　　说明

　　缸数

　　4

　　缸径×冲程

　　108×115

　　单位mm

　　排量

　　4.214

　　单位L

　　额定功率/转速

　　103KW/2800 r·min-1

　　115KW/2800 r·min-1

　　单点火模式

　　双点火模式

　　最大扭矩/转速

　　420 N·m/1400-1800 r·min-1

　　430 N·m/1400-1800 r·min-1

　　单点火模式

　　双点火模式

　　1000rpm扭矩

　　320 N·m

　　吸气方式

　　增压中冷

　　空—空中冷

　　燃气系统

　　TBD

　　噪声

　　<94 dB

　　1m声压级

　　发动机重量

　　<380Kg

　　电控系统

　　ECI （多模式点火驱动）

　　预混合闭环控制

　　燃烧特性

　　图1 实验样机电控系统

　　Fig.1 The electriccontrol system of the EP

　　本实验样机的电控系统结构如图1所示，该控制系统采用分区控制方法，能够精确控制不同稳定工况及过度工况下燃料的浓度及点火提前角。（燃料浓度即过量空气系数的倒数，该样机的燃料浓度范围控制在0.65至0.78之间）。针对本文的研究内容，对控制系统点火驱动进行了重新设计，使其具有两种工作模式：单火花塞点火及双火花塞同步点火。搭建具有自动控制及高速数据采集能力的实验台架配合本文的实验工作。实验台架如图2所示。

　　燃烧特性

　　图2 增压稀燃LPG发动机实验台架

　　Fig.2 The Supercharging leanburn engine test bench

　　2 仿真计算数学模型及参数设置

　　AVL-FIRE软件在满足计算流体力学要求的三个最基本方程（质量守恒方程、动量平衡方程和能量守恒方程）的同时，提供了针对内燃机工作特点的湍流模型、着火模型、燃烧模型等，本文针对LPG发动机工作过程的特点，依据不同模型的内部机理和适用范围，进行了相应的选取和参数设置。

　　2.1 湍流模型

　　发动机缸内的气流运动强烈地影响着LPG的着火和燃烧过程，同时缸内存在着密切耦合在一起的多种大尺度运动（旋流、滚流和挤流）和微小涡团的湍流运动，有必要通过湍流模型的恰当选择来更真实地反映缸内的气流运动。在大量的国内外对内燃机工作过程仿真研究中，绝大多数使用了目前研究得比较成熟的标准k-ε双方程模型，针对发动机的工作特点，经过不断的修正和改进，现己成为比较完善的模拟发动机缸内多维流动的湍流模型，同时它还具有计算稳定性高、计算机资源的要求低等特点，因此本文也采用了此模型。

　　2.2 着火模型及燃烧模型

　　LPG发动机由火花塞点燃混合气，所以本文采用了AVL-FIRE中的火花着火模型。一旦形成稳定的火焰核心，计算过程转入燃烧模型。由于LPG以预混合气的方式进行火焰传播方式的燃烧杂志铺，同时缸内呈现剧烈瞬变的湍流流动，它对火焰的传播、拉伸与熄灭等现象具有决定性作用，进而极大地影响着火焰传播速度和燃烧速率，为此本文选择最适合这种燃烧方式的ECFM模型。

　　ECFM模型在标准拟序火焰模型（Coherent Flame Model，CFM）和MCFM模型的基础上进行了扩展。模型使用两步化学反应机理，考虑了在化学当量比和富燃料状态下的CO和H2生成。同时，模型假设高温条件下的已燃气体中虽然不存在燃料，但可发生化学反应。按照Meintjes／Morganku快速平衡反应机理和Zeldovich机理进行污染物计算。ECFM 模型在AVL-FIRE中提供，用于模拟火花点火发动机中的预混燃烧、敲缸和污染物生成。

