双卷流燃烧系统的双燃料发动机燃烧排放特性

黄加亮，张飞飞，林 航，王奇伟，胡 登，李品芳，黄朝霞

(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.集美大学理学院，福建 厦门 361021；3.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021；4.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

国内外排放法规日趋严格，船用发动机污染物排放问题日益突出，同时能源紧缺形势愈发严峻，节能减排成为当前研究热点[1]。生物柴油作为可再生清洁能源，可以从原料上解决硫污染问题，同时，生物柴油的含氧量有助于降低碳烟和CO排放，而且生物柴油可以和柴油任意比例混合而不需要添加助溶剂。但生物柴油的添加会导致NOx排放过高，南婧雯[2]利用GT-POWER软件对不同比例生物柴油进行仿真，研究发现，随着生物柴油掺混比例的增加，NOx排放明显上升。为解决这一问题，文献[3]在掺烧生物柴油基础上结合废气再循环(EGR)实现低温燃烧效果，进而达到降低NOx排放的目标。但生物柴油比柴油具有更大的粘度和表面张力，双燃料发动机在燃油雾化、油气混合、燃烧性能及排放等方面与普通柴油机存在较大差异。随着生物柴油掺混比的增加及低温燃烧环境的实现，使得滞燃期延长，燃油点火时刻滞后，在滞燃期累积的油气质量急剧增加，易造成爆燃现象，影响发动机正常工作[4]。因此合理解决生物柴油粘度和EGR率增加带来的燃烧恶化问题尤为关键。陈晓瑜[5]利用CONVERGE软件在210柴油机台架基础上重新设计了四种燃烧室，从而改善了柴油雾化，进而实现改善柴油机性能的目的。本文在生物柴油掺混40%、EGR率12.5%的基础上，对4190型船用柴油机进行DS型燃烧室改造，同时对喷油提前角和喷孔直径等参数进行优化，以解决生物柴油粘度过大和EGR率过高导致的燃烧恶化问题。

1 模型建立及验证

1.1 燃烧室模型建立

本文以4190型船用中速柴油机为研究对象，利用CAD软件绘制燃烧室上止点时刻1/2截面，如图1所示。在保证压缩终点燃烧室体积不变的基础上进行双卷流改造[6]。图2为不同燃烧室活塞上止点1/8计算模型，DS(double swirl)型燃烧室模型网格数为3391，比ω型燃烧室模型网格多101个，主要原因为侧燃烧室的增加导致网格划分更加密集，进而增加了网格的数量。为防止试验过程中进排气阀对燃烧室容积造成的影响，导致压缩比的变化，因此，在模型设置中仍然选择增加补偿容积，以保证压缩比不变。

1.2 模型选择

湍流流动模型选择κ-ε双方程模型。喷雾模型主要包括四个子模型：喷雾破碎模型选择KH-RT模型；燃烧过程选择适应双燃料不同蒸发速率的Multi-component蒸发模型；液滴碰壁模型选择Walljet1模型；湍流扩散模型选用Enable模型。

燃烧及排放模型中，着火模型选择适合柴油机等压缩燃烧的Shell自燃模型；NOx和CO选用扩展的Zeldovich模型；碳烟选用Frolov Kinetic模型。

1.3 初始条件和关键参数

4190型柴油机基本参数如表1所示。边界条件参数的设置参见文献[7-8]。初始条件的设置中进气阀关闭时刻气体压力和温度由原机得到。

表1 4190型柴油机基本性能、参数指标

1.4 模型验证

在求解器设置中将生物柴油掺混比分别设置为0和20%，EGR率设置为0，将仿真结果与台架实验进行对比，如图3所示。由图3可知，缸内平均压力实验值与仿真值曲线基本保持一致，误差范围低于5%，可以进行后续的仿真研究。

2 仿真结果及分析

2.1 湍动能和速度场分析

喷油提前角分别为720°和730°时,不同燃烧室对应缸内湍动能分布如图4所示。由图4可知，在上720°和730°时刻，ω型燃烧室对应湍动能范围和大小均小于DS型燃烧室对应湍动能，DS型燃烧室形状更有利于涡流数的增加，燃油传播速度更快，油气混合能力增强，有助于提高生物柴油的雾化效果，降低因粘度增加而产生的不利影响。

