章杨昊,邓晰文,2,冯 战,朱蕊东,2,苏小斌

(1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室, 昆明 650500;2.云内动力有限公司 云南省内燃机高原排放重点实验室, 昆明 650200)

0 引言

与传统的往复式内燃机不同,转子发动机具有结构简单、体积小、功重比高和便于布置的优点[1],并且可以燃用汽柴油、天然气、氢气等多种燃料[2]。由于转子发动机以三角转子旋转代替活塞往复运动,在高转速工况下有较好的性能和稳定性,在无人机、军用小型发电机组、新能源汽车增程器等领域有着较大的应用潜力[3]。

转子发动机在高速运转时,缸内气流主要为高速的单向流动[4]。由于火焰的传播速度不高[5],燃烧不充分,从而降低转子发动机的动力性能,增加了污染物的排放[6]。与汽油相比,甲醇燃料在燃烧时有较高的层流火焰速度[7]。在往复式发动机中,杜丹丰等[8]将汽油机燃料替换为甲醇,通过优化压缩比和空燃比将原机单缸最大功率和扭矩分别提高了6%和10%,同时当量油耗下降15%。韩荣等[9]在一台光学复合喷射系统发动机上研究,发现随着汽油中的甲醇替代比增加,发动机缸内峰值压力不断增加,排气温度降低,排放降低。VanCOillie等[10]研究了甲醇汽油双燃料对发动机性能的影响,结果表明,掺混了甲醇的燃烧过程较单汽油而言,燃烧过程的等容度增加,泵气损失降低,发动机整体效率提升了10%。Latey等[11]以一台单缸直喷汽油机为研究对象,使用掺混比例为20%的甲醇汽油燃料进行试验,结果表明,在使用这种甲醇汽油燃料后,发动机燃烧过程有所改善,排放下降显著。Zeng等[12]研究了甲醇汽油双燃料转子发动机湍流射流点火模式的点火和燃烧过程, 结果表明,点火位置和点火时刻可以改变射流火焰与缸壁的撞击时刻、射流火焰的强度和射流火焰进入气缸的位置,显著改善气缸内的点火和燃烧过程。以上研究多数以往复式内燃机为研究对象,针对在汽油中掺混甲醇对转子发动机性能的影响研究还少有报道。

为此,结合转子发动机特殊的燃烧室结构和燃烧方式,选取甲醇和汽油作为转子发动机的燃料,提出等效往复式三缸四冲程发动机的转子发动机性能仿真模型建模思路。研究甲醇汽油中甲醇的掺混比对转子发动机性能的影响,为转子发动机性能优化提供参考。

1 仿真模型建模理论

1.1 等效标准

一维仿真具有建模简单、计算速度快等优点,减少了网格划分和繁多的设置步骤,并为三维仿真提供了边界条件。通过建立等效往复式三缸四冲程发动机一维模型,可以快速预测转子发动机的性能,为转子发动机性能优化提供依据。

转子发动机的三角转子将3个燃烧室的循环角度均分为360°CA,换言之,在往复式发动机模型中,各缸的进排气角度的间隔为240°CA[13]。对于燃烧过程来说,容积变化影响到了气缸的燃烧过程以及充量系数的变化,等效发动机需要和转子发动机有着一致的气缸容积。对于传热模型来说,燃烧室面积的变化决定了仿真过程中热量损失的多少,转子发动机的传热损失大部分发生在压缩上止点附近,因此需要将两者在上止点时的表面积保持一致以保证传热模型的准确性[14]。考虑到转子发动机缸内的径向密封与端面密封,而在GT-POWER软件中没有为泄漏特别设置模块,因此为各缸设置与另外两缸相通的双通阀,以此来模拟转子发动机的密封性能[15]。

1.2 建模公式

不同于活塞发动机,转子发动机没有缸径行程等参数。建立转子发动机燃烧室面积与容积的公式,通过与活塞发动机的公式联立求解获得等效发动机在GT-POWER建模需要的数据。

