柴油引燃缸内直喷天然气发动机燃烧和排放特性研究

张 恒，龚希武

(浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山 316022)

0 引 言

石油资源的过度开发和使用，导致全球性环境污染和石油能源枯竭，为缓解石油危机和环境问题，又由于天然气以其良好的燃烧性和排放性，则自然成为船用柴油机的理想替代燃料（表1为柴油与天然气物化特性的对比）。柴油/天然气发动机的出现和使用时间还不太长，对于柴油/天然气发动机，尚有许多问题急待研究解决。

柴油/天然气发动机以天然气进气方式的不同分为2种：1）预混合天然气柴油引燃发动机，这类发动机的天然气进气装置布置在进气管，天然气和空气混合后进入发动机；2）柴油引燃缸内直喷天然气发动机，这类发动机在压缩冲程活塞运动到接近上止点附近喷入天然气，天然气被燃烧的柴油点燃[1–3]。针对第2种，不同于现有船用发动机缸内喷射汽化后的天然气，将“LNG缸内液喷”这一概念引入文中[4–5,7]，LNG不经过气化过程，以液态（约111 K）直接喷入缸内。相比传统的气态喷射，能够更大限度的利用液化天然气的冷能，由于天然气在缸内液化降低了缸内温度，可以降低NOX的排放量，同时也降低了发动机爆震的概率，保证了发动机的动力性和经济性。

发动机是船舶的心脏，而对于双燃料发动机船，天然气就是船舶的血液，所以天然气能否良好的燃烧至关重要；引燃柴油燃烧虽不是主要燃料，但它是天然气燃烧的点火源，其影响着天然气的初始燃烧情况，对天然气燃烧的稳定性有很大的影响，最终影响发动机的动力性、经济性和排放性[5]。

表1 柴油与天然气的物化性质[6]Tab.1 Physical and chemical properties of diesel and LNG

本文基于AVL-FIRE软件模拟研究固定喷射间隔下不同燃料喷射时刻对双燃料发动机燃烧特性的影响。

1 实验装置及仿真模型

1.1 实验装置

发动机仿真原型为某直列四缸柴油机，发动机主要参数见表2。

表2 发动机基本参数Tab.2 Engine specifications

1.2 仿真模型的建立

应用Autocad建立STL格式的燃烧室二维文件，导入FIRE软件中生成动网格模型。为节省计算时间，建立的模型为八分之一燃烧室，如图1所示。

2 仿真的计算与分析

2.1 仿真方案

图1 180°、320°、360°仿真模型Fig.1 The simulation model of 180°、320°、360°

设计发动机的仿真工况为转速1 630 r/min，50%负荷，设计仿真计算时间为245°CA～440°CA，设定初始时刻缸内压力为0.26 MPa，温度340 K，柴油喷射温度为293.15 K，参考冯春龙[4]、温龙泽[7]等研究成果设置天然气喷射温度为111 K。引燃柴油量[4]占柴油和天然气总能量的I=6%，取空燃比[8]为ϕ=1.4。

式中：I为天然气的能量替代率；ϕ为空燃当量比；Mdiesel，MLNG分别为柴油和天然的质量；Mair为缸内初始时刻空气的质量；LHVLNG，LHVdiesel分别为天然气和柴油的低热值；LLNG，Ldiesel分别为天然气和柴油的化学计量空燃比。

本文共设计5种仿真实验方案，分别取引燃柴油的喷射时刻为t1=15°BTDC，t2=12°BTDC，t3=9°BTDC，t4=6°BTDC，t5=3°BTDC，保持引燃柴油和天然气的喷射间隔时间为6°CA固定不变，对以上5组数据进行仿真模拟。

2.2 不同喷射时刻对缸内压力和温度的影响

由图2知，燃料喷入缸内时刻越早，天然气开始燃烧的时刻越早，缸内平均压力的峰值越大，其原因是天然气的开始燃烧发生在压缩冲程，此时缸内容积仍在减小，天然气的燃烧和缸内容积的变化共同促成了压力峰值的出现。由图3可知，缸内的平均温度峰值也和缸内压力峰值有相同的变化规律，温度曲线后期各方案随天然气喷射时刻值的推后依次增大，其原因是燃料开始燃烧较早、放热就较早所致。

