HPDI 双燃料船机喷射时刻对压力振荡的影响

周 磊，刘宗宽，江枭枭，卫海桥

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

远洋船舶担负全球近 80%以上的商品输运，低速柴油机凭借高热效率、高可靠性及功率范围大等优势，在船用发动机市场长期占据主导地位，超过 90%的船舶以柴油机作为动力源[1]．但柴油机也排放出了大量的硫化物、氮氧化物及颗粒物等污染物．为减轻低速柴油机排放的污染物对海洋环境的危害，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)出台了更加严格的排放限制法规．清洁替代燃料在低速船机中的应用研究成为热点话题[2]．

天然气具有储量丰富、燃烧清洁、高经济性等优点[3]，被认为是一种非常有潜力的发动机替代燃料．采用高压直喷模式(high pressure direct injection，HPDI)的船用双燃料发动机可以获得与传统柴油机相当的热效率和功率，同时可以发挥天然气低排放的优势，是天然气在船用柴油机中的经典应用．然而，该模式双燃料发动机高负荷时燃烧放热率过快，易出现非正常燃烧现象，导致发动机燃烧过程及排放性能恶化，严重时会损害发动机机械结构[4]．国内外针对该模式双燃料发动机做了一系列研究，但主要集中在发动机性能、喷雾燃烧和排放等方面．White 等[5-6]基于快压机对双燃料缸内直喷的喷雾和混合过程进行了试验研究，主要分析了天然气和柴油喷射交角、天然气喷射延迟期对天然气和柴油混合情况的影响．研究发现存在一个最佳的喷射夹角 5°和最佳的喷射延迟期 0.5 ms，最有利于两种燃料的混合．高莹等[7]采用数值模拟方法研究了柴油引燃缸内直喷天然气发动机的性能和放热规律，发现喷射间隔缩短及喷射压力提高会使缸压峰值变大且燃烧噪声恶化.Brown[8]和 Laforet 等[9]试验研究了喷射器结构对高压喷射模式天然气发动机性能的影响，分析了该模式发动机中的爆震现象和爆震发生规律．总结发现，目前对 HPDI 天然气双燃料发动机缸内不正常燃烧现象的研究相对缺乏，相关研究内容不够深刻．

本文采用三维数值模拟的方法，研究实际 HPDI双燃料发动机中天然气和引燃油的喷射时刻对缸内燃烧过程和不正常燃烧现象的影响，并基于出现压力振荡的燃烧粗暴工况，进一步探究引燃油喷射时刻对燃烧粗暴和缸内压力振荡的影响．研究结果可为分析HPDI 发动机爆震及燃烧粗暴现象、避免缸内压力振荡提供理论参考．

1 模型建立与验证

模拟研究以实际低速二冲程双燃料发动机为原型开展，其基本参数如表 1 所示[10]．基于三维仿真软件 CONVERGE(版本 2.3)，对该双燃料船用低速发动机建立三维计算模型，如图1 所示．

表1 低速发动机技术参数Tab.1 Technical specifications of low-speed engine

图1 船用发动机三维模型的计算网格Fig.1 Three-dimensional model computational grid of the marine engine

三维模型燃烧室中设置4 个喷油器，分别用于喷射引燃柴油和天然气，燃料喷射过程示意可参考图2．同时，燃烧室上部不同部位布置了 2 圈监测点，以获取不同工况下缸内的压力和温度状态，如图 3[4,18]所示．适当的网格设置便于准确地模拟缸内燃烧过程，模型基础网格尺寸为 1 cm，最小网格尺寸为2.5 mm，并且模型具有完整的进气口和排气道．

图2 HPDI双燃料发动机燃烧过程示意Fig.2 Schematic of the combustion process of HPDI dual-fuel engine

