双燃料发动机的燃烧和排放特性研究

(1.广西大学机械工程学院， 广西南宁530004； 2.广西玉柴机器股份有限公司， 广西玉林537005；3.柳州职业技术学院 汽车工程学院， 广西柳州545005)

0 引言

随着排放法规的日益严峻，在柴油发动机中使用替代燃料似乎为环境和经济问题提供了有吸引力的解决方案。天然气以其清洁燃烧、储量庞大、价格优势、来源广泛等众多优点，被认为是最具有发展前景的柴油替代燃料之一[1]。天然气具有较高的辛烷值，引入天然气会延长滞燃期，有利于燃料的完全燃烧[2-3]，但是在小负荷工况下，柴油/天然气双燃料发动机的未燃甲烷的排放较为显著。因此，降低未燃甲烷排放是柴油/天然气双燃料发动机面临的巨大挑战。

提高喷油压力可改善燃油的雾化效果，有利于燃料的完全燃烧，最终改善双燃料发动机经济性和降低未燃HC和CO排放。LIU等[4]发现，在双燃料模式下，提高喷油压力，CO和HC排放降低。双燃料模式可以在较低的喷油压力下达到与高压喷射柴油相近的碳烟排放[5-6]。喷油压力的上升可降低未燃甲烷和CO的排放，但是未燃甲烷和NOX的trade-off关系依然存在[6]。要解决NOX和未燃甲烷之间的trade-off关系，必须实现柴油机低温燃烧方式[7-8]。ABDELAAL等[9]和SELIM等[10-11]的研究表明，在不同负荷下，NOX排放均随着 EGR率的增大而降低。

化学燃烧机理与CFD软件耦合的方法是深入探究发动机燃烧与排放特性的常用手段。HUANG等[12]将一个简化的柴油/天然气双燃料机理与AVL Fire软件耦合计算，探究了不同喷油策略对双燃料发动机燃烧和排放的影响。MATTARELLI等[13]使用 KIVA-3V软件耦合一个包含81种物质和421个反应的天然气/柴油机理。结果显示，采用柴油/天然气双燃料发动机能够达到原机的平均有效压力。

综上所述，喷油压力与EGR耦合具有同时降低柴油/天然气双燃料发动机的NOX和CH4排放的潜力，但是关于这方面的研究少见报道，为此，在一台加装了天然气进气系统的柴油机上进行试验，探究了柴油/天然气双燃料发动机的燃烧和排放，同时采取CFD耦合动力学机理进行模拟计算，进一步从微观角度阐述了双燃料燃烧机理和排放物的生成机理。

1 试验设备和方法

试验采用6缸增压中冷柴油机，在原机上加装天然气供给系统，并对ECU进行匹配设计，能准确控制天然气的进气量。试验发动机具体参数见表1。发动机采用外部EGR，通过调节EGR阀来控制EGR率。由于引入的废气温度较高，通过中冷器对其降温，同时预热新鲜充量。实验装置的详细描述可参考文献[14]。

EGR率通过测量进气中CO2体积分数与排气中CO2体积分数来计算，计算公式如下[14]：

(1)

其中，φin为进气中CO2的体积分数；φout为排气中CO2体积分数。

另外，由于双燃料模式使用理化特性不同的两种燃料进行燃烧，因此，为了便于理解，引入折合油耗的概念，将所消耗的天然气质量通过能量转化换算成纯柴油的质量。换算公式如下：

(2)

折合热效率通过以下公式计算：

(3)

其中，Pe是有效功率，mdiesel是燃油消耗量，mcng是燃气消耗量，Hμdiesel和Hμcng分别是柴油和天然气的低热值。

试验在转速为1 720 r/min，扭矩为370 N·m(约22 %负荷)、柴油引燃量为27 mg/cyc、天然气替代率为50 %的工况下进行，通过改变EGR率(0～40 %)及喷油压力(80 MPa和120 MPa)来研究双燃料发动机燃烧和排放特性。