图4显示各方案压力峰值分别出现时刻为距天然气喷射后 12.8°CA，12.4°CA，9.7°CA，9.2°CA，8.8°CA时，随天然气喷射时刻的延后各方案压力峰值出现位置的对应延后性略有减小，各压力峰值分别为26.1 MPa，24.6 MPa，23.0 MPa，20.8 MPa，18.4 MPa，随天然气喷射的延后平均压力峰值的减小量逐渐增大，其原因是压力峰值皆出现在膨胀冲程里，此时缸内容积逐渐增大。

图2 喷射时刻对缸内平均压力的影响Fig.2 Effects of injection timing on mean pressure

图3 喷射时刻对缸内温度压力的影响Fig.3 Effects of injection timing on mean temperature

图4 喷射时刻对缸内平均压力峰值的影响Fig.4 Effects of injection timing on mean pressure peak

2.3 喷射时刻对温度场的影响

图5 喷射时刻对温度场的影响Fig.5 Effects of injection timing on temperature contours

如图5所示，为直观分析缸内燃烧情况，列出天然气燃烧各时刻对应的温度场图。天然气喷入缸内以前，引燃柴油燃烧形成火焰仍存在，由于喷入缸内天然气为液体，且温度低，进入气缸以后，引起缸内局部温度下降，对应图中小块深色部位，受缸内高温的作用，天然气迅速汽化、升温，同时柴油的火焰区域颜色稍微变浅，表示温度下降。当天然气达到燃烧温度后开始燃烧（约为喷入缸内1 °CA后），缸内温度和压力急剧升高。天然气与空气混合燃烧，燃烧的范围越来越大，且喷入缸内天然气持续。天然气持续喷射6 °CA后比较各方案云图可见，随喷射起始角度的推迟，图中颜色也依次变淡。各方案缸内平均温度达到峰值时，随喷射起始角度的推迟，图片颜色也有明显的变化，表示缸内温度依次降低。各方案387 °CA缸内云图，颜色相近，而且分布相似，此时，缸内平均温度基本相同。比较各方案的燃烧情况，分析可得天然气喷射时间越延后，缸内天然气的燃烧越迅速，且温度峰值较低，降低了缸内的热效应，有利于机械的良好运行，同时可以降低爆震发生的系数。

2.4 喷射时刻对放热的影响

从图6中分析，各方案累积放热量趋势相同，由于喷入的燃料相等，最终放热量也基本相同。但是受缸内温度和压力不同的影响，其放热率不同。天然气越早喷入缸内，由于压力和温度越大，则放热也越快，说明燃烧也越剧烈，当到达410 °CA以后，各方案缸内放热曲线基本重合，走势也平缓。说明推迟天然气的喷射，可以使缸内的燃烧更柔和。

图6 喷射时刻对累积放热量的影响Fig.6 Effects of injection timing on accumulated heat release

2.5 喷射时刻对燃烧阶段的影响

图7是以方案t1为例对燃烧过程的划分图，将燃烧过程依次分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期4个阶段。滞燃期从天然气向缸内喷射开始，到天然气开始在缸内燃烧，这个阶段内，喷入缸内的液化天然气迅速汽化、升温，及发生燃烧前的某些化学变化。速燃期内天然气开始燃烧，直到缸内压力到达最高点，由于此阶段在上止点前后发生，缸内容积变化量很小，几乎实现了等容燃烧，所以缸内压力剧烈上升，压力升高率过大会形成爆震发生的危险，所以速燃期应越短越好。缓燃期为压力峰值时刻到温度峰值处时刻，这一阶段燃烧的燃油份额最大。后燃期是从温度最高位置到燃烧的结束，由于燃烧停止时刻较难精确分辨，故不作分析。