图3 部分监测点设置及燃料喷射示意Fig.3 Schematic of monitoring-point settings and fuel injection

研究中采用的湍流、喷雾、燃烧模型[11-13]如表 2所示．液滴与壁面的相互作用采用 Wall film 模型表征，液滴蒸发模型选用Frossling 模型，液滴碰壁模型选用 Rebound/slide 模型[14-16]．边界条件设定完成以后进行模型验证，柴油和天然气的替代燃料分别选择正庚烷和甲烷．对比了转速为112 r/min、负荷为75%工况下的缸压、放热率曲线的模拟值和试验值，结果如图 4 所示．需要指出的是，船机最常用的负荷为75%负荷，也是船机 ISO8178E3 测试循环中最为关键的负荷[17]．

表2 三维模型的子模型Tab.2 Sub-models of three-dimensinal simulation study

图4 缸压和放热率的模拟值与试验值对比Fig.4 Comparison of simulated and experimental values of in-cylinder pressure and heat release rates

对比发现，模拟所得缸压曲线和放热率曲线与试验值具有较高的吻合度，说明该数值模型可较为准确地预测发动机缸内的燃烧过程，基于该模型对实际船机中压力振荡及燃烧粗暴等现象的研究是可靠的．

2 计算结果及分析

2.1 天然气喷射时刻对缸内压力振荡的影响

为探究天然气喷射时刻对 HPDI 模式双燃料船机缸内压力振荡及燃烧粗暴过程的影响，在基准算例的基础上，将天然气喷射时刻分别设为-6°CA、-4°CA、-2°CA、-1°CA(基准算例)、0°CA、2°CA ATDC(after top dead center)，对比分析缸内燃烧过程及压力振荡的变化，其中，柴油喷射时刻为-2°CA ATDC．结果如图5～图10 所示．

图 5 展示了不同天然气喷射时刻下缸压和瞬时放热率的发展规律．研究发现，天然气喷射时刻提前至先于柴油喷射时，瞬时放热率出现一个明显峰值，且喷射时刻越提前峰值越大；同时，缸内压力明显升高，且燃烧初期压力升高率增大，说明燃烧粗暴程度增加．这主要是因为天然气滞燃期相对较长，其先于柴油喷射时更有利于与空气形成均质混合气，并可使缸内混合气的温度和氧浓度有所降低，进而使引燃柴油喷入时滞燃期延长，柴油与空气混合更加充分，造成初期燃烧较为剧烈，压升率急剧升高[18-19]．同时，引燃油自燃时可引燃更多天然气，预混合燃烧阶段天然气消耗量增加，能量释放增多且更加集中，加剧了初始燃烧的粗暴程度，缸内压力峰值升高．

图5 天然气喷射时刻对缸内平均压力和瞬时放热率的影响Fig.5 Effects of natural gas injection timing on incylinder mean pressure and heat release rate

天然气滞后引燃柴油喷射时，随着天然气喷射时刻的推迟，缸压曲线更加平滑，引燃油和天然气燃烧形成的双峰分阶段放热现象更加明显，同时爆压降低且燃烧相位推迟．天然气喷射时刻推迟，柴油先喷射并自着火，天然气直接喷入着火区域，预混天然气比例降低，因此瞬时放热率和压升率都更为平缓．发动机的主燃料为天然气时，天然气喷射时刻推迟使缸内主燃烧过程推迟，导致膨胀行程传热损失增加，发动机做功能力下降．

图 6 展示了不同天然气喷射时刻对缸内瞬时压力以及监测点压力振荡强度的变化．其中，压力振荡曲线的幅值可以用于表征压力振荡的强度，为避免重叠，将不同工况的压力振荡曲线进行适当平移，例如，图中 0.10 MPa 表示将天然气喷射时刻为－4°CA工况的压力振荡曲线沿y 轴向上平移0.10 MPa 的距离．如图 6 所示，天然气先于引燃柴油喷射的工况，即天然气喷射时刻为－4°CA、－6°CA ATDC 的工况，缸内瞬时压力发生明显波动，产生明显的压力振荡，意味着发生燃烧粗暴现象．天然气喷射时刻越提前，压力振荡越强，与之前分析的结论一致．天然气喷射时刻提前，着火初期预混燃烧比例增大；同时，天然气可对缸内充量进行冷却且稀释局部氧浓度，导致后喷的引燃油滞燃期变长，雾化、蒸发时间更充足，分布均匀的引燃油多点着火后燃烧更加剧烈，对天然气的引燃效果更强，成为造成压力振荡的原因之一．

