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燃气发动机燃烧和爆震的多维模拟
Reinhard Tatschl, Peter Priesching, Juuml;rgen Schneider
摘要：以天然气为燃料的内燃机能够在对环境影响相对较低的情况下，实现高效的能量转换。根据特定的应用，现有燃料的质量和必须满足的排放法规，有多种不同类型的燃气发动机燃烧系统可供使用。气体燃料发动机的主要性能和效率限制因素与部分负载下天然气较低的可燃性，以及在高负载条件下出现异常燃烧（爆震）有关。本文概述了多维CFD模拟工作流程，以研究和评估不同类型的天然气内燃机发动机中的火焰传播和爆震特性。模拟发动机工况下火焰传播/燃烧的最常用方法是描述了预火焰反应的模型，这种模型最终会导致火焰之前未燃烧的缸内充量的爆震。本文根据选定的应用示例，提出了该模型在反映火焰传播和发生爆震的基本特征方面的性能和功能。
关键字：燃气发动机，模拟，燃烧，效率，爆震
- 绪论
在过去的几十年中，人们一直在不断努力减少内燃机对环境的影响，特别是在排放二氧化碳和各种规定的污染物（例如氮氧化物，微粒，未燃烧的碳氢化合物等）方面。在许多内燃机应用中，天然气是汽油和柴油燃料的有效替代品。由于其燃烧特性，天然气非常适合NOx排放水平较低的稀薄燃烧，并且其高辛烷值允许天然气在较高压缩比下燃烧。天然气发动机效率和排放特性这两方面，对于运输和发电的广泛应用而言很有吸引力。由于它们的高效率和对环境的低影响，以天然气为燃料的发动机已经很好地用于固定式发电，并在船舶，机车和汽车应用中得到了越来越多的关注。然而，天然气的火焰速度较低，这会引起在部分负荷运行时火花点燃的火焰引发问题，并且进气口燃料的进入会导致由于低密度天然气替代空气进入而造成的功率密度损失。此外，尽管天然气辛烷值较高，可以在更高的压缩比下燃烧，但是爆震仍然是高负荷运行条件下，效率的主要效率限制因素之一。柴油先导喷射，主动和被动预燃室的概念以及将气体直接喷射到主燃烧室中有助于应对这些困难，但是要以大大增加燃烧系统开发和优化工作为代价。由于需要缩短开发时间，因此在开发和现场测试阶段需要更少的硬件原型，因此需要可靠的仿真工具来准确预测主缸内过程。近年来，已成功建立3D-CFD，作为缸内压力分析，光学混合物形成和燃烧诊断的补充工具，用于计算内燃机中的流体流量，混合物形成和燃烧。计算结果的准确性以及CFD仿真对发动机开发过程中主要设计决策的潜在贡献，在很大程度上取决于可实现的仿真项目周转时间，以及用于处理单个气缸物理和化学模型的可靠性。基于当今可用的模型和方法，3D-CFD仿真能够提供有关各种缸内流动和混合气形成量的定量时间和空间解析信息，并且如今已经有助于更好地理解以天然气发动机的燃烧过程。此类有关控制缸内过程的详细信息，对于深入了解因果关系链是无价的贡献，并为效率和污染物排放特性方面的燃烧系统优化奠定了基础。本文概述了有关如何利用多维CFD来调查和评估不同类型的天然气发动机中火焰传播和爆震开始特性的方法。在对数值解法进行了简短概述之后，提出了用于模拟发动机工况下火焰传播/燃烧的专用模型，以及描述预燃反应的最终选定方法，这些方法最终导致未燃烧的缸内充量在火焰前锋面之前爆燃。根据选定的应用示例，介绍并讨论了模型在反映火焰传播和爆震开始的基本特征方面的特性。
- CFD模拟方法