转子发动机的几何形状可以通过3个基本尺寸来表征:创成半径(R)、偏心距(e) 和气缸宽度 (H)。

转子发动机缸体型线按式(1)计算:

(1)

式中:α为曲轴转角;a为平移距;γ=α/3。

转子发动机燃烧室瞬时容积V(α)表达式为:

(2)

式中:Vc为燃烧室压缩容积。

燃烧室的瞬时面积A(α)可以确定为转子侧面积Ac、侧壳体面积Aside(α)和摆线外壳面积Ahous(α)的总和。侧壳体面积随曲轴转角α变化值按式(3)计算:

(3)

式中:αmax=3e/R。

由于摆线外壳面积计算复杂,因此采用简化方法,将转子发动机燃烧室近似看作长为燃烧室型线的立方体,通过简化计算出转子发动机的简化瞬时体积,对体积公式进行求导可以计算出摆线外壳瞬时面积Ahous(α),计算公式如下:

(4)

(5)

式中:Rx=R-e+3eR/(R-4e)。

在往复式发动机中,将燃烧室近似为一个高度变化的圆柱体,通过式(6)和式(7)计算燃烧室容积与面积变化。

(7)

式中:B为缸径;r为曲柄半径;l为曲柄长度;ε为压缩比。

通过式(6)和式(7)计算得出燃烧室面积与容积随曲轴变化的曲线,如图1所示。

图1 等效活塞发动机的燃烧室容积和面积变化曲线

2 仿真模型的建立与验证

2.1 模型的建立

仿真对象为一款汽油转子发动机[16],其参数见表1,转子发动机结构如图2所示。

表1 转子发动机基本参数

图2 转子发动机结构示意图

联合式(2)和式(6)可以确定等效四冲程活塞发动机的缸径、行程、压缩比,如表2所示。

表2 等效三缸四冲程往复式发动机基本参数

通过表2确定的参数,以及三维仿真中获得的转子发动机在不同甲醇掺混比下的瞬时放热率,在GT-POWER中搭建等效三缸往复式发动机计算模型,如图3所示。

图3 等效三缸四冲程发动机仿真模型示意图

2.2 模型验证

在试验中,将4个瞬时压力传感器P1、P2、P3、P4分别布置在发动机气缸中,以此来获得进气道处压力、压缩时缸压、燃烧时缸压和排气道处压力,从而获得完整的缸压曲线[17]。传感器布置如图4所示。在额定转速8 000 r/min时,通过电力测功机获得曲轴的输出扭矩,试验台架如图5所示。

图4 压力传感器布置示意图

图5 转子发动机试验台架

为检验计算模型的有效性,在试验工况条件下对模型进行仿真计算。将仿真结果中的燃烧室缸压和瞬时面容比与试验结果对比,结果如图6和图7所示。

图7 面容比仿真值与试验值误差分析

从图6可以看出,仿真缸压与试验缸压吻合较好,整体误差控制在5%以内。

从图7可以看出,仿真的燃烧室面容比误差带在上止点附近几乎为0,在下止点时误差带最宽,误差为6.3%,整体误差为4.3%,模型精度较高,所建立模型可以模拟转子发动机工作过程。

3 不同甲醇掺混比下的燃烧特性分析

为了研究进气道进气时甲醇和汽油混合比例对转子发动机燃烧过程的影响,结合转子发动机特有的机械结构和燃烧放热方式,选取不同混合比例的甲醇和汽油混合气,研究掺混比对发动机性能的影响。仿真模型的转速为8 000 r/min,进气温度为323 K,进气压力为0.101 180 MPa,进气方式为周边进气道进气。发动机燃料掺混比按燃料热值进行计算,即掺混甲醇以后的甲醇汽油混合气的总热值不变,从而保证掺混燃料和原燃料有一致的空燃比。例如M50燃料代表甲醇燃料热值占燃料总热值的50%,仿真需要的甲醇掺混比如表3所示。