不同燃烧室在喷油提前角为720°和730°的缸内速度场分布切片如图5所示。从图5可以看出，在上止点，ω型燃烧室对应速度场分布范围仅局限于燃油喷射区域，燃油和空气分界线较为明显，而DS型燃烧室速度场向整个燃烧室范围扩展。随着曲轴的转动，喷油提前角为730°时，ω型燃烧室对应速度场扩展范围仍然较小，主要向燃烧室凹坑及气缸盖狭窄区域延伸；而DS型燃烧室能产生较强的分流和逆挤流效果[9]，速度场已延伸至整个燃烧室，从而改善燃油雾化和燃烧性能。

2.2 燃烧性能分析

不同燃烧室形状对缸内压力和放热率的影响如图6所示。从图6可以发现，DS燃烧室所对应的缸内整体压力和峰值大于ω型燃烧室，峰值放热率相较于ω型燃烧室有所降低，且点火时刻提前。在相同曲轴转角条件下，DS型燃烧室对应的湍动能和速度场远远大于ω型燃烧室，较大的油雾湍动能和速度场有助于打破因生物柴油粘度过大导致的吸附力的平衡，提高油气混合程度，减少滞燃期油气预混时间，使得着火时刻提前，滞燃期的缩短会减少着火前油气混合质量，延缓放热速度，降低放热率，有助于缸内燃烧过程的平稳进行。

2.3 动力性和经济性分析

不同燃烧室形状对平均指示压力和指示功率的影响如图7所示。其中：A代表原机；B代表ω型燃烧室；C代表DS型燃烧室。从图7可以看出，燃烧室形状对平均指示压力和指示功率影响趋势相同，DS型燃烧室对应平均指示压力比ω型燃烧室高8.33%，对应平均指示功率比ω型燃烧室增加7.37%。DS型燃烧室通过对油束的部分分流作用，促进湍动能的增加，提高油气预混合效果，有助于燃料的充分燃烧，提高平均指示压力，有助于发动机做功能力的增强，提高指示功率。不同燃烧室形状对指示燃油消耗率的影响如图8所示。随着燃烧室形状的改变，DS型燃烧室对应的燃油消耗率比ω型燃烧室降低2.01%，DS型燃烧室在提高发动机动力性的同时，降低了油耗，经济性能获得增强。

2.4 排放性能分析

2.4.1 NO排放

燃烧室形状对缸内NO质量分数影响曲线图如图9所示。喷油提前角为730°时，曲轴转角对应燃烧室切片图如图10所示。从图9可以看出，DS型燃烧室对应NO排放质量分数比ω型燃烧室高7.56%，虽然明显大于ω型燃烧室，但仅占原机NO排放的18.57%。DS型燃烧室加速了油气的充分混合，NO生成浓度过高区域明显减少，但质量分数仍然在增加，生成区域与ω型燃烧室相似，主要集中在油束附近，究其原因为：喷油提前角为730°时，喷油仍未结束，火焰尚未扩散到整个燃烧室，此时油束附近温度最高，生成NO浓度最大，高温导致DS型燃烧室温度更高，造成NO生成质量分数整体高于ω型燃烧室。

2.4.2 Soot排放

燃烧室形状对缸内Soot质量分数的影响如图11所示。DS型燃烧室对应的Soot生成峰值高于ω型燃烧室，但排放质量分数与ω型燃烧室相差不大。

从图12可以看出，与NO生成区域相似，Soot主要在油束附近前段生成，在此区域油雾混合最早，燃烧起始时刻比其他区域提前，温度普遍较高，同时氧气浓度最低，有助于Soot的生成。而DS型燃烧室由于湍动能较大，Soot生成区域平均氧浓度较大，Soot生成区域也比较宽泛，因此生成质量分数略低于ω型燃烧室。