图6 天然气喷射时刻对缸内瞬时压力的影响Fig.6 Impact of natural gas injection timing on instantaneous pressure in cylinder

图 7 展示了不同天然气喷射时刻下缸内温度分布云图，对应时刻分别为 1°CA、3°CA、5°CA、7°CA ATDC．其中，黑线代表当量比为1 的区域．天然气提前喷射的工况，天然气较早进入缸内，并先与空气混合；而天然气喷射时刻的推迟使其被引燃的位置和时间取决于引燃油火焰的发展状态．结合前文分析，天然气喷射时刻提前，造成燃烧剧烈程度增加，故图 7中喷射时刻为－6°CA、－4°CA 的工况在 1°CA～7°CA ATDC 时刻缸内高温区域(红色)分布更加广泛，意味着缸内发生了燃烧粗暴现象．

图7 天然气喷射时刻对缸内温度分布的影响Fig.7 Effect of timing of natural gas injection on the incylinder temperature distribution

天然气喷射时刻的推迟，使天然气喷束对引燃油喷束着火燃烧过程的影响减小，且先喷入缸内的引燃柴油保证了天然气的着火燃烧，降低了预混天然气的比例，同时引燃油燃烧消耗部分氧气，降低了天然气喷束方向的氧浓度，均加剧了燃烧过程的整体推迟．从图 7 中可以看到随天然气喷射时刻推迟，中、高温区域出现的时刻也相应推迟．根据当量比为 1的区域随时间的变化可知，可燃混合气随火焰传播至末端区域，压力振荡发生时，末端未存在可燃混合气，表明该模式发动机产生的非正常燃烧与汽油机或双燃料低压喷射模式下末端自燃引起的爆震燃烧形式不同，而与柴油机燃烧粗暴类似．

基于以上分析可知，选取压力振荡明显的工况，即天然气喷射时刻为-6°CA ATDC、柴油喷射时刻为-2°CA ATDC 的工况，对缸内的组分变化及燃烧过程进行研究．

图 8 为燃烧粗暴发生时缸内不同组分的变化情况．甲烷氧化反应路径中重要的中间产物主要包括CH2O(甲醛)、CH3(甲基)、HCO(醛基)、OH(羟基)等[20-22]．如图8(a)所示，燃烧粗暴发生时刻，HCO 的量开始显著增加，且增长阶段约持续至12°CA．由图6 可知该工况燃烧粗暴持续期约为 12°CA，期间HCO 的持续生成量较多，之后开始迅速下降，因此HCO 可作为燃烧粗暴持续期表征物质．同时，HCO生成和燃烧粗暴几乎在同一时刻发生，故也可根据HCO 的生成确定燃烧粗暴发生时刻．

图8 压力振荡工况中间产物的变化情况Fig.8 Variation of key intermediates with pressure oscillation

OH 可作为高温反应的指示物质[22-25]，如图8(b)所示，OH 的生成伴随着温度的迅速升高，且 OH 生成时刻与 HCO 生成时刻一致．同时，从图 9 中不同天然气喷射时刻下 HCO 的质量变化可以看出，燃烧粗暴发生时，HCO 明显增加，且燃烧粗暴越剧烈的工况 HCO 增加越多．综上所述，HCO 不仅可用于表征燃烧粗暴及压力振荡持续期的长短，还可以反映燃烧粗暴的剧烈程度．

图9 不同天然气喷射时刻下HCO的质量变化Fig.9 Variation of HCO at different timings of natural gas injection

CH2O 分解生成 HCO，可以看作 HCO 的先导物．CH2O 的出现预示甲烷低温氧化反应的开始，其在高温反应时快速消耗．由图 8(b)可知，HCO 开始快速生成的同时CH2O 快速消耗，其消耗速率可表征高温反应的剧烈程度．CH3的生成时刻位于CH2O 和HCO 生成时刻之间，且燃烧粗暴发生时 CH3生成速率急剧增加，并在压力振荡出现时刻出现峰值．以上分析表明，CH3可以表征天然气从低温反应向高温反应的过渡阶段，且可作为燃烧粗暴及压力振荡发生的指示物质．