表1 实验发动机技术参数Tab.1 Technical parameters of test engine

2 计算模型

采用AVL FIRE软件进行缸内燃烧仿真计算。由于湍流对燃烧过程中的传热和传质起着不可忽视的作用。研究采用k-zeta-f湍流模型来模拟缸内流动。为了从小分子的角度解释柴油/天然气双燃料发动机燃烧现象，使用课题组发展的一个包含143种组分和746个反应的柴油/天然气简化机理[1]来模拟双燃料燃烧反应过程。此外，使用WAVE模型[15]，Dukowicz模型和Walljet1模型[16]分别模拟液滴破碎过程，燃油蒸发过程和液滴碰壁过程。

三维计算模型通过FIRE ESE-Diesel platform生成，由于燃烧室对称分布，喷油器位于缸盖上居中位置并且柴油的喷孔数为8个，为提高计算效率，计算域用八分之一燃烧室模型(见图1)。计算过程从进气门关(564°CA ATDC)到排气门开(860°CA ATDC)。

图1 在上止点时，燃烧室的八分之一的计算域Fig.1 Computational domain of one-eighth of the combustion chamber at TDC

3 结果与讨论

图2给出了天然气/柴油双燃料发动机的缸压、放热率和各类排放的实验数据与仿真结果的对比。排放指的是每千克燃油燃料燃烧所产生的排放量。由图2可知，仿真结果和实验数据基本吻合，但是存在一定误差，主要原因是在仿真过程中没有充分考虑湍流对化学动力学的影响以及实验数据测量存在误差[1]。

(a) 喷油压力80 MPa时的缸压放热率的实验与模拟对比

(b) 喷油压力120 MPa时的缸压放热率的实验与模拟对比

3.1 喷油压力和EGR率对天然气/柴油双燃料燃烧特性的影响

图3给出了天然气/柴油双燃料发动机在不同工况下，缸压、放热率的实验数据。如图3(a)所示，在EGR率为30 %的工况下，较高的喷油压力可以改善油束雾化和蒸发，增加油束的动能，燃料和空气可以更充分的混合。因此，随着喷油压力的上升，缸内最大爆发压力和瞬时放热率峰值升高，着火时刻提前。

(a) 不同喷油压力

(b)不同EGR率

图3 不同工况下缸压和放热率的实验值
Fig.3 Experimental values of cylinder pressure and heat release rate

由图3(b)可知，随着EGR率的升高，放热率峰值降低,缸内最大压力也降低。这是因为，废气中存在大量的CO2和H2O等多原子分子，它们的加入导致进气充量的热容提高并且降低缸内氧浓度，抑制燃料完全燃烧，放热率峰值降低，导致缸内温度降低，缸内爆发压力下降。随着EGR率的增大，这种效果越明显。

图4给出了不同喷油压力下天然气—柴油双燃料发动机的折合热效率(indicated thermal efficiency, ITE)，CA50和最大压力升高率(maximum pressure rise rate, MPRR)随EGR率变化的实验数据以及不同曲轴转角所对应的甲烷燃烧速率的计算结果。由图可知，当喷油压力增加时，燃料的雾化效果较好，促进了柴油和天然气—空气混合气的混合，加快CH4燃烧速率[图4(d)]，提高燃烧效率，ITE上升。随着EGR率的上升，ITE呈现出先升高后降低的趋势。这是因为，随着EGR率的升高，柴油与天然气/空气混合气的混合时间延长，混合气所形成的预混比例较大，CA50靠近上止点[图4(b)]，ITE上升；当EGR率进一步提高时，降低进气氧浓度，而且多原子分子具有更高的比热容，导致缸内燃烧温度降低，燃烧恶化，CA50远离上止点[图4(b)]，ITE降低。

MPRR通常用来表示燃烧噪声的强弱。由图4(c)可知，MPRR随着喷油压力的升高而上升。这是由于喷油压力越大，燃料雾化效果越好，能够产生更多的均质混合气，预混燃烧比例增加，因此MPRR上升。当EGR率上升时，MPRR呈现出先降低后升高再下降的趋势。在小EGR率(0～10 %)工况下，滞燃期变化不大，燃烧主要受氧浓度影响，因此MPRR随着EGR率的升高而下降。在中等EGR率时，滞燃期延长，混合气的预混比例增加，CA50靠近上止点[图4(b)]，使得MPRR上升；在大EGR率时，缸内燃烧严重缺氧，导致燃烧恶化，MPRR下降。

