过量空气系数对柴油引燃高压直喷式天然气发动机的影响

黄英杰，王 谦，芮 璐，康佳明

（江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引 言

化石能源危机和环境问题的日益加剧，使得研发清洁高效的发动机成为目前内燃机研发的热点。天然气作为世界上继煤和石油之后的第三大天然能源，拥有储量丰富、价格低廉等特点，且排放污染物较少，被认为是最具有潜力的替代能源。于是，天然气发动机越来越受到关注[1]。

为了减少天然气发动机的排放，目前稀薄燃烧技术成为天然气发动机的研究重点。许多学者对此进行了大量研究，发现在稀燃条件下，在一定范围内增加过量空气系数，燃烧温度更低，可以有效改善发动机的经济性和排放性[2]。上述单燃料天然气发动机多采用进气道喷射的方式，无疑会导致发动机充量系数和发动机功率下降，存在着很大的提升空间。而缸内直喷天然气由于不占据进气体积且能良好地控制空燃比，动力性能好，成为当前的研究热点。对此，国内外学者也做了一些研究。研究发现，对于缸内直喷式天然气发动机进行稀薄燃烧，可以有效控制火焰传播速度，提高燃烧稳定性，进而抑制NOx的生成[3]。

上述天然气发动机点火方式多为火花塞点火，燃烧方式主要是预混燃烧。过量空气系数被限制在1.5以内，否则会有爆震和失火的现象发生。火花塞点火性能由附近混合气的比例决定[4]，点燃可靠性差。柴油引燃天然气发动机，引燃可靠性高，燃烧方式以扩散燃烧为主，过量空气系数可以到2甚至更大，但是相关研究略显不足。所以，本文针对一台废气涡轮增压柴油引燃缸内直喷天然气发动机，以转速和过量空气系数为变量，探究稀薄燃烧对发动机燃烧和排放的影响。

1 发动机相关参数

本文基于1台Cummins ISX天然气发动机建立了同轴喷射柴油引燃天然气的模型。发动机具体参数如表1所示。为了节约模拟计算资源，同时柴油和天然气喷嘴均为中心对称设计，所以选择计算区域为1/8的燃烧室，模拟发动机的压缩做工过程。绘制如图1所示的燃烧室几何模型。采用的喷嘴模型为西港公司研发的天然气/柴油同轴喷射器，实物模型如图2所示。天然气和柴油喷射参数如表2所示。

2 计算模型与验证

2.1 计算模型

在进行模拟计算前，先对网格无关性进行验证，确定基础网格尺寸为2 mm。根据温度场和速度场进行3级自适应加密，对柴油喷雾和天然气射流区域进行3级加密，最小网格尺寸为0.25 mm。当活塞运动至上止点时，活塞网格数约为18万。缸内初始温度为303 K，缸内初始剪切动能为1 m2/s2。缸内初始气体为空气，不考虑废气的影响，气缸壁和气缸头静止，初始温度分别为433 K和523 K。图3是下止点时燃烧室的网格模型。

表1 发动机基本参数

图1 燃烧室模型

图2 同轴喷射器示意图

表2 燃料系统喷射参数

图3 网格模型

数值模拟计算采用CONVERGE软件，其中湍流模型采用普遍适用于发动机的RNG k-模型。由于柴油喷射速度较大，喷雾油滴在喷雾锥空间上的分布采用Distribute parcels evenly throughout cone模型。O'Rourke model模型描述湍流对柴油液滴运动的影响。油滴蒸发模型采用Frossling模型。油滴破碎模型采用了KH-RT模型，归因于柴油喷射压力较高，喷射速度较大，油滴受气动力，发生破碎的可能性较大。柴油在上止点前附近喷射，存在撞壁的可能，故采用Wall fi lm撞壁模型。燃烧模型采用SAGE模型，化学反应机理为正庚烷与甲烷的反应机理。排放模型中，NOx生成化学机理选用Extended Zeldovich模型，soot生成氧化模型选用Hiroyasu soot模型[5]。