2.4.3 CO排放

燃烧室形状对缸内CO质量分数的影响如图13所示。从图13可以看出，DS型燃烧室CO排放质量分数与ω型燃烧室相比几乎不变。

从图14可以看出，DS型燃烧室CO生成范围较ω型燃烧室更加广泛，但质量分数更低。DS型燃烧室CO生成区域主要集中在气缸盖下端、燃烧室底部及气缸套与气缸盖缝隙处，在燃烧初期由于DS型燃烧室速度场范围增加，在活塞边缘、气缸盖夹缝等温度较低，以及氧气浓度较低区域，有助于CO的生成；ω型燃烧室由于湍动能较小，整个燃烧室底部油雾较高，氧气浓度极低，CO浓度较大，因此DS型燃烧室有助于降低CO生成。

2.5 喷油提前角、喷孔直径优化

为保证研究的可靠性，本文在生物柴油掺混比40%、EGR率12.5%、DS型燃烧室，其他条件不变的条件下，分别设置喷油提前角(φ)为16.6°、18.6°、20.6°、22.6°，以及喷孔直径(D)为0.26、0.28、0.30、0.32 mm四组变量，以指示功率和NO排放为决策目标，进行优化分析。柴油机在额定工况下动力性及其排放性能参数仿真计算结果如表2所示。

表2 额定工况下不同喷油提前角及不同喷孔直径的计算结果

由表2可知，在喷孔直径不变的条件下，随着喷油提前角的增大，燃油着火时刻随即前移，在上止点前期间喷油量增加，缸内温度也逐渐增大，动力性和经济性明显提高，同时对应的NO排放也随之上升。这是因为喷油提前角增加，油气预混合充分，形成了更多高温富氧区域，同时富氧环境持续时间更长，放热率升高，缸内温度曲线上升，为NO生成提供了高温富氧环境，NO生成质量分数增加，但是喷油过早会引起燃烧粗暴，所以喷油时刻的选取不超过23°。在喷油提前角不变的条件下，随着喷孔直径的减小，指示功率和NO排放质量分数逐渐增加，喷孔直径的减小增加了燃油的扩散直径，油雾直径减小，有助于燃油的雾化、扩散和燃烧，因此动力性能获得提高，随着喷孔直径的减小，缸内温度和平均压力逐渐升高，油束锥角增大，温度上升，高温环境有助于NO的生成，NO生成质量分数增加。但在喷孔直径为0.26 mm时，指示功率增加趋势趋于平缓，为了维持喷油量的恒定，需要增加喷油压力，这样就会增加燃油系统的机械负荷，因此喷孔直径不宜设置过小。

综上可知，选取喷油前角20.6°，喷孔直径0.28 mm时，DS型燃烧室指示功率为51.3 kW，比ω型燃烧室升高5.78%，占原机指示功率的93.27%；NO排放质量分数比ω型燃烧室升高7.38%，占原机18.17%。

3 结论

本文构建了生物柴油-柴油双燃料高压循环仿真模型，在B40、EGR12.5%组合基础上，研究DS型燃烧室对双燃料燃烧、性能和排放的影响，并在双卷流模型基础上，通过调整喷油提前角和喷孔直径对DS型燃烧室进行优化匹配，结果如下。1)通过对ω型燃烧室进行双卷流改造，燃烧室内湍动能和速度场的范围和强度得到有效增强，有利于油气的混合，着火时刻提前，燃烧过程更加均匀，同时动力性和经济性得到有效提高，DS型燃烧室对应平均指示压力比ω型燃烧室升高8.33%，对应平均指示功率比ω型燃烧室增加7.37%，但温度的升高导致NO排放增加，Soot和CO排放略有降低，DS型燃烧室对应的燃油消耗率比ω型燃烧室降低2.01%。2)适当增加喷油提前角能有效改善生物柴油雾化，减少滞燃期油气质量，降低急燃期放热率，发动机的动力性和经济性获得提高，同时发动机NO排放明显升高。3)适当减小喷孔直径，燃油喷雾锥角增大，有助于改善燃油雾化，油雾分子直径减小，油气混合更加充分，燃烧更加充分，动力性和经济性得到提升，同时温度的升高提高了NO生成质量分数。