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火花点火发动机稳定和不稳定的工况点的循环变动的大涡模拟和实验研究

摘要

本文以两种工况点介绍了火花点火发动机的实验和大涡模拟（LES）之间的差异。分别以低循环变动（CCV）表征稳定工况点，和高循环变动（CCV）表征不稳定工况点。为了匹配实验周期样品，用LES来计算75个完整的循环（燃烧循环）。通过进气和排气管道的压力信号，缸内压力、化学发光法和OH平面激光诱导荧光（PLIF）来对LES结果与实验进行对比。结果表明，LES可以：（1）在这两种情形下（低和高的CCV）根据位置、形状和时间再现火焰表现；（2）区分稳定工况点和不稳定工况点；（3）定量预测两种燃烧工况点的CCV水平。对于不稳定的工况点，所观测到的部分CCV是由于不完全燃烧引起的。然后可以将结果用于分析由于不稳定工况点存在而引起的不完全燃烧现象，以及调整火花点火的位置来控制CCV。

关键词：活塞发动机；火花点火；循环变动；大涡模拟；化学发光；OH平面激光诱导荧光

1. 引言

对高性能和低排放的追求使得工程师们在稳定极限附近调整内燃机的运行范围。因为进行实验通常非常昂贵，所以在这种情况下，能够模拟这些设备以在建立这些设备之前预测其稳定性是至关重要的。对于汽油机，出现了一些有前途的概念，如分层燃烧，稀燃，直喷（DI），可控自燃（CAI）燃烧或小型化。依赖于在较高的负载下，降低燃料消耗的情形下使用使用发动机的现实需求，小型化概念得以出现。这可以通过减少发动机尺寸可以实现。然而，对于这样的发动机，需要控制一些不稳定现象如：敲缸，发出隆隆声音或循环变动（CCV）。 高CCV水平可导致严重的排放污染，严重的驾驶性问题。因而，发动机是要工作在一个有限的工作范围。

大多数CCV研究都是通过实验进行的。的确，古典雷诺平均纳维斯托克斯（RANS）模拟，被工程师广泛使用。但是只通过计算发动机各循环的平均相位得出的平均循环，不能自然地再生出CCV。

大涡模拟（LES）计算不稳定流场的能力和计算能力的增加使LES成为非常有吸引力的工具。虽然研究处理以活塞式发动机为倒拖发动机的LES是非常多的，但是几乎没有旨在重现火花点火发动机CCV的LES可以在文献中找到。Thobois等人的工作和理查德等人的工作已经表明：在单缸内燃机上，使用经典LES的燃烧CCV燃烧建模（增稠火焰模型（TFLES）和拟序火焰模型（CFM-LES）），LES本质上能够再现燃烧循环变动。然而，在任何一种情形下的模拟循环的数量太低（小于5）以至于不能总结出LES定量和定性地预测CCV的能力。在后来Vermorel等人所做的研究已经迈出了一大步，显示：同一台发动机上的9个循环的统计样本有对CCV良好的定量预测。由于这些研究只是为了简化和降低计算成本，所以在模拟中只考虑了发动机和进、排气歧管的一小部分。

在文献里的所有LES和CCV的处理研究有相同的缺点：

• 计算循环太少而不能获得有意义的统计结果。实际上，一般的估计是需要25个循环才得到平均流量，50个循环确保循环波动的良好预测。
• 可用于验证LES预测的实验数据是有限的。通常情况下，只有气缸压力曲线及其衍生物（例如通过0D燃烧分析获得的燃烧质量分数和燃料消耗率）用于评估数值结果。

Lacour等提出用一个单缸火花点火式活塞发动机的四分之一的实验数据库来解决这些问题。这个实验数据库是专为设计验证LES和许多获得的工况点是否燃烧，是高或低的CCV的水平。试验台的几何布置是简单的，从进气口到排气都是完全检测。Enaux等人进行了25个倒拖工况点的连续循环，计算区域包括进气和排气口和管道。他们提出了残余废气，缸内压力变化，管道中的声波和速度场的扩展验证。Enaux等人操作了在同一个燃烧数据库里的参考稳定工作点的25个连续LES周期（即低CCV）。他们报告说，LES能够准确再现最大峰值压力的变化范围。他们也试图分析CCV的来源，并得出结论，在实验所选取的工况点中的火焰发展期，点火火焰的速度场是至关重要的。