　　2.3 仿真计算初始条件及边界条件

　　仿真计算过程中，对涉及发动机缸内过程的计算是以曲轴转角作为时间计算步长的，从进气门关闭（228°CA）开始，到排气门打开时（467°CA）为止；发动机的初始温度为420K，初始压力为173KPa，初始密度为1.8Kg/m^3；气体的初始速度可通过涡流比计算，本文发动机的涡流比为2.4；进气门关闭时的湍动能TKE=50m^2/s^2，湍动能耗散率TDR=19364.9 m^2/s^3，湍流长度尺度TLS=0.003m。

　　温度边界采用恒温边界，分别取缸盖底部温度、气缸壁温度、活塞顶部温度为600K、550K和650K。速度边界条件设定为：气缸盖和气缸壁静止壁面的速度为零，活塞顶的速度等于活塞运动速度。

　　3 仿真计算及结果分析

　　本文对发动机全速全负荷工况下（n=2800 r·min-1，燃料浓度为0.73），单、双火花塞点火的缸内燃烧情况进行了仿真计算。

　　360°CA

　　364°CA

　　368°CA

　　372°CA

　　376°CA

　　双火花塞点火不同曲轴转角时的火焰面密度

　　单火花塞点火不同曲轴转角时的火焰面密度

　　双火花塞点火不同曲轴转角时的湍动能

　　单火花塞点火不同曲轴转角时的湍动能

　　图3 单、双火花塞点火的火焰面密度及湍动能

　　Fig.3 The flame surfacedensity and turbulent kinetic energy of DSI & SSI

　　燃烧特性

　　图4 单、双火花塞点火缸内平均压力

　　Fig.5 The average cylinder pressure of DSI & SSI

　　采用以垂直于Y轴的平面代表燃烧室的空间断面杂志铺，竖直方向切片是通过气缸中心线的平面。双火花塞点燃时，火花塞对称布置，位置坐标分别为（0.0229，0.002，0.1157）和（-0.0229，-0.002，0.1157）。单火花塞点燃时，火花塞布置在气缸中心，

　　图5 单、双火花塞点火缸内平均湍动能

　　Fig.5 The average turbulentkinetic energy of DSI & SSI

　　其位置坐标为（0.0006，0，-0.0005）。仿真计算了不同点火方式缸内燃烧的火焰面密度、湍动能、温度场分布、绝对压力场分布等。本文选择能较直观反映不同点火方式对缸内燃烧影响的火焰面密度、缸内平均压力及湍动能来进行对比分析。

　　双火花塞点火360°CA时形成火焰核心，之后火焰由此火焰核心向外传播，燃烧过程进入急燃期。相对单火花塞点火，双火花塞点火急速形成较强烈的涡流（图3、图5），大幅度加快了火焰的传播速度，同时火焰传播距离缩短，燃烧所用的时间也相应缩短（图3）。同时可以看出急燃期DSI发动机的压力升高率明显比SSI发动机的大，缸内压力在极短的时间内就超过了SSI发动机，且所达到的最高压力高于SSI发动机。以曲轴转角计，DSI发动机急燃期时间明显比SSI发动机的短（图4）。由于双火花塞燃烧时间缩短，点火提前角相对但火花塞点火显著推迟杂志铺，因此点火时燃烧室混合气的温度和压力都较高，有利于着火和速燃。

　　综上所述，通过仿真结果可以看出双火花塞点火相比单火花塞点火：湍动能更强烈、缸压升高率达、火焰传播距离短、火焰燃烧速度快、燃烧持续期短。

　　4 实验及结果分析

　　图6、图7为双火花塞点火与单火花塞点火的缸内压力曲线对比。增压稀燃LPG发动机的运行工况分别为：2000 r·min-1 70% 燃料浓度0.72 提前角20°CA；2800 r·min-1 50% 燃料浓度0.71 提前角20°CA。