图10 为双燃料燃烧过程中的φ-T 图及不同组分质量分数变化的情况，展示了低温高浓度到高温低浓度区域的组分过渡情况，即低温高浓度区域分布有大量的 CH4，该区域温度主要在 1 500 K 以下，当量比大于 4；而温度为 2 000 K 左右、当量比为 2～4 的区域主要分布有大量的 CH3；进一步升高温度到2 500 K 左右则主要是HCO 的分布区，该区域的当量比主要在1～2 附近，这也进一步验证了CH3在CH4低温反应过渡到高温反应的过程中起了重要的作用．同时从 φ-T 图也能观测到，在 3°CA 时刻高浓度的散点大面积出现在高温区域，说明甲烷发生了大面积燃烧，瞬时放热率较大，导致缸内整体温度升高明显，发生类似于柴油机的燃烧粗暴现象．

图10 粗暴燃烧时刻下的φ-T 图结合组分质量分数变化Fig.10 Variation of the species mass fractions in φ-T diagram at the time of rough combustion

2.2 引燃油喷射时刻对燃烧粗暴的影响

研究发现，天然气喷射时刻为－6°CA ATDC 的工况燃烧粗暴最为明显，压力振荡幅值最大，本节以此工况为基础，保持引燃油喷射策略不变，探究了引燃油喷射时刻对缸内燃烧过程及压力振荡的影响.引燃油喷射时刻设置为-10°CA、-8°CA、-6°CA、-4°CA、-2°CA(基准算例)、0°CA、2°CA、4°CA ATDC．

图11 展示了不同引燃油喷射时刻下的缸内平均压力和瞬时放热率曲线．分析发现，引燃油喷射时刻对缸内压力的影响相对较小．随着引燃油喷射时刻提前，缸内压力开始升高的时刻及峰值相位基本保持不变，且总体上低于天然气喷射提前的结果．引燃油喷射时刻推迟幅度较小时，缸内预混天然气相对较少，故着火初期预混燃烧比例较小，缸内压力有一定程度的下降；而随着引燃油喷射时刻继续推迟，预混天然气量增加且更加均匀．引燃油喷入缸内后，均质天然气/空气混合气剧烈燃烧，短时间内放出大量热，使缸内压力峰值增大．

图11 引燃柴油喷射时刻对缸内平均压力和瞬时放热率的影响Fig.11 Effect of pilot fuel injection timing on the mean pressure and heat release rate in cylinder

从放热率曲线可以看出，引燃柴油喷射时刻的推迟使燃烧过程逐渐推迟．当柴油先于天然气喷射时，受预混天然气的影响，瞬时放热率总体上低于柴油后喷的工况．柴油喷射时刻为-4°CA 时，瞬时放热率明显低于其他工况．这是因为该工况预混天然气量少且柴油混合气的量相对于柴油提前喷射的工况也较少，燃烧剧烈程度也降低，导致缸内压力升高率降低．而随着喷射时刻的推迟，瞬时放热率峰值呈先增加后降低的趋势，引燃柴油喷射时刻为－2°CA ATDC 时达最大值，主要因为喷射时刻为 0°CA、2°CA、4°CA ATDC 的工况发生了天然气压燃现象，缓解了由柴油多点着火引起的大面积剧烈燃烧．

图12 展示了不同引燃油喷射时刻对缸内瞬时压力和压力振荡的影响．研究发现，引燃油提前喷射时(-10°CA、-8°CA、-6°CA ATDC 的工况)，压力振荡强度明显高于引燃油后喷的工况，这主要是由于同时发生了柴油和天然气两种燃料的燃烧粗暴现象．引燃柴油提前喷入时，缸内环境温度和压力都较低，不能发生自燃．从图11 中放热率曲线可知，3 个工况发生着火的时刻均在-3°CA ATDC 左右，引燃油提前喷射使其与空气先进行预混．同时，着火时缸内也存在较多的天然气混合气，因此两种燃料预混状态下的燃烧更加剧烈，故压力振荡强度明显升高．