准确了解LES的CCV的来源不是这项工作的目标。同一作者以前的出版物在参考稳定工况点上已经显示出的大规模空气动力学变化，被LES很好地再现出是该发动机的主要CCV来源。另外还有已知许多现象可导致CCV 。所有这些现象，它们通常是相互联系和相互依存的。这些与发动机的几何形状和操作条件是有很大关系，这也很难得出一般性结论。本文旨在一个更务实的目标：展示 LES在给定的设定或实际工况点，可用于评估稳定性（以CCV参数）。为了做到这一点，进行稳定和不稳定工况点的模拟，并且与详细实验结果进行比较。三种不稳定的工作点（稀薄燃烧，N₂稀释和失火）可用于实验数据库，选择了N₂稀释作为工况点。事实上，稀释（通过N₂或排气再循环（EGR））是减少NO排放的传统方法。但是，用高度稀释的混合物，高CCV可能会发生，必须找到减少NO排放并保持CCV达到可接受的水平的妥协点。

本文的其余部分介绍了LES的参考稳定和不稳定（由N₂稀释）工况点的情况，分别称为stab_ref和uns_dil。一、重述实验台及其特点（第2节）。二、LES的数值设置（第3节）。第三、以stab_ ref和unst_dil为工况点的LES的结果与实验结果进行在气缸内的平均示功图和CCV的水平方面的比较（第4节）。 然后将LES结果与化学发光法和OH平面激光诱导荧光（PLIF）诊断进行比较。最后，第5节提出了在一些周期内的不稳定点发生的不完全燃烧现象的一个讨论，以及如何使用LES来解决这个问题。

1. 实验装置

SGEmac实验是为LES验证设计的：（1）发动机的几何形状是简单的，简化了定义LES的边界条件；（2）实验工况点使用预混合气体燃料来获得，以限制物理模型的数量和降低建模困难；（3）操作实验获得的点包括稳定点和不稳定点来评估LES预测CCV水平的能力；（4）LES的实验诊断有很多：比较缸内动力学，管道中的声波和火焰传播。试验发动机是单缸四气门，屋脊形燃烧室，火花点火，平顶活塞。整个设置如图1a所示。主要参数如表1所示。

第21篇文献详细介绍了着火点和非着火点的工作点矩阵。对于所有着火点，试验台用气态丙烷燃烧。空气和丙烷流量由声波喷嘴控制。将空气引入第一压力室中，并在第二混合气室中加入丙烷。在发动机排气中，气体流过第三个通风室。由于发动机以完全预混合的方式操作，所以为安全起见，在每个气室之前添加了一个阻火器（图1a）。

图1b和c展示了沿着进气口（1,2和3）和排气管道（4）的压力传感器（其具有一个CAD分辨率）的位置。化学发光和OH PLIF测量通过光学窗口进行。LIF平面位于火花塞下方8 mm处，每个图像都可以通过透明的缸盖进行记录。由于顶盖尺寸的缘故，整个燃烧室不能全部都可以看见。因此，每个PLIF图像两侧的一小部分不包含任何实验数据。

在各个工况点中，有两个保留用于本研究：稳定的（stab_ref）和不稳定的（uns_dil）（表2）。为了确保正确的统计量数据，测量了stab_ref的100次循环，对于uns_dil进行了200次循环测试。平均指示压力（IMEP）在两点上保持相似。

在进气室（图1b）中测量的stab_ref的进气压力约为0.45 bar，对于uns_dil为0.6 bar。在两个工作点排气室处的压力信号非常相似（约1 atm）。

图2显示了两个燃烧工况点的平均p-V图，以及22文献里中模拟的倒拖工况点。对于stab_ref，在倒拖和着火燃烧状态之间的压力信号的差异仅仅存在于点火之后大约15度曲轴转角（发生在20 CA）。之后，火焰在燃烧室中传播，并且由于燃烧而产生的压力上升达到20bar，达到stab_ref。尽管残余废气质量较大，在压缩过程中提前（〜50 CA）点火的uns_dil的峰值压力低于stab_ref。这是一个初步的指标，表明uns_dil燃烧速度较低。

1. 数值设置

LES模拟采用并行AVBP代码，其解决了具有单元格顶点和有限体积公式的混合网格上的可压缩多物种Navier-Stokes方程。通过使用中心的Lax-Wendroff方案，本研究中确保了二阶空间和时间精度。

数值设置在以前的工作中有详细的描述，这里仅仅简单回顾一下。它已经显示出能够准确地再现缸内动态及其变化。这项研究正在处理关于工况点的实验设置的验证，因此本节重点介绍了未提出的模型：点火模型和燃烧模型。这些模型与第23篇文献中使用的模型相同。本研究仅开发了稀释工况点的附加化学方案。