表3 等效三缸四冲程往复式发动机基本参数

3.1 掺混比对混合气形成的影响

甲醇的汽化潜热为1 109 kJ/kg,汽油的汽化潜热为310 kJ/kg。在各自理论空燃比下,甲醇汽化所吸收的热量为146 kJ/kg,是汽油燃料的7.3倍。甲醇汽油混合气在蒸发过程中要吸收更多的热量才能汽化,从而影响混合气的初始温度。

图8为点火前不同甲醇掺混比下的缸内温度。由图8可以看出,随着掺混比的增加,缸内温度的差距逐渐加大。这是因为进气口在-611°CA时打开,随着甲醇替代比的增加,大量甲醇在进气道中形成均质混合气,过程中吸收了大量的热量,降低了进气道中混合气的温度,随着进气口的开启,进气道内温度低的新鲜空气与缸内气体混合使得缸内平均温度降低。在-570°CA以后,转子发动机进气口全开,进入气缸内的新鲜空气增加,提高了进气阶段的充量系数,从而使得燃料和空气能够混合得更加均匀。随后,缸内平均温度差距缩小,这是因为,在这段进气过程中大量甲醇和汽油混合气进入气缸当中,甲醇和汽油在进气道中吸热汽化,进入气缸之后不再需要吸热汽化,所以不同甲醇掺混比的混合气缸内温度变化趋势接近。

图8 不同甲醇掺混比下的点火前缸内温度

图9为火花塞点火时的缸内温度。由图9可知,在点火时刻,随着混合气中甲醇含量增加,缸内温度变化呈现出上升趋势,在甲醇替代比为75%时,缸内温度上升了7 K左右。随着甲醇掺混比的增加,进气初期进入缸内的新鲜空气随着温度降低而增加,而高掺混比的甲醇汽油燃料体积也远大于低掺混比的甲醇汽油燃料,所以在压缩行程中随着更多的混合气被压缩,缸内温度出现了上升的趋势。混合气在燃烧前的初始温度,标志着混合气在燃烧前燃料与氧分子之间的碰撞几率,随着点火时刻缸内气体温度的上升,点火时火焰的传播速度也会更加快速。

图9 不同甲醇掺混比下的点火时缸内温度

3.2 掺混比对燃烧过程的影响

通过仿真计算得出不同甲醇掺混比下燃烧时的缸内压力和瞬时放热率,如图10和图11所示。

图10 不同甲醇掺混比下的缸压曲线

图11 不同甲醇掺混比下的瞬时放热率曲线

总体来看,随着甲醇掺混比的增加,缸内峰值压力增加,峰值压力对应的曲轴转角提前。在燃料为M0时,缸内压力最大为8 MPa,对应曲轴转角为13°CA;在燃料为M25时,缸内压力最大为8.13 MPa,对应曲轴转角为8°CA;在燃料为M50时,出现缸内压力最大为8.56 MPa,对应曲轴转角为3°CA,M100时峰值压力对应的曲轴转角为-7°CA。主要原因是甲醇燃料的层流火焰传播速度仅次于氢和乙炔,远大于汽油,在点火以后燃烧所需要的时间更短,反应更加剧烈。

由图11可以看出,随着甲醇掺混比例的增加,M100燃料的燃烧放热峰值达到了309 J/°CA,远大于M0燃料的36.99 J/°CA,区别于M0燃料峰值放热率对应的11°CA曲轴转角,M25～M100燃料的峰值放热率对应的曲轴转角分别为-4.1、-9.2、-11.4、-13.5°CA。甲醇含量增加使得峰值放热率对应曲轴转角在上止点之前,在压缩行程时便膨胀做功,压缩负功增加,这会使发动机的动力性和经济性下降。随着掺混比的增加,燃料燃烧在同一时间内放出的热量更多,放热需要的曲轴转角也随之减少,这会导致缸内压力升高率增加。但是因为转子发动机狭长的燃烧室和燃烧室面容比高的缺点,燃烧过于迅速会导致部分位于燃烧室后部的燃料混合不均匀,燃料放热不充分,导致了 M100燃烧的压力升高率最大但是缸内最高压力反而略小于M50燃料。