图12 引燃柴油喷射时刻对缸内瞬时压力和压力振荡的影响Fig.12 Impact of pilot fuel injection timing on instantaneous pressure and pressure oscillation in cylinder

引燃油喷射时刻为-10°CA、-8°CA、-6°CA ATDC 的工况，随着引燃油喷射时刻推迟，压力振荡强度呈先增加后降低的趋势，这是引燃油蒸发量及与天然气接触的引燃油量共同影响下的结果．引燃油喷射时刻不同使得天然气与引燃油火焰的接触有所不同，引燃油火焰的发展状态决定了天然气被引燃的位置和时刻，引燃油喷射时刻越提前，越多的引燃油喷入到缸壁附近，则与天然气接触的引燃油量越少，多点着火后对天然气的引燃效果也越差，燃烧剧烈程度较低，因此引燃油喷射时刻为-10°CA ATDC 时，压力振荡强度较小．引燃油喷射推迟到-6°CA ATDC时，则着火前引燃油的蒸发量减少，柴油混合气越少且更不均匀，其本身的燃烧粗暴现象较弱，所以压力振荡强度有所降低．对于引燃油推迟喷射的工况，由前文的分析可知，随着引燃油喷射时刻的推迟，燃烧剧烈程度增加，从而压力振荡强度增加，而当进一步推迟喷射到 0°CA、2°CA、4°CA ATDC，缸内天然气发生了压燃现象，压燃的天然气可作为引燃柴油的点火源，降低柴油滞燃期，有利于缓解燃烧初期由于柴油滞燃期延长导致的剧烈燃烧粗暴现象. 此外，对比引燃油喷射时刻为 0°CA、2°CA、4°CA ATDC 工况的压力振荡强度可知，压燃的天然气虽然能够缓解由于引燃导致的初期剧烈的燃烧粗暴现象，但是在压燃的基础上加入引燃柴油，则能总体上降低由于压燃导致的更为剧烈的压力振荡．此现象是由于引燃油的引入，对缸内天然气起到了冷却作用，同时引燃油的燃烧消耗了天然气周围的部分氧气，从而缓解了整体的燃烧速率，改善了燃烧粗暴现象．

图 13 表示不同引燃油喷射时刻下 C7H16及 OH的质量随曲轴转角的变化情况．以OH 生成时刻作为柴油及天然气高温反应发生的开始时刻[22-23,25]．可以发现，引燃油提前喷射的工况(－10°CA、－8°CA、－6°CA ATDC 的工况)，C7H16在着火时刻呈直线下降的趋势，说明其发生了大面积同时着火，即柴油的燃烧粗暴现象．此外，从 C7H16的质量变化可以看出，随着引燃油喷射时刻的推迟，其着火之前的蒸发量也逐渐减少，即柴油本身的燃烧粗暴现象逐渐减弱．同时，随着引燃油喷射时刻的推迟，柴油的着火滞燃期逐渐减少，在 0°CA、2°CA、4°CA ATDC 工况下，在柴油喷射之前已发生OH 急剧上升的现象即发生了天然气的压燃，且压燃天然气能够明显降低引燃柴油的滞燃期，与前文分析的结果一致．

图13 引燃柴油喷射时刻对C7H16 和OH的影响Fig.13 Impact of pilot fuel injection timing on the C7H16 and OH

图14 为引燃柴油提前喷射时缸内温度及甲烷质量分数等值面分布图，其中黄色为温度等值面，蓝色为甲烷等值面，红色为表示柴油液滴的喷射情况．可以发现，随着柴油喷射时刻的提前，更多的柴油液滴分布在靠近缸壁附近，当天然气燃烧时，与天然气直接接触的柴油量随着喷射提前而逐渐减少．在-2°CA ATDC 时刻，天然气与柴油同时大面积着火，即发生了燃烧粗暴现象．此外，-6°CA ATDC 工况天然气喷束范围内的燃烧更为饱满，意味着此时天然气本身的燃烧粗暴现象更为剧烈．