(a) 折合热效率

(b) CA50

(c) 最大压力升高率

(d) 甲烷燃烧速率

图4 不同喷油压力下燃烧参数的变化
Fig.4 Change of combustion parameters under different injection pressures

3.2 喷油压力和EGR率对天然气/柴油双燃料排放特性的影响

图5给出了天然气/柴油双燃料发动机在不同喷油压力下，NOX，CO和CH4排放随EGR率变化的实验数据。由图可知，喷油压力上升，促进燃料的完全燃烧，缸内燃烧温度上升，导致NOX排放升高。EGR率上升，进入气缸内的废气增加，导致氧浓度降低，缸内燃烧温度降低，因此NOX排放减少。

(a) NOX

(b) CO

(c) CH4

由图5(a)可知，当EGR率较小时，提高喷油压力，有助于柴油与天然气的混合，提高燃烧速率，CA50靠前[图4(b)]，缸内温度上升，从而增加NOX排放。随着EGR率的增大，滞燃期延长，燃油与空气得到了较为充分的混合，提高喷油压力对混合过程的影响减弱。此外，从图5(a)可以看出，EGR率对NOX排放的影响要大于喷油压力。

提高喷油压力，促进柴油与进气充量的混合，CA50提前[图4(b)]，缸内燃烧温度上升，促进CO和CH4氧化，因此CO和CH4排放随着喷油压力的上升而降低。随着EGR率的增加，CO和CH4排放呈上升趋势。这是因为，CO2和H2O等多原子分子具有较高的热容，加入废气后，缸内总热容升高，燃烧速率下降，导致缸内温度下降。因此EGR率的增加抑制了CO和CH4的氧化，导致CO和CH4排放上升[图5(b)和图5(c)]。

由图5(b)可知，在EGR率为0～30 %的工况下，CO排放对喷油压力不敏感。这是因为，在中小EGR率(0～30 %)时，氧含量高，CA50靠前[图4(b)]，缸内燃烧温度升高，促进CO的氧化，CO排放量较低。在较大EGR率(30 %～40 %)时，缸内废气较多，比热容较大，而提高喷油压力有利于促进燃油与进气充量的混合，减少富油区的形成，让更多的CO氧化，因此CO排放降低。

图6给出了不同喷油压力下，气缸内甲烷分布的仿真图。提高喷油压力，甲烷的火焰传播速度增加[图4(d)]，有助于缸内甲烷燃烧。但是，靠近气缸壁面和狭隙区域的混合气由于温度低不能被点燃，这部分气体在膨胀行程重新进入气缸，然而此时缸内温度较低，不能将这部分可燃混合气点燃，在排气行程中随废气一起排出气缸。因此，喷油压力上升，可促进气缸中心的天然气燃烧，残留在气缸壁面和狭隙区域中的甲烷成为未燃甲烷排放的主要来源。

4 结论

① 当提高喷油压力时，CO和CH4排放下降，而MPRR、BTE和NOX排放上升。当EGR率增加时，CH4和CO呈现上升趋势，NOX排放下降。BTE先上升后下降，而MPRR呈现先降低再升高最后下降的趋势。

② 提高喷油压力，气缸内湍动能增加，甲烷火焰传播速度增加，有助于将气缸内的未燃甲烷重新点燃，消耗大部分的未燃甲烷。然而气缸壁面温度较低，不能将汽缸壁和狭隙中的天然气氧化，因此壁面和狭隙区域的天然气成为未燃甲烷的主要来源。在EGR率较小时，喷油压力对CO和CH4排放影响较小。在大EGR率工况下，提高喷油压力，CO和CH4排放显著降低。

③ 当喷油压力为120 MPa和EGR率为20 %时，柴油/天然气双燃料发动机可获得较高的热效率和较低的排放。