图12为转子发动机在不同甲醇掺混比下燃烧时的缸内温度。

图12 不同甲醇掺混比下燃烧时缸内温度

由图12可知,在-27°CA点火以后,缸内混合气达到着火点以后开始扩散燃烧。在-20°CA时,不同掺混比燃料的缸内温差加剧,在-16°CA时,掺混比大的燃料缸内温度快速提升。在-12°CA时,M0缸内温度才有明显提升,这是因为汽油的燃烧速率低于甲醇。在滞燃期之后,甲醇掺混率越高,缸内燃烧越剧烈,温度升高率越大,在-8°CA时,M100燃料就已经达到了缸内最大温度,此时大部分燃料已经着火放热,温度随后开始下降,而掺混比低的燃料缸内温度还在上升,燃烧还处于持续期阶段。在12°CA附近,M0缸内温度达到了最大,此时所有燃料都已经完成了燃烧,缸内温度开始下降。因为掺混比越高,燃烧相位越提前,所以排气温度随掺混比的增加而下降。随着掺混比的提高,滞燃期不断缩短,由M0的16.3°CA缩短至M100的9.41°CA,这导致燃烧时的点火提前角和着火时刻的关系发生了改变,对于发动机性能而言,当掺混比大于50%时,需要重新优化点火提前角以改善发动机性能。

图13为不同甲醇掺混比时滞燃期与燃烧持续期的变化关系。由图13可知,甲醇掺混比越低,燃烧持续期越长,汽油的火焰传播速度比甲醇慢,高掺混比能使燃烧速率增加,但是对于转子发动机的燃烧室形状,需要有与之匹配的点火时刻才能使得过高的火焰速度不会导致压缩行程负功增加。在较大的掺混比时,燃烧持续期缩短的趋势有所下降,这是因为甲醇汽化潜热高,使得缸内温度峰值到达了极限。

图13 不同甲醇掺混比下的滞燃期和燃烧持续期

3.3 掺混比对动力性的影响

由图10所示缸压曲线可以看出,随着掺混比的增加,缸压曲线在横轴上变得更宽。与M0相比,M100与横轴围成的面积增加,转子发动机的做功能力增加,但是由于峰值压力过于提前,压缩负功随掺混比的增加而增加。仿真得到不同甲醇掺混比下转子发动机的功率和扭矩,如图14所示。由图14可以看出,在汽油中掺混甲醇可以提高发动机的功率和扭矩,在掺混比为50%时功率扭矩最大,分别为34.17 kW和40.5 N·m,与M0相比,功率和扭矩分别提升了13.6%和12.8%。之后随着掺混比的增加,功率和扭矩的增加程度减缓。这是因为掺混比过高,虽然燃烧等容度提升,但是点火时刻并未推迟且点火时缸内温度上升,燃烧反应速率过快,在转子发动机高转速运转时(8 000 r/min),大部分热量都在压缩行程中释放,此时转子并未到达上止点,并不利于提升发动机的动力性。在掺混比低于50%时,由于甲醇自身含氧更利于燃烧,而燃烧速率较掺混比高于50%的燃料来说更慢,燃烧放热更接近上止点,发动机动力性提升更为显著。

图14 不同甲醇掺混比下的发动机功率和扭矩

4 结论

1) 通过对转子发动机和往复式活塞发动机工作方式和机械结构的分析,推导了转子发动机等效往复式发动机的理论公式,提出了一种用往复式发动机等效转子发动机的一维建模方法。

2) 随着甲醇掺混比的增加,进气时缸内温度降低,新鲜空气充量增加。点火前缸内温度上升,燃料燃烧速率加快,燃烧等容度增加,M0峰值压力对应的曲轴转角为13°CA,M100峰值压力对应的曲轴转角为-7°CA,缸内峰值压力也由8.0 MPa提高至8.56 MPa。

3) 在不改变点火提前角时,低甲醇掺混比的燃料对提升发动机性能效果显著,M50燃料可以将发动机功率和扭矩分别提升13.6%和12.8%。甲醇掺混比高于50%时,需要重新优化点火提前角以改善发动机性能。