喷油正时对双燃料发动机低负荷性能影响的数值模拟

魏建辉， 彭育辉

(福州大学机械工程及自动化学院， 福建 福州 350108)

0 引言

天然气是具有高热值、 高自燃温度以及价格优势的清洁能源， 是内燃机最有前景的替代燃料之一. 天然气/柴油双燃料发动机的研究一直致力于提高燃料经济性并减少污染物排放[1-2].

天然气/柴油双燃料燃烧可显著降低碳烟和氮氧化物排放， 并能在动力性、 经济性方面保持与纯柴油燃烧基本一致. 但在中低负荷工况， 发动机的燃料喷射量少而空气供给量多， 可燃混合气稀薄， 燃烧速度低且不稳定， 燃烧效率低， 一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放恶化. 文献[3-5]通过控制节气门开度来调整空燃比， 以更好地控制过量空气系数. 而文献[6]提出通过节气门控制进气会导致泵气损失增加, 容积效率下降. 文献[7]在进气总管安装节气门体控制空气流量， 研究双燃料模式中、 低负荷性能受替代率的影响, 提出基于过量空气系数控制的燃料供给策略， 有效地降低了氮氧化物(NOx)排放， 并且在低负荷工况替代率可达40%， 但存在CO和HC排放较高的问题. 文献[8-10]表明, 引燃柴油喷油正时对发动机双燃料模式的输出功率、 峰值压力、 燃烧温度和燃烧相位均能产生较大影响. 文献[11-12]阐述了柴油喷油正时对双燃料模式缸内燃烧过程的影响， 适当提前喷射引燃柴油可减少低负荷工况的未燃甲烷等温室气体排放.

综上所述， 基于过量空气系数控制的燃料供给策略， 可使发动机在低负荷工况以较高的天然气替代率工作， 并降低NOx排放[7]. 但在低负荷工况下， 随着替代率的提高， CO和HC排放升高的问题越趋突出. 本研究基于过量空气系数控制策略的排放性问题， 通过台架试验与数值模拟， 进一步探讨引燃柴油喷油正时对双燃料发动机低负荷的动力性、 燃油经济性及污染物排放的影响规律等问题.

1 试验方案设计

1.1 双燃料试验系统

试验台架由一台型号为SL2110DKT-3的四冲程、 直喷、 两缸柴油机改装而成， 该机组具体参数如下： 标定功率与标定转速分别为25.7 kW和2 400 r·min-1， 压缩比为17， 缸径、 活塞行程和连杆长度分别为110、 117和185 mm.

在原机燃油供给系统基础上加装天然气供给系统， 如图1所示， 在气轨上安装喷射阀实现天然气的多点喷射， 在天然气气轨前设置二级调压阀、 二级缓冲罐降低喷射阀压力波动对喷射量的影响[13]. 在发动机进气歧管安装天然气混合器， 在进气管安装节气门体， 控制进空气量， 实现对过量空气系数的精确控制.

图1 天然气供给系统Fig.1 Natural gas supply system

1.2 试验方案

基于过量空气系数控制的燃料供给策略在文献[7]中已有详细描述， 在此基础上进一步研究柴油喷油正时对双燃料模式低负荷性能的影响规律. 选取中等转速(1 600 r·min-1)、 低负荷(27.1 N·m)为目标工况[14]， 测试工况的替代率取40%、 过量空气系数为2.5， 每循环引燃油量、 天然气喷射量和空气供给量分别为11.81、 6.80和718.14 mg， 喷油正时以2°的间隔从上止点前17°提前到27°.

2 计算机仿真模型

2.1 数值仿真模型

应用三维计算流体动力学软件模拟双燃料发动机缸内燃烧过程. 为了提高计算效率以1/5扇形体进行计算， 模型的基础网格尺寸为1.4 mm， 采用2级自适应加密， 对油束区域进行嵌入式加密. 计算网格模型如图2所示， 子模型设定如表1所示.

图2 燃烧室计算网格 Fig.2 Computational mesh of the combustion chamber

表1 模拟计算采用的子模型

燃料采用正庚烷模拟柴油燃烧化学性质， 由甲烷代替天然气. 采用的柴油/天然气双燃料详细化学动力学模型包含81种组分和421个基元反应, 通过详细的动力学机理模拟Soot的形成过程, 采用SAGE燃烧模型模拟柴油和天然气喷射燃烧过程.

2.2 仿真模型的有效性验证

数值模型通过与试验数据对比进行验证， 工况缸内压力和放热率曲线如图3所示， 模拟计算边界条件由实际供给的混合气浓度计算获得， O2、 N2、 CH4质量分数分别为0.227 8、 0.762 8、 0.009 4. 对比试验采集数据和模型仿真结果可知， 试验缸压曲线与仿真缸压曲线拟合度较好， 缸内压力最大相对误差小于5%， 试验放热率曲线与数值模拟结果趋势比较吻合. 对比文献[15]中的模型精度， 本模型具有较高精度， 模型能够较准确地反映发动机实际工作过程.

图3 仿真结果与试验数据的比较Fig.3 Comparison between the experiments and simulations

3 结果与讨论

3.1 台架试验结果分析3.1.1 喷油提前对动力性的影响

中等转速、 低负荷下， 双燃料模式不同喷油正时的输出功率对比如图4(a)所示. 随着在上止点前(BTDC)提前喷油时刻， 发动机的输出功率逐渐提高； 当喷油正时为27° BTDC时， 输出功率相比喷油时刻为17° BTDC时增加18.44%， 达到了柴油模式的目标功率. 缸内压力如图4(b)所示. 从图中可知， 增大喷油提前角， 缸内峰值压力随之升高， 缸压峰值对应的相位提前.

