周文韬,张光德,朱冬涛,张彦杰
(武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北 武汉,430065)
反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition, RCCI)是内燃机低温燃烧模式的一种,可以有效降低氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的排放量[1]。RCCI 燃烧模式有两套供油系统:一套用于进气道喷射(port fuel injection, PFI) 低反应性燃料,如汽油、天然气、甲醇等;另一套用于缸内直喷(direct injection, DI)高反应性燃料,如柴油、二甲醚等。高反应性燃料被压缩着火后点燃进气道引入的低反应性燃料混合气。在不同负荷工况下,通过调整 PFI 与 DI 燃料的比例,就调节了实际参与缸内燃烧燃料的当量十六烷值[2],使缸内混合气形成活性分层,在一定程度上实现燃烧相位及速率的可控。本研究中采用高反应性燃料二甲醚引燃低反应性燃料天然气就属于RCCI燃烧模式。
分隔式燃烧室可以使压燃式天然气发动机的燃烧更加稳定[3]。燃烧从预燃室推进到主燃室,主燃室内的压力升高率和缸内温度更低;而且分隔式燃烧室可以产生更强的紊流[4],使双燃料混合更均匀,天然气燃烧速率得到提高。二甲醚可无烟燃烧且燃烧噪声较低,能实现最大比例的废气再循环,从而大幅降低氮氧化合物的排放[5],因此,在预燃室中用二甲醚引燃天然气可以提高发动机的热效率和排放性能。
对于在分隔式燃烧室内进行双燃料RCCI燃烧已有不少研究报道。Yousefi等[6-8]对比研究了带预燃室和不带预燃室发动机的燃烧和排放,以及天然气与氢、柴油、甲醇在分隔式燃烧室中的RCCI燃烧,结果表明带预燃室的发动机热效率更高,但双燃料模式下,未燃HC排放量更高。Salahi等[9]进行了天然气和柴油在分隔式燃烧室中RCCI燃烧的研究,发现这种燃烧策略可以有效拓展发动机的工作范围,提高天然气对柴油的替代比例,但在低负荷工况下燃料燃烧不完全。Kakoee等[1,10]将氢分别加入到柴油-天然气和二甲醚-天然气中,在分隔式燃烧室内进行RCCI燃烧对比,结果显示加氢会使燃烧相位提前,CO和未燃HC的排放降低,缸内温度和压力也有所提高;与柴油-天然气双燃料相比,在二甲醚-天然气燃料组合中,由于二甲醚在燃烧开始前被分解成CH4、H2和CO2,分解产物会降低混合物的十六烷值及热值,造成燃烧质量降低,CO和未燃HC排放增加,发动机输出功率降低。
RCCI燃烧模式面临的一个主要问题是:在低负荷工况下,缸内混合气浓度较低,燃烧不充分,发动机热效率降低甚至会出现失火的状况,未燃HC和CO的排放量升高。这时,增加高反应性燃料的比例会提高着火稳定性,改善燃烧和排放状况。另外,初始条件及喷油策略均会对二甲醚的分解速率造成影响,进而改变天然气-二甲醚混合燃料的十六烷值。为此,本文利用化学动力学模型及发动机仿真软件,主要研究低负荷工况下当量比、二甲醚喷射比例和发动机转速对天然气和二甲醚在分隔式燃烧室中RCCI燃烧和排放性能的影响,以期为天然气-二甲醚发动机的实用化提供参考。
用于研究的发动机为单缸Ricardo E6/MS 配备了 MK.V预燃室[10],发动机具体参数如表1所示。选用的仿真软件是由美国Convergent Science Inc.(CSI)公司开发的CONVERGE。仿真过程是从进气门关闭时刻到排气门开启时刻。CONVERGE具有自适应加密功能,在模型的喷油嘴、预燃室、主副燃烧室通道、活塞部位都进行了网格加密。为了提高计算效率,将气缸沿对称轴简化为1/2模型,如图1所示。采用的天然气-二甲醚双燃料的化学反应机理包含58种组分和293个基元反应[11]。
模拟计算采用的数据与文献[10]中的实验数据一致,天然气和二甲醚在分隔式燃烧室中的RCCI燃烧模式也与该实验相同,即天然气喷射后从进气道进入主燃烧室内,二甲醚在压缩行程后期通过喷油嘴直接喷入副燃烧室,被压燃后通过主、副燃烧室通道引燃主燃烧室内的天然气。实验的基本工况及边界条件如表2[10]所示,本文模型验证所设定的工况和边界条件与此相同。当量比φ和二甲醚喷射比例rDME[12]定义为:
(1)
(2)