本章概述了用于模拟内燃机流动、混合物形成和燃烧的总体CFD方法。包含CFD求解器和建模细节的工作流说明以及所示的计算结果均基于商业CFD代码AVL FIREtrade;。
- 仿真内核
AVL FIREtrade;能够使湍流反应流在运动收缩/膨胀发动机几何形状中的模拟，采用各种不同液体和气体燃料类型。模拟内核解决了质量，动量和焓的一般守恒方程，以及与湍流有关的数量和化学物质的附加转运方程。根据所采用的物理和化学子模型，还要考虑其他标量，例如流体体积分数，混合物分数，反应进程变量，火焰表面密度等。该解决方案方法基于完全保守的有限体积方法，该方法支持具有元素的任意非结构化计算网格，这些元素包含任意数量的单元面（多面体元素）。在计算单元的中心，对动量，压力，密度，湍动能，耗散率以及其他标量（例如化学物种，火焰表面密度等）的所有因变量进行了评估。引入了针对梯度和像元面值的特殊连接和内插方法，以适应多面体计算量。整体求解过程是迭代的，适用于所有速度的湍流，包括超音速流。为了求解，采用了由控制方程离散化形成的大量线性方程组、高效的预处理共轭梯度法和代数多重网格方法。设置各种初始条件和边界条件，以使任何模拟的设置与实际流动问题相匹配，例如气体混合，冷却剂流动和热传递[1、2、20]，如图1所示。为了满足不同领域的要求，在应用程序中，可以以稳定或瞬态（时间步长和曲柄角）模式设置仿真。为了在多处理器硬件上执行，采用了域分解并行化方法，该方法能够有效解决包含大量计算单元的流动问题。
图1.发动机湍流和传热选定的CFD模拟结果；进气口（左）冷却液流（中），燃烧室气体侧传热（右）
- 发动机几何建模
通过适用于所有类型的火花点火和压缩点火发动机的适当的网格生成方法，可以实现运动发动机几何形状的计算表示。AVL FIREtrade;的啮合模块包括先进的网格生成技术，可实现所有类型的发动机几何结构的快速无缝啮合，包括复杂的预燃室，火花塞和喷油器细节，如图2所示。根据所采用的网格划分技术，所得的计算网格由多面体元素，在局部细化和过渡区域附近的带有棱柱和棱锥的六面体元素或以块结构方式排列的六面体元素组成。自动化的网格运动技术和用于解决几何细节的算法为所有相关的网格生成任务提供了最大的灵活性。网格运动基于建立在运动域的不同位置（通常在不同的活塞/阀位置）的相同拓扑的网格之间的插值。为了在考虑的整个曲柄角间隔内确保活塞/阀运动期间的最佳啮合质量，采用了重新分区流程。
图2.采用不同网格技术生成的计算网格；多面体网格（左）非结构化六面体网格（中），块结构六面体网格（右）
- 燃烧和爆震建模
内燃机中的燃烧行为主要取决于缸内湍流、混合气化学计量以及未燃烧进料中的缸内压力和温度条件。因此，局部湍流反应速率由燃料化学性质和相关的层流燃烧速度以及湍流场对反应区的影响决定。为了计算IC引擎中的预混合、部分预混合以及非预混合燃烧，AVL FIREtrade;中提供了不同复杂程度的模型。这些可以通过湍流/化学相互作用模型，采用的烃反应机理以及湍流反应区本身的数值处理来区分。
- 预混火焰传播
用于模拟预混火焰传播的火焰跟踪模型基于以下假设：在典型的发动机工况下，湍流火焰前沿的化学反应比湍流混合过程快得多。因此，与湍流场的长度尺度相比，火焰前沿可以认为是薄的，因此可以通过在燃烧室中传播的连接表面来近似[8]。火焰表面的传播特性取决于湍流反应、火焰后面的热燃烧产物的膨胀以及缸内充气运动引起的对流传输的综合作用。火焰传播过程本身的数学表示是在表面跟踪算法（例如水平集方法[11]）的基础上实现的，该算法有效地结合了控制缸内流量、温度和混合物组成方面的相关守恒方程。