图14 引燃油提前喷射时缸内温度及甲烷等值面分布Fig.14 Iso-surfaces of temperature and CH4 at different pilot fuel injection times

图15 引燃油推迟喷射时φ-T 图及HCO质量分数变化Fig.15 Influence of delayed pilot fuel injection on the φ-T diagram and HCO mass fraction

图15 表示引燃油喷射时刻推迟时缸内φ-T 散点分布图及 HCO 的质量变化．研究发现，天然气被压燃与引燃时图中的散点变化呈现不同规律．天然气被引燃时，中高温区域(1 500 K 左右)的散点对应的当量比更大，意味着这时有更多高浓度的燃料处于高温区域，从而高浓度区域更易释放热量，燃烧粗暴.从图中可知，天然气压燃有利于缓解初始阶段的燃烧粗暴现象，在 2°CA ATDC 时刻，柴油喷射时刻为2°CA ATDC 相较于0°CA ATDC，在压燃燃烧模式下有更多当量比为 0～4 的散点分布在 1 500 K 左右的区域，意味着此时燃烧速率是低于引燃模式的，即燃烧剧烈程度较轻．而由于压燃模式下较低的燃烧速率必然会导致更多的未燃天然气与空气混合，形成更多且更均质的可燃混合气，导致整体的燃烧更为剧烈．可以看到，在 2°CA ATDC 时刻，柴油喷射时刻2°CA ATDC 相较于 0°CA ATDC 及在 4°CA ATDC时刻，柴油喷射时刻为 4°CA ATDC 相较于 2°CA ATDC，均有更多的散点分布在 0～4 的当量比及1 500 K 左右的中温区，意味着下一阶段将发生更为剧烈的天然气预混燃烧．而引燃柴油的引入正好能缓解这一过程．因此，实际应用中，可以考虑在天然气引燃之前实现部分压燃来降低整体的压力振荡．同时从图 15 也能看出，随着燃烧粗暴的发生，HCO 一直分布在高温及当量比 1 以上的较浓区，且随着燃烧粗暴的发生呈逐渐上升的趋势，这与之前的分析结论一致．

3 结 论

(1) 天然气喷射时刻提前增大了天然气预混燃烧的比例，燃烧相对集中，瞬时放热率加大，压力升高率增大，缸内压力峰值升高，加剧了初始燃烧的粗暴程度，压力振荡强度明显增加．而天然气喷射时刻推迟，使燃烧过程整体滞后，缸压变化逐渐平滑，双峰现象更加明显，分阶段放热规律明显，爆压降低．

(2) 天然气燃烧粗暴且压力振荡发生时，引燃油喷射提前至天然气喷射之前时，燃烧更加粗暴，压力振荡明显增强；当引燃柴油喷射迟于天然气喷射时刻时，随前者喷射时刻的推迟，缸内燃烧剧烈程度增加，压力振荡强度增加．进一步推迟喷射，发生天然气压燃的现象，压燃的天然气反过来作为柴油点火源，缩短了柴油滞燃期，缓解了燃烧初期柴油滞燃期延长导致的剧烈燃烧粗暴现象，使压力振荡强度降低.

(3) 压燃的天然气能够缓解由于引燃导致的初期剧烈的燃烧粗暴现象，但是在压燃的基础上加入引燃柴油，对缸内天然气起到了冷却作用，同时引燃油的燃烧消耗了部分氧气，降低了整体的燃烧速率，能从总体上降低由于压燃导致的燃烧剧烈程度，使压力振荡强度降低．

(4) 组分分析发现，缸内整体燃烧过程中 HCO的量较少，燃烧粗暴发生时 HCO 开始显著增加，且增长阶段与压力振荡持续期基本一致，故 HCO 可用于表征双燃料发动机燃烧粗暴及压力振荡的剧烈程度及持续期长短；CH3可作为天然气开始从低温反应过渡到高温反应的表征物质，同时 CH3可作为燃烧粗暴及压力振荡的指示物质，其短时大量积累预示着燃烧粗暴的发生．