式(1)~式(2)中:mNG、mDME、mair分别为天然气、二甲醚和空气的质量;AFRNG和AFRDME分别为天然气和二甲醚的理论空燃比;LHVNG和LHVDME分别为天然气和二甲醚的低热值。rDME表示了二甲醚的热值占双燃料总热值的比例。
表2 实验工况及边界条件
将实验结果与模拟计算结果进行对比,如图2所示。由图可见,计算结果中的缸压和放热率曲线峰值及相位与实验结果基本相同,曲线形状也较为接近。但由于采用的是简化模型,所以计算结果还是存在一定的误差。放热率计算曲线在-20°CA ATDC附近有一个小的波峰,这是由于二甲醚低温放热导致的,因为其放出的热量过少,所以本文主要研究放热率曲线主峰阶段的燃烧。总体来说,数值计算模型对发动机运行工况的模拟是满足要求的。
图2 模拟和实验结果的缸压、放热率对比
当量比的改变可以影响混合气的燃烧始点和燃烧过程,合适的当量比可以提升发动机的工作性能。在低负荷工况下,基于表2中的参数设置,调节二甲醚和天然气双燃料的总当量比为0.25~0.5,模拟得到天然气-二甲醚在分隔式燃烧室中RCCI燃烧时的缸压和放热率曲线,分别如图3~图5所示。
从图3可以看出,当量比越大,缸压峰值就越高,峰值相位也越提前。结合图4放热率曲线来看,当量比为0.25时,明显表现出失火现象;φ=0.28大约为稀燃极限。随着当量比的增大,放热率曲线峰值在升高,燃烧相位不断提前,燃烧持续期也在缩短,这是因为当量比越大,混合气越浓,二甲醚的点火能量也越高,甲烷燃烧得越充分。图5中当量比为0.4~0.5时,放热率主峰已从单峰变为双峰,呈现出两阶段放热现象。第一个主峰是因为二甲醚迅速自燃并引燃部分甲烷,第二个波峰是甲烷扩散燃烧导致的。当量比为0.5时,放热率曲线主峰过后还出现了补燃现象,这是因为缸内温度较高,且甲烷在主燃阶段没有完全燃烧。
图3 不同当量比下的缸压曲线
图4 当量比为0.25~0.35时的放热率曲线
图5 当量比为0.40~0.50时的放热率曲线
图6所示为当量比对发动机指示热效率、燃烧效率和指示平均有效压力(IMEP)的影响,可以看出,这几个指标总体上都表现出随当量比增大而升高的趋势。在当量比从0.3增至0.4的过程中,指示热效率提升了8个百分点,IMEP升高更加明显。在当量比为0.3及以下时,混合气过于稀薄,二甲醚只能引燃部分甲烷,且缸内燃烧温度低,部分甲烷没有参与燃烧。当量比大于0.35时,热效率的增速趋缓,在当量比为0.45时达到最高值。当量比为0.5时,热效率反而略降,这是因为混合气浓度较高,二甲醚自燃更早,整个燃烧相位过于提前。
图6 当量比对指示热效率、燃烧效率和IMEP的影响
当量比对发动机污染物排放的影响如图7和图8所示。由图7可见,NOx排放量随着当量比的升高而增多。当量比为0.28~0.3时,混合燃料气体较稀薄,燃烧温度较低,所以NOx排放量较低。当量比为0.5时,NOx排放量急剧增加,这是由于燃烧相位过于提前,二甲醚与天然气还没有充分混合,部分区域内燃烧温度较高,所以NOx生成量多。碳烟(soot)排放量随着当量比的增大而降低,因为当量比增大时,混合气浓度虽然更高,但氧气充足,燃料燃烧更充分。当量比为0.45左右时,NOx和soot的排放量都处于较低水平。由图8可见,HC和CO排放量都随当量比的增大而降低。当量比较小时,HC排放量高是因为缸内燃烧温度低,并且甲烷由于层流燃烧速度较低而没有充分燃烧。CO排放量降低是因为随着当量比的增大,反应温度升高,燃烧速率加快,CO与氧气反应更完全。
图7 当量比对NOx和碳烟排放的影响
图8 当量比对HC和CO排放的影响
为了研究低负荷工况下二甲醚喷射比例对天然气在预燃室中RCCI燃烧和排放的影响,基于表2中的参数设置,将二甲醚和天然气双燃料的总当量比设为0.45,二甲醚喷射比例为10%~30%,每次模拟计算中二甲醚和天然气双燃料的总热值都保持相同。不同二甲醚喷射比例下的缸压曲线和放热率曲线分别见图9和图10。二甲醚喷射比例对发动机指示热效率、燃烧效率和IMEP的影响如图11所示。
由图9可见,二甲醚喷射比例增加使得缸压峰值相位提前;二甲醚喷射比例为15%~30%时,缸压峰值很接近。由图10可见,二甲醚喷射比例为10%时出现失火的情况,这是因为二甲醚喷射比例过低导致点火能量过低,未能引燃甲烷;放热率峰值相位随着二甲醚喷射比例的增加而提前,放热率峰值也随之升高;在二甲醚喷射比例增加的过程中,放热率曲线表现出越来越明显的两阶段放热现象,这主要是由于二甲醚过早被压燃,燃烧相位提前,二甲醚和甲烷还没有充分混合。由图11可见,随着二甲醚喷射比例的增加,燃烧效率略有提高,但燃烧相位过于提前导致IMEP和指示热效率下降;在二甲醚喷射比例为15%时,发动机的动力性和经济性最好;二甲醚喷射比例从15%升至30%,指示热效率下降了5个百分点。