　　图6单、双火花塞点火气缸压力曲线比较（2000 r·min-1 70% ；燃料浓度：0.72 提前角：20°CA）

　　Fig.6 The cylinder pressure of DSI & SSI

　　（2000 r·min-1 70%; fuel concentration: 0.72; ignition advance angle:20°CA）

　　分析图中曲线并结合燃烧分析仪得到的其他实验数据（压力升高率、放热率、质量放热率等，本文中不一一列出）得出：双火花塞点火相比单火花塞点火对LPG 燃烧过程的促进作用较大。双火花塞点火模式的对称布置缩短了LPG 完全燃烧的火焰传播距离，有效提高了燃烧速率，有利于LPG 燃烧过程火焰的快速发展，明显缩短了LPG 燃气的燃烧持续期，提高了LPG 的放热率。较高的最大燃烧压力，及其提前的对应相位角，其结果使LPG发动机获得较大的膨胀比，提高了发动机的热效率。

　　图7单、双火花塞点火气缸压力曲线比较（2800 r·min-1 50% 燃料浓度0.71 提前角20°CA）

　　Fig.7 The cylinder pressure of DSI & SSI

　　（2800 r·min-1 50%; fuel concentration: 0.71; ignition advance angle:20°CA）

　　图8 单、双火花塞点火发动机外特性曲线及气耗

　　Fig.8 The External Characteristic and FuelConsumption of DSI & SSI

　　图8为单、双火花塞点火发动机外特性曲线。单火花塞点火时，发动机受到排温（考虑增压器承受能力，不能高于750℃），爆震等条件的约束。通过标定改变点火提前角及燃料浓度，也很难提升中高转速区的功率。采用双火花塞点火，发动机热效率提高，排温明显降低，而且爆震边界拓宽，中高转速区域的功率有较大提升，并且双火花塞点火快速燃烧有利于拓展LPG 稀薄燃烧的燃烧稀限，在整个点火提前角的变化范围内杂志铺，双火花塞点火LPG 燃烧稀限值比普通单花塞点火有大幅度的提高，在整机标定过程中可以采用更稀的混合气浓度。

　　综上所述，通过实验结果可以看出：双火花塞点火燃烧速度快、热效率高、排温低、爆震边界及燃烧稀限宽、提高了发动机的动力性及经济型。同时实验结果也验证了仿真计算结果的合理性。

　　4 总结

　　本文应用AVL-FIRE建立了三维燃烧模型，通过样机前期实验数据校核参数保证了模型的正确性及有效性。通过仿真计算及实验分析了单、双火花塞点火发动机缸内燃烧的影响。得出以下结论：

　　1）双火花塞点火火焰传播距离缩短，同时急速形成较强烈的涡流，大幅度加快了火焰的传播速度，燃烧所用的时间相应缩短，大幅度提高了热量利用率。

　　2）双火花塞点火燃烧时间缩短，最大转矩的点火提前角可以显著推迟，因此点火时燃烧室混合气的温度和压力都较高，有利于着火和速燃。

　　3）双火花塞点火拓宽了爆震边界和稀薄燃烧的燃烧稀限。同时，排温得到有效降低。

　　4）双火花塞点火使增压稀燃LPG发动机具有更好的动力性经济性。

　　参考文献

　　1.Bayraktar H, Durgun O. Theoretical investigationof using LPG in spark-ignition engines. The first aegean energy symposium andexhibition. Denizli, Turkey, 2003. P. 284–9.

　　2.S. Murillo, J.L. Miguez, J Porteiro, Viabilityof LPG use in low-power outboard engines for reduction in consumption andpollutant emissions, Int. J. Energ. Res. 27 （2003） 467–480.

　　3.Hakan Bayraktar, Orhan Durgun, Investigating theeffects of LPG on spark ignition engine combustion and performance, EnergyConversion and Management 46 （2005）2317–233

　　4.Yung-Jin Kim, Ki-Bum Kim and Ki-Hyung Lee, TheSpray Characteristics of a Liquid Phase LPG Port Injection Type Injector for a RemodeledDiesel Engine, SAE, paper No. 2009-01-1879,2009

　　5.A. Boretti and H.C. Watson, Development ofadirect injection high efficiency liquid phase LPG spark ignition engine, papersubmitted for presentation to the 2009 SAE Power train Fuel and Lubricants Conference,Florence, Italy, June 2009. SAE P. 09SFL-0006