发动机中过量空气系数的公式计算如下：

式中，mair、mdiesel和mCNG分别为空气流量、柴油质量和天然气质量；Ldiesel和LCNG分别为柴油和天然气的理论空燃比，其值分别为14.3和16.8。

根据引燃柴油量和天然气喷射量，天然气主要成分是甲烷，其燃烧化学反应式为2H2O。

计算所需要的氧气质量，根据氧气占空气中的比例算出空气质量，再根据理想气体方程：

在进气温度不变的情况下，计算进气所需压力。在哥伦比亚大学柴油引燃高压直喷天然气发动机的试验研究中，采用过量空气系数为2和3.3的工况。本文综合考虑环境压力和涡轮增压极限的情况，选取参数具体如表3所示。在原发动机最常使用1 200 r/m转速下，模拟直喷式天然气发动机燃烧过程。根据哥伦比亚大学柴油引燃高压直喷天然气发动机参数，天然气的喷射压力设定为19 MPa，柴油的喷射压力为21 MPa，喷射参数之间的相互关系如图4所示。

表3 模拟参数

图4 喷射参数关系示意图

2.2 模型验证

为了验证燃烧模型计算的有效性，对燃烧模型进行验证。将加拿大哥伦比亚大学柴油引燃天然气发动机实验与本文模拟结果进行对比，此时工况为1 200 r/m、过量空气系数为2。由图5（a）试验与模拟得到的缸内平均压力曲线的对比可以看出，模拟结果与试验结果吻合较好。由图5（b）放热率的比较看出，仿真曲线略高于试验曲线，误差在10%内。因此，可以基于该计算模型进一步开展研究。

图5 模拟结果和试验数据的对比

3 模拟结果与分析

为了研究不同过量空气系数对燃烧和排放的影响，在1 200 r/m的转速下，从缸内平均压力、缸内平均温度、放热率以及排放污染物几方面展开研究。从图6可以看出，缸内平均压力曲线存在两个峰值，一个是压缩产生的峰值，一个天然气燃烧产生的峰值。随着过量空气系数的增加，缸内平均压力的峰值逐渐增加，压力升高率逐渐下降。当过量空气系数从1.5增加到3.5时，缸内平均压力峰值达到约17 MPa。因为过量空气系数较大，缸内初始压力较大，同时导致了压缩和燃烧峰值的差异。从缸内平均温度图可以看出，缸内平均温度有两次明显的上升过程：第一次为柴油燃烧放热，因为柴油量较少，温度上升幅度较小；第二次为天然气燃烧放热，产生大量热量，缸内平均温度大幅上升。

图6 过量空气系数对缸内平均压力和缸内平均温度的影响

从图7可以看出，存在两个放热率峰值，一个柴油燃烧放热产生的峰值，一个是天然气燃烧放热产生的峰值。随着过量空气系数的增加，柴油的放热提前，放热率峰值变化不大。这是因为当过量空气系数增加时，缸内初始压力较大，柴油着火临界点提前，燃烧放热时刻也提前。之后喷入的天然气被柴油引燃，随着过量空气系数的增加，天然气燃烧放热率峰值下降，尤其在过量空气系数达到3以上时，峰值大幅下降，降低了约50%，且燃烧放热率曲线变得相对平缓。这是因为过量空气系数越大，空气浓度越大，空燃比越大，天然气燃烧火焰前锋面传播速度越慢，燃烧速率因此变慢。