图7 燃烧过程划分图Fig.7 The partition for duration of combustion

图8 喷射时刻对燃烧期的影响Fig.8 Effects of injection timing for the duration of combustion

图8中，各方案滞燃期长度变化不是很明显，这是因为各方案天然气喷射时缸内温度相近，仅仅是压力有少量不同，其中方案t4的滞燃期时间最短为1.1°CA，滞燃期时间越短，则为速燃期准备的可燃混合气会越少，这样能够缩短速燃期的长度，抑制速燃期阶段的最大压力升高率，减少爆震的发生可能性。速燃期的长度随着天然气的喷射时刻的推后呈现出逐渐缩短的趋势较明显，各方案滞燃期分别为11.5°CA，10°CA，8.5°CA，8.1°CA，7.5°CA，这是由于缸内氧气浓度越高越能促进天然气迅速与氧气混合并燃烧，而压力峰值出现在活塞的下行阶段，虽然缸内压力在增大，但是此时缸内容积也在增大，导致了压力峰值的较早出现，这2个原因影响了速燃期的时间缩短。缓燃期的长度同速燃期相反，随天然气喷射时刻的推迟略有增加，这是因为速燃期时间短，喷射和燃烧的天然气就相对较少，相应的后续在缓燃期内喷射的天然气量就会相应的变多，而缓燃期开始时刻的压力却依次较小，空气浓度减小，不利于天然气喷与空气的迅速混合，导致缓燃期时间变长。速燃期和缓燃期是发动机燃烧的主要阶段，80%左右的燃料是在这个阶段燃烧。其中，方案4的速燃期和缓燃期时间相加最短，那么就说明燃烧速率最快，燃烧过程的等容性最好。

2.6 喷射时刻对排放的影响

氮氧化物的生成主要发生在开始燃烧2°CA～3°CA以后，大约到20°ATDC左右氮氧化物的质量分数达到恒定值。从图9得到各方案氮氧化物质量分数的最终值依次为0.071，0.043，0.025，0.015，0.01，随喷油时刻的推迟而减小。氮氧化物的产生过程也十分复杂，受温度、燃空当量比等诸多因素影响，而本文的工况温度是主要影响原因，而各方案燃油喷射的推迟，燃烧则推迟，缸内的温度也较低，故氮氧化物的生成量也减少了。

图9 喷射时刻对氮氧化物的影响Fig.9 Effects of injection timing for mean NO fraction

图10显示各方案缸内的炭烟生成情况，炭烟的生成与氮氧化物不同，在缸内会有一个峰值的存在，随着燃烧的进行，大部分的炭烟会被氧化、燃烧，最终达到一个平衡值。各方案峰值的出现时刻随着天然气喷射的延迟会相应的延迟，且峰值也会增大，其原因是缸内温度的变低不利于炭烟的迅速氧化，炭烟最终生成量也略有增加，这可能是由于燃料在缸内燃烧的时间减少和温度较低造成的。

图10 喷射时刻对炭烟排放的影响Fig.10 Effects of injection timing for mean soot fraction

3 结 语

1）随着天然气喷射时刻的延后，各方案缸内平均压力峰值减小，平均压力峰值的减小量逐渐增大；缸内平均温度的峰值也逐渐减少，但减小趋势没有明显变化。可以通过推迟缸内燃料的喷射减小缸内压力峰值，抑制爆震的发生。

2）随着燃料喷射时刻的变化缸内各燃烧阶段的长短有明显变化，其中方案t4天然气于上止点位置喷入缸内，此时滞燃期最短，速燃期和缓燃期的时间和也最短，缸内燃烧最快。所以，上止点附近为天然气喷射较理想位置。

3）较晚的天然气喷射，缸内的燃烧更柔和，可以减少缸内的热负荷。

4）缸内氮氧化物的生产量随着天然气喷射时刻的推迟也相应减少，但是由于温度降低的原因，炭烟不能被很好氧化，其排放量稍有增加。应该进一步研究对氮氧化物和炭烟都有利的燃烧方案。

[1]CHRISTOPHER A L.Combustion of natural gas with entrained diesel in a heavy-duty compression-ignition engine[D].Vancouver: The University of British Columbia, 2009.

[2]OUELLETTE P.High pressure injection of natural gas for diesel engine fueling[D].Vancouver: The University of British Columbia, 1992.

[3]LARSON C R.Injection study of a diesel engine fueled with pilot-ignited[J].Directly-injected Natural Gas.2003.

[4]冯春龙.柴油LNG双燃料发动机燃烧过程数值计算研究[D].镇江: 江苏科技大学, 2014.

[5]张蕾.微引燃柴油喷射对缸内直喷天然气燃烧过程的影响研究[D].长春: 吉林大学, 2012.

[6]SELIM M Y E.Sensitivity of dual fuel engine combustion and knocking limits to gaseous fuel composition[J].Energy Conversion & Management, 2004, 45(3): 411–425.

[7]温龙泽.LNG缸内液喷闪急沸腾过程的仿真研究[D].长春:吉林大学, 2012.

[8]EGÚSQUIZA J C, BRAGA S L, BRAGA C V M.Performance and gaseous emissions characteristics of a natural gas/diesel dual fuel turbocharged and aftercooled engine[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences & Engineering, 2009,31(2): 142–150.