图9 不同二甲醚喷射比例下的缸压曲线
图10 不同二甲醚喷射比例下的放热率曲线
图11 二甲醚喷射比例对指示热效率、燃烧效率和IMEP的影响
二甲醚喷射比例对发动机排放的影响如图12和图13所示。由图12可见,随二甲醚喷射比例的增加,NOx排放量在增多, soot排放量则总体上呈现下降趋势。二甲醚极易压燃,其含量越多就越容易早燃,导致二甲醚较浓的区域高温放热,NOx排放增多。soot排放量随二甲醚喷射比例升高而下降是因为天然气所占比例降低,而二甲醚含量增加,引燃了更多的天然气,这时HC的排放量也因此减少(见图13)。从图13还可以看出,CO排放量随二甲醚喷射比例的升高表现为先增加后减少。二甲醚喷射比例为20%时,CO排放量增多是由于第二阶段放热、甲烷扩散燃烧所造成的。随着二甲醚喷射比例的进一步增加,缸内燃烧温度更高,燃烧速率更快,所以CO的排放量又有所下降。结合图12来看,二甲醚喷射比例为15%时,NOx的排放量最低,但是HC的排放量最高。
图12 二甲醚喷射比例对NOx和碳烟排放的影响
图13 二甲醚喷射比例对HC和CO排放的影响
在发动机实际运行中,可能会出现低速高负荷以及高速低负荷的情形,因此有必要研究转速对低负荷工况下天然气-二甲醚在预燃式发动机中RCCI燃烧和排放的影响。在当量比为0.45、二甲醚喷射比例为20%、其余初始条件保持不变的情况下,选取发动机转速为800、1000、1200、1400、1600 r/min进行对比研究。不同转速下的缸压曲线和放热率曲线分别如图14和图15所示,转速对发动机热效率、燃烧效率和IMEP的影响如图16所示。
从图14和图15可以看出:随着转速的增加,缸压峰值不断降低,峰值相位也在推迟;在转速为1600 r/min时出现了失火现象,放热率曲线峰值也基本为零;从放热率曲线的变化来看,燃烧相位随转速增加在不断滞后,转速为1000 r/min时放热率峰值最高,转速为1400 r/min时,燃烧相位过于滞后,所以此时的缸压曲线出现了双峰。
图14 不同发动机转速下的缸压曲线
图15 不同发动机转速下的放热率曲线
图16 转速对指示热效率、燃烧效率和IMEP的影响
在图16中,转速为1000 r/min时的IMEP和指示热效率最低;转速为800 r/min时,燃烧效率较高,燃料燃烧更充分,所以热效率和IMEP最高;转速为1200 r/min和1400 r/min时,虽然燃烧效率降低,但燃烧相位在上止点之后,所以做的负功更少。
转速对发动机排放的影响如图17和图18所示。由图17可见,随着转速增加,NOx排放量出现下降趋势,这是因为燃料燃烧不充分、燃烧温度降低而造成的,也因此导致soot的排放呈上升趋势。由图18可见,HC的排放量随转速的升高而增加,这也是由于燃烧效率的下降而导致的。CO排放量在1000 r/min时最低,是因为转速提高增加了缸内初始湍动能,促进了燃料的混合,缸内的氧气分布也更均匀,所以减少了CO的排放。转速进一步升高后,因为燃烧持续期短,燃烧不充分,缸内温度降低,CO没有充分氧化,所以其排放量又增加了。
图17 转速对NOx和碳烟排放的影响
图18 转速对HC和CO排放的影响
(1)当量比增加会使天然气-二甲醚燃烧相位提前,放热率峰值升高,燃烧持续期缩短。当量比为0.28时接近稀燃极限。当量比为0.28~0.35时,放热率曲线为单峰;当量比为0.40~0.50时,放热率曲线呈现为双峰。
(2)在低负荷工况下,发动机的指示热效率和IMEP都随着当量比的增大而提高。当量比在0.45附近时,指示热效率最高,且NOx、soot、HC和CO这4种污染物的排放量都处于较低水平。
(3)二甲醚喷射比例的增加会使着火点和燃烧相位提前,两阶段放热的趋势越来越明显。指示热效率和IMEP都随着二甲醚喷射比例的降低而增加,但二甲醚喷射比例过低时,又会因点火能量过低而出现失火现象。在二甲醚喷射比例为15%左右时,发动机的动力性和经济性最好,且NOx排放量最低,但HC的排放量增多。
(4)转速升高会推迟天然气-二甲醚燃烧相位,并且降低燃烧效率,转速为1600 r/min时出现失火现象。总体来看,转速在800 r/min附近时,发动机的动力性、经济性和排放性相对更好,所以低负荷工况下天然气-二甲醚预燃式RCCI发动机不宜向中高转速拓展。