进口和出口边界条件形式上由Navier-Stokes特征边界条件（NSCBC）处理。平壁的等温定律公式用于所有平壁。Cook和Cabot的公式用于处理阀门开启时发生的冲击。次网格应力由Smagorinsky模型描述。阻火器在声场中发挥作用，它们的效果可以使用Mendez和Eldredge的模型进行建模处理。移动边界通过与条件时间插值（CTI）技术相结合的任意拉格朗日欧拉（ALE）方法来处理。对于每个循环，使用43个网格（四面体元素）来描述进气，压缩，膨胀和排气冲程。网格规模在TDC有2百五十万个单体到进气和排气阀关闭时的9百五十万个。圆柱体中的Dx = 0.8mm处的网格分辨率（其确保在其大部分循环期间在LES网格上至少90％的动能被解析）增加以能够达到火花塞周围Dx = 0.2mm处。在火花塞着火点附近点火球体内精细的网格在达到10个。这避免了陡源项的一个难处理数字。为了在阀门打开和关闭期间适当地解决阀周围的流动，网格围绕阀座精确地以Dx = 0.04mm的分辨率进行调整。

火焰/湍流相互作用由动态TFLES模型与Colin等人的效率函数相结合。TFLES模型非常适合本研究中遇到的完美预混火焰。此外，这种燃烧模型已经成功应用于活塞式发动机以及燃气轮机中。在本研究中效率函数的常数已经设定为2.0。对于两个工况点的所有循环，该常数保持不变。在燃烧阶段的高压下，对于stab_ref，火焰厚度变得非常小（在5.4bar时通常为58 lm），而增稠因子可达到接近50的值。对于unst_dil，火焰传播越来越慢，增厚因子小于8。点火由能量沉积（ED）模型建模，其中包括在能量方程中添加源项（空间和时间中的高斯项）。在实验中，既没有传递到气体的能量也没有点火持续时间。电极之间的距离为1.2 mm。为了模拟点火，在模拟中放电持续时间设置为100 ls。这个持续时间代表了Maly和Vogel所描述的辉光阶段。由于先前提到的分辨率问题，模拟中的点火球大于实验中的电极之间的距离。用于点火球的LES中使用的直径为2.5 mm。输送到气体的总能量为20mJ，相当于电火花提供的总能量的10％。

表1.SGEmac发动机工作台的特点。相对于压缩顶点中心（TDC）曲轴角（CAD）

图1. （a）LES边界的实验台和位置。（b）实验测量的位置：（1，2，3，4）压力传感器；（c）在燃烧室的水平部分中的OH PLIF测量。LIF窗口中的虚线表示实验可视化窗口的限制。

表2.两个模拟点火操作点的实验特性：stab_ref和uns_dil。

图2.两个工况点平均p-V图。从第22文献提取的相应的平均实验周期叠加进行比较。

表3.C3H8 - BE2和C3H8 - VG2 - DIL方案的Arrhenius参数。Ea是激活能量，A是前指数因子。

已经为每个工况点创建了一种化学方案。两种丙烷/空气化学方案考虑了五种和两种反应（方程式（1）和（2）和表3）：

(1)

(2)

在整个燃烧阶段，两种方案均适用于相应方案（C3H8 - BE2 for stab_ref和C3H8 - VG2 - DIL），用于重现绝热温度和火焰速度。

图3比较了文献[42,43]中所得到的新鲜气体的绝热压缩的火焰速度变化。预测的火焰速度与参考文献一致。考虑到即使使用诸如Jerzembeck等人的详细机制，高压和高温下火焰速度的误差也很大。[43]，两步方案给出的精度就足够了。

1. LES结果与实验

基于以前的文献[44,20,12,19]，通过实验获得的统计数据所需的循环次数通常为的25个周期来计算平均值，循环变动需循环为50个。通过分析低CCV工况获得的实验数据来验证这些值。它们可能不适用于变动更加大的不稳定工况点。在目前的工作中，对于stab_ref和 unst_di，已经执行了25个连续的循环。

一个循环的时间在SGI Altix ICE 8200集群的400个处理器上约为31 CPU h，因此总计算时间达到120万CPU h。对于每个工作点，第一个循环的初始解是在为倒拖工况计算的最后一个循环之后获得的解[22]。对于统计数据而言，不考虑所得到的初始化循环（stab_ref和uns_dil共两个），其中残余废气质量与实验所得质量不同。

表4显示了每个工况点的残余废气质量和内部气体再循环（IGR）。残余废气质量非常接近两种情况的实验值。 两个变量的循环变动非常低。 通过实验获得的残余废气质量的变动系数（COV）是通过除式公式（Eq（3））获得。对于stab_ref为0.2％，对于uns_dil为0.1％。

uns_dil的IGR比例大，因为它代表了在气缸中残余废气总质量的约40％。

图4示出了对图1.b中1,2和4处平均p-V图的探讨。表明：模拟和实验之间的一致性是非常好的。这表明进气和排气管道中的声波被正确地捕获。这也与容积效率（气缸的充气）正确控制的事实一致，因为进气声波主要控制该量。请注意，额外的测试（此处未显示）表明，如果不考

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