图4 不同喷油时刻的输出功率与缸内压力Fig.4 Output power and in-cylinder pressure at different injection timing

3.1.2喷油提前对经济性、 排放性的影响

为比较各工况点的燃料经济性， 将喷射的天然气和柴油按理论低热值换算得到双燃料模式消耗的总能量， 并计算有效能量消耗率(BSEC). 不同喷油正时的有效能量消耗率对比如图5(a)所示. 从中可知, BSEC随着喷油时刻的提前而逐渐减小. 当喷油时刻为27° BTDC， BSEC为17.615 MJ·(kW·h)-1， 较原始喷油时刻(17° BTDC)的BSEC减少了15.57%， 提前喷油策略对提高燃油经济性具有积极作用. 试验工况下的引燃柴油和天然气供给量保持不变， 燃料经济性的改善主要是由于燃烧过程的改善使得发动机的做功能力有所提高.

保持发动机转速为1 600 r·min-1， 天然气和引燃柴油供给量及进空气量不变， 排气污染物的变化主要是由喷油正时的改变导致. 不同喷油正时的污染物排放如图5(b)所示， 柴油喷射时刻提前， CO比排放逐渐减少， 增大喷油提前角至27° BTDC， CO比排放减少了37.98%， HC比排放降低了39.51%， NOx比排放增加.

图5 不同喷油时刻的有效能量消耗率和污染物排放Fig.5 BSEC and pollutant emissions at different injection timing

3.2 缸内燃烧过程分析

缸内燃烧温度是影响CO、 NOx、 HC等污染物排放的重要因素[16]， 缸内温度分布云图如图6所示. 从图中可见： 喷油提前使得燃烧相位前移， 当曲轴转角位于上止点后10°时更多的燃料参与了燃烧， 提高了缸内燃烧温度， 产生更多的燃烧高温区域. 高温区域主要分布在燃烧室中心， 并逐渐向气缸壁方向发展. 随着喷油时刻的提前， 在上止点后40°时， 分布在气缸壁附近的局部低温区域逐渐减少.

图6 缸内温度分布云图Fig.6 In-cylinder temperature distribution

CO比排放的改善主要是由于缸内燃烧温度的提高和不完全燃烧区域的减少[17]， 如图7所示. 喷油提前使燃料在上止点附近集中放热， 缸内温度提高. 同时， 喷油提前形成更均匀的可燃混合气， 速燃期缩短为CO提供了更充分的氧化时间， 当喷油提前至27°， CO比排放减少了37.98%.

图7 缸内CO分布云图Fig.7 In-cylinder CO distribution

双燃料发动机低负荷工作时HC排放较高， 混合气中的未燃甲烷是HC排放的主要来源， 低负荷工况下未燃甲烷主要分布于缸内局部低温区域[11]， 不同喷油时刻的缸内甲烷分布如图8所示. 喷油时刻提前， 有利于形成更均匀的可燃混合气， 使得燃烧相位整体前移， 燃料在上止点附近集中放热， 缸内燃烧温度提高， 在上止点后10°， 火焰能够到达远离燃烧室中心的区域， 减少了低温区域的产生， 更多混合气中的甲烷在反应中被消耗， 最终减少了未燃甲烷的残留. 喷油时刻为上止点前19°时， 在上止点后40°的未燃甲烷主要分布在气缸轴线以及远离燃烧中心的气缸壁区域. 随着喷油时刻的提前， 在气缸轴线周围以及气缸壁附近的未燃甲烷明显减少， 当喷油时刻为上止点前27°时， 在上止点后40°气缸轴线附近几乎没有未燃甲烷， 此时的HC排放主要来源于气缸壁区域的少量未燃甲烷.

图8 缸内CH4分布云图Fig.8 In-cylinder CH4 distribution

NOx生成速度受温度影响较大， 主要分布在高温富氧区域， 不同喷油时刻的缸内NOx分布如图9所示. 随着喷油提前， 峰值压力和燃烧温度提高， 加速了NOx的生成， 在上止点后10°的活塞碗区域形成大量NOx； 均匀混合气提高了缸内燃烧速率， 速燃期缩短， 在后燃期与补燃期给NOx生成提供了更多反应时间， NOx排放逐渐增加； 对比温度分布云图可知， 在低温区域几乎没有NOx分布， NOx大多分布于温度约1 850 K以上的高温区域. 随着喷油时刻继续提前， 由于压力升高率增大， 发动机工作粗暴并存在爆震趋势. 在满足动力性要求的前提下， 喷油提前角不宜过大， 应保证发动机工作稳定并平衡CO、 HC及NOx排放.

图9 缸内NOx分布云图Fig.9 In-cylinder NOx distribution

4 结语

1) 基于过量空气系数控制的双燃料发动机在中等转速、 低负荷、 40%替代率通过引燃柴油喷油提前， 可使输出功率提高到4.56 kW， 双燃料模式功率与原机功率相当. 保持引燃油量与天然气量不变， 喷油时刻适当提前， 能有效提高天然气/柴油发动机的动力性和燃料经济性.

2) 基于过量空气系数控制策略下， 双燃料发动机的喷油时刻提前， 燃烧相位随之前移， 集中放热效应明显， 缸内燃烧温度的提高使CO、 HC的排放降低. 喷油正时为上止点前27°时， 输出功率提升了18.44%， 能量消耗率减少15.57%， 同时CO与HC排放水平分别降低37.98%和39.51%.

3) 提前喷油策略能够克服双燃料发动机在低负荷下提高替代率而导致的功率下降问题， 使发动机能够以较高替代率在低负荷工况运行， 提高了天然气在发动机工作过程中总能量的整体占比.