用合适的湍流火焰速度关联来描述局部湍流火焰速度，就是其由反应区中的化学动力学和由于其与湍流缸内充量的相互作用而引起的火焰锋起皱来确定[9，16，8]。 在此基础上，可以通过模拟很好地反映出局部燃料/空气当量比、局部残余气体浓度、缸内压力和温度条件以及局部湍流强度对火焰表面传播速度的影响。对于一组代表性的液体和气体燃料，这些相关函数很容易获得，而对于未知的燃料，可以从实验研究中得出。火焰跟踪模型的应用可以无缝分析开放式燃气发动机中的火焰传播特性，例如评估不同的气缸充气运动、活塞碗的几何形状和火花点火系统功能的影响。
图3.开室式燃气发动机燃烧；火焰前角在活塞上止点后5度曲轴转角（左）和后25度的曲轴转角。
图3用燃烧室的俯视图表示出了开放室研究发动机中的火焰传播特性。对应的发动机是以小型涡轮增压4缸直列柴油发动机为基础。 原始发动机的柴油喷射器被位于中心的7孔气体喷射器取代。 在早期压缩冲程期间，将约40 bar的甲烷直接注入燃烧室，从而在燃烧前将燃料与缸内装料良好地均匀混合。 发动机具有火花塞点火系统，火花塞处于偏心位置。火焰前沿以等温面表示，等温面分别将未燃烧和已燃烧的混合物分隔在反应区的前面和后面。 在左图中，显示了在TDC点火后5度曲轴转角处的火焰位置，不对称火花塞位置的残留物仍然清晰可见。 在TDC之后25度曲轴转角，火焰在后期燃烧阶段显示出更加对称的模式。 结果清楚地证明了采用的火焰跟踪模型能够提供详细的火焰传播特性以及缸内流场、活塞形状和火花塞位置之间的因果关系。
- 周期燃烧变化
用于模拟发动机中预混合和部分预混合燃烧的相干火焰模型，是基于求解火焰表面密度的运动方程，并考虑了由于湍流效应引起的火焰起皱以及化学反应导致的火焰表面熄灭。相干火焰建模方法中用于预混燃烧的层流火焰速度信息可从相关经验（例如[15]）中获得，也可以从详细的化学动力学计算和根据温度、压力、当量比和残余气体含量的层流火焰速度数据中获得[4，5]。详细的动力学计算和层流火焰速度数据的制表与CFD计算无关。 采用快速插值算法来处理列表化的火焰速度信息，可确保CPU在CFD模拟中有效利用详细的化学动力学信息。 为了描述反应区中的燃料氧化反应，使用还原烃化学动力学方案与平衡化学方法相结合，以分别模拟火焰内和火焰后区域中的高温氧化过程。基于相干火焰模型的大涡模拟（LES）变体，预混合火焰传播的循环解析模拟可以分析和评估发动机燃烧过程的逐周期变化[24，25]。 相干火焰模型在处理火焰拉伸和曲率方面的适当扩展确保了其在LES模拟环境中的成功应用。 为了定量反映循环解析缸内压力曲线的变化，采用的火花点火模型考虑了亚网格规模过程对初始火焰核的大小、位置和初始火焰表面密度的影响[24]。 大型燃气发动机具有灵活性，可以运行各种类型的气体燃料（例如沼气，稀薄气体和井下气体）。但是，气体成分对发热量和甲烷值有很大影响，因此对可燃性、功率输出和耐爆震性有很大影响。
图4.预燃室火花塞中燃烧的逐周期变化；在上止点前20°CA（上面一行）和上止点前14°CA（底下一行）的单个循环的温度场