图7 过量空气系数对放热率的影响

从图8可以看出，在曲轴转角为6°CA ATDC时，随着空气过量系数的增加，燃烧室的高温区域逐渐减少，并向天然气射流靠近。究其原因，一方面，空气过量系数的增加初始压力增加，柴油自燃着火的空间位置提前，逐渐靠近天然气射流；另一方面，过量空气系数增加，天然气射流在燃烧室内扩散速度减慢，在天然气射流外围形成火焰。在曲轴转角为12°CA ATDC时，火焰一直保持类似的形状，且由于缺少混合，燃空当量较大，天然气燃烧的速率相对稳定。当曲轴转角为18°CA ATDC时，只在天然气射流区域外存在小部分高温区域。当量比为1.5时，天然气主要引燃区域位于燃烧室壁面附近，天然气与空气混合时间长，充满整个燃烧室，形成预混燃烧，接近最佳空燃比，燃烧剧烈，如图7所示，放热率最高。

从图9的温度云图和NOx浓度云图可以看出，随着过量空气系数的增加，缸内的高温区域范围逐渐减少，靠近喷嘴的区域温度和NOx浓度逐渐增加。这是因为由于进气量增多，燃料喷入缸内时环境压力大，天然气射流未能充分扩散到整个燃烧内燃烧，燃烧范围逐渐减小，是过量空气系数到达3以上后NOx排放降低的原因之一。

图8 不同过量空气系数和不同缸内时刻温度分布云图

图9 下曲轴转角为18°CA ATDC时缸内水平截面温度分布云图和NOx浓度云图

从图10中可以看出，在引燃柴油燃烧时，NOx生成速率较慢，因为引燃柴油较少，燃烧温度较低，当天然气被引燃开始大量燃烧，燃烧温度高，燃烧速率快，生成大量NOx。随着空气过量系数的增加，NOx排放质量先增加后减少。当过量空气系数为2时最高；当过量空气系数为3.5时最低，NOx排放质量降低了15%。当过量空气系数从1.5增加到2时，NOx排放质量增加是因为过量空气系数越大，燃烧速率越慢，燃烧持续期越长，高温持续时间也变长，同时燃料燃烧处于富氧状态，所以生成量增加。但是，随着空气过量系数继续增大，燃烧过程趋于稳定，燃烧温度也在不断降低，过量的空气吸收了大量热量，NOx生成量相应减少。所以，当过量空气系数到达3以上时，NOx的排放反而降低了15%。

从图11可以看出，soot质量曲线存在两个峰值。已知soot生成的条件主要是高温缺氧环境，且soot的生成同时伴随着氧化。曲线的第一次峰值是引燃柴油燃烧产生的，生成了少量soot。第一个峰值较低是由于引燃柴油量较少，燃烧持续期较短，燃烧速度较快。随着过量空气系数的增加，soot质量峰值逐渐减小。这是因为环境背压增加，虽然对引燃柴油扩散燃烧存在不利影响，生成的soot质量些许增加，但由于存在过量的氧气，生成的soot很快被氧化。第二次峰值是天然气燃烧产生的，天然气大量燃烧，soot生成量较多，天然气燃烧后期soot质量逐渐减少，且随着过量空气系数的增加，soot最后的生成质量越少。这是因为过量空气系数越大，天然气燃烧时缸内平均温度越低，且在燃烧后期氧气也越充足，形成富氧燃烧，导致soot的氧化速率远远大于生成速率。随着过量空气系数从1.5增加到3.5，燃烧后期soot排放质量急剧减少，降低了74%。

图10 过量空气系数对NOx质量的影响

图11 下过量空气系数对soot质量的影响

4 结 论

（1）当空气过量系数从1.5增加到3.5时，由于进气量的增加，缸内平均压力峰值升高，但是缸内平均温度和放热率峰值因过量空气大幅下降，天然气的燃烧速率变慢，燃烧平稳。

（2）增大过量空气系数，由于燃烧温度的降低，减少了天然气发动机的排放。当过量空气系数为3.5时，soot排放减少了74%，NOx排放质量降低了15%。

（3）对于同轴喷射柴油引燃天然气发动机，可以通过涡轮增压器改变进气的压力改善天然气发动机燃烧和排放。