制定可靠点火和最小化逐周期燃烧变化的策略的主要前提是，对导致燃烧过程从一个循环到另一个循环的循环分散原因的详细理解。常规的气缸压力指示能提供关于周期到周期燃烧变化的信息，并且还能够量化从一个周期到另一个周期的缸内压力变化。但是，为了确定循环之间燃烧变化的起源，需要详细的循环解析，以了解局部控制的缸内流动、混合物形成以及早期阶段的火焰传播，包括它们之间复杂的相互作用。图4显示了采用LES在两个不同的曲轴角位置进行的四个发动机循环的无源预燃室火花塞中的模拟循环解析温度分布。特别是在TDC之前的14°曲柄角位置获得的结果中，对于预燃室本身的条件和从预燃室排出并进入主燃烧室热燃烧产物射流，温度场的周期间差异变得显而易见。此类结果为燃烧系统开发工程师如何专门适应预燃室的尺寸和形状提供了明确的指示，以便在所有相关的运行条件下实现最佳的燃烧稳定性。
- 柴油双燃料燃烧
通过采用量身定做的扩展，相干火焰模型也适用于双燃料燃烧，能够同时考虑所有相关的燃烧状态[7，14]。扩展原始模型公式可正确模拟双燃料燃烧子过程，即双燃料混合物着火延迟的处理，自燃后的初始火焰表面密度以及稀薄气体/空气混合物中的火焰前沿传播。使用与双燃料相容的反应机理进行详细的化学计算构成了点火延迟表的基础，该数据表涵盖了在双燃料燃烧模式中通常采用的两种不同的燃料：天然气和柴油[6]。与柴油引燃自动点火后燃烧区域中初始火焰表面密度沉积有关的扩展解释了燃烧产物的热膨胀和局部湍流效应。火焰前传播过程由火焰表面密度传输控制，采用层流火焰速度数据来说明天然气和柴油的混合成分变化。相干火焰模型的双燃料版本的有效性已在排量约为6升的大型高速四冲程单缸柴油-汽油双燃料发动机中得到证明[7]。
测量是在发动机试验台上进行的，对提供给发动机的所有介质（例如增压空气，燃烧气体，冷却水和润滑油）进行适当调节。 稀薄的天然气-空气混合物用于研究燃烧过程。 共轨系统具有最高1600 bar的轨压，为引燃气-空气混合物的先导喷射提供了高压柴油燃料供应。 喷油嘴位于气缸盖的中央，并有四个对称布置的喷嘴孔。
选择标称发动机功率下的喷射正时变化作为验证双燃料模拟模型的基础。 从基线工作点开始，喷射时间在-10°CA和 10°CA之间变化。 图5中的结果清楚地表明，在非常小的柴油分数下，喷射正时在20°CA范围内的变化会对燃烧过程产生重大影响。 柴油、天然气和空气的质量流量会根据工作点的效率而变化。 因此，选择的三个工作点为研究仿真模型描述燃烧行为差异的能力提供了良好的基础。 从图5中的时间和空间解析结果可以看出，喷射正时强烈影响柴油与天然气-空气混合物的混合、混合物的着火位置以及火焰前沿传播特性，这些特性与单个燃料的混合和着火现象有关。
图5左侧显示了三个工作点的测量结果和仿真结果的比较，比较了使用0D发动机循环工具后处理后的放热率。提前喷油，放热率呈现出非常对称的形状，模拟结果与测量值非常吻合。在基线喷射正时，放热率表现出略有不同的行为，呈现出最有可能与柴油自动点火相关的一种预混合峰。在较晚的喷射正时情况下，测得的柴油自燃预混合峰更为显着。
图5：双燃料发动机燃烧； 在三种不同的注入时间下模拟与测量的放热速率（左）和反应进程变量等值面（右）的对比[7]
以上结果清楚地表明了对自动点火正时和位置、详细的火焰传播特性以及燃烧系统参数变化对能够提供的整体燃烧行为的新开发双燃料相干火焰建模的影响。除了喷射正时变化之外，可以轻松地分析和评估变化的柴油喷射量，喷射器孔数，喷嘴尖端伸出和角度变化以及背景混合物化学
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