基于一維/三維模型耦合的富氧燃燒天然氣發動機數值模擬

姜偉， 張玉銀， 李世琰， 張勇， 張偉

(1. 上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240； 2. 上海空間電源研究所， 上海 200245)

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·性能研究·

基于一維/三維模型耦合的富氧燃燒天然氣發動機數值模擬

姜偉1， 張玉銀1， 李世琰1， 張勇1， 張偉2

(1. 上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240； 2. 上海空間電源研究所， 上海 200245)

以某1.0 L3缸汽油機為基礎，利用GT-Power與Converge建立了天然氣發動機耦合仿真模型,并利用原機試驗數據對模型進行了驗證，研究了進氣富氧與EGR對天然氣發動機性能的影響特性，對利用進氣富氧與EGR改善天然氣發動機的性能進行了探討。結果表明，隨進氣氧氣體積分數提高，天然氣發動機平均有效壓力顯著提高，最大可提高22.8%(氧體積分數為28%時)；同時缸內溫度和NOx排放升高，排氣與傳熱的能量損失增加，燃氣消耗率略有升高。加入EGR可以降低富氧燃燒下天然氣發動機燃氣消耗率，隨著EGR率增加，燃氣消耗率主要呈先減小后增加趨勢；且隨進氣氧濃度提高，各濃度下最低燃氣消耗率對應的EGR率逐漸提高；NOx排放隨EGR率增加而逐漸降低，在進氣氧體積分數為23%，25%，27%，29%時，EGR率分別為10%，15%，20%，25%即可將NOx排放降到原機水平；利用進氣富氧與EGR可以有效地改善天然氣發動機動力不足與NOx排放高的狀況。

天然氣發動機； 富氧燃燒； 廢氣再循環； 數值模擬

天然氣作為傳統發動機的替代燃料有著許多優點：資源豐富，價格低廉，燃燒產生的有害排放低，二氧化碳排放低，辛烷值高等。但天然氣發動機同樣存在不足，相比于汽油機，天然氣發動機由于容積效率低、缸內火焰速度慢等因素，其動力輸出相比同條件下汽油機明顯降低[1]，而且具有較嚴重的NOx排放問題[2]。因此，如何改善天然氣發動機性能成為一個研究熱點。

發動機進氣富氧燃燒對于發動機減排、提高功率密度、改善缸內燃燒質量等具有很大潛力，相關研究吸引了許多研究者的關注。Poola 等對柴油機富氧燃燒做了許多研究，發現富氧燃燒可以明顯降低炭煙生成、減少HC和CO排放、提高發動機功率密度、縮短滯燃期，但會使NOx排放增加[3-4]。Caton對火花點火式發動機進行了富氧燃燒熱力循環仿真，發現進氣氧濃度增加時相應地提高循環供油量可以增加發動機的輸出功率[5]。Zhou等對小型強化汽油機進行富氧燃燒試驗與仿真研究，發現低負荷下富氧可降低油耗率，提高燃油經濟性[6]。張韋等研究了進氣富氧與EGR對直噴柴油機NO和炭煙排放的影響，發現合適的EGR和富氧比例可以實現低于原機的NO和炭煙排放，同時兼顧功率和油耗[7]。總體而言，進氣富氧燃燒對發動機性能改善效果明顯，但是已有的研究主要是針對柴油機和汽油機，對天然氣發動機應用富氧燃燒的研究相對較少，特別是缺少進氣富氧燃燒對改善天然氣發動機動力性的潛力和對油耗、排放影響的認識。

EGR對改善發動機油耗與降低NOx排放有著積極作用。Cheolwoong等通過對天然氣-氫氣混合燃料發動機的研究發現，引入CO2增加了缸內混合氣的比熱容，燃燒溫度降低，從而使NOx排放降低，但HC排放增加[8]。Li等通過試驗研究了EGR對渦輪增壓天然氣發動機燃燒和NOx排放性能的影響情況，結果表明EGR有助于熱效率的改善、NOx排放的降低[2]。Hu等對天然氣-氫混合燃料發動機的研究同樣表明，EGR可顯著降低發動機NOx排放，小比率EGR可以提高發動機熱效率[9]。從相關研究可以發現，EGR技術可以廣泛地應用于增壓、摻氫等條件下的天然氣發動機，用以改善天然氣發動機的NOx排放和熱效率。同樣，EGR也具有改善富氧燃燒條件下天然氣發動機性能的潛力，但改善效果尚待研究。

針對天然氣發動機所具有的動力不足和NOx排放問題，且考慮到發動機進氣富氧燃燒與EGR的潛力，本研究通過采用一維仿真軟件GT-Power與三維CFD軟件Converge耦合仿真的方法，建立天然氣發動機仿真模型，研究進氣富氧與EGR對天然氣發動機性能的影響規律，探討利用進氣富氧與EGR改善天然氣發動機性能的潛力，為天然氣發動機應用富氧燃燒與EGR技術提供科學依據。

1 模型建立與驗證

1.1 一維/三維仿真模型建立

考慮到小排量3缸發動機具有體積小、質量輕、燃油經濟性好、尾氣排放低等特點，本研究以1.0 L小型3缸PFI自然吸氣汽油機為基礎，利用一維仿真軟件GT-Power與三維CFD軟件Converge建立發動機一維、三維耦合仿真模型，發動機基本參數見表1。

表1 發動機基本技術參數

一維GT-Power采用有限容積法計算各控制方程，對于發動機進排氣過程有計算速度快、標定后計算準確等優點，但是對于缸內燃燒過程的計算主要采用零維或準維燃燒模型，預測性較差。而缸內三維CFD計算可以更加準確地模擬缸內流動與燃燒反應過程，具有更好的預測性，但對整機工作過程的模擬計算耗費時間，不利于工程應用。本研究通過一維、三維模型耦合計算，利用一維模型計算出進排氣的流動信息(壓力、質量流量、物質種類等)，用作三維模型的進排氣流動邊界，進行缸內三維CFD計算，這樣可以實現更加高效準確的仿真模擬。

原機的一維GT-Power仿真模型采用準維預測型SITurb燃燒模型，通過在燃燒模型中導入實際發動機燃燒室的三維掃描模型以增加模型預測的準確性；此外，采用WoschniGT熱傳導模型計算發動機缸內傳熱，采用Chen-Flynn摩擦模型計算機械損失。

缸內三維CFD仿真模型根據實體掃描模型由Converge軟件建立，主要包括進氣道、氣缸、排氣道3個部分(見圖1)。Converge三維CFD仿真具有較好的預測性，根據Wang[10]和Yang[11]的研究，通過在模型中采用合理的反應機理和充足的網格分辨率，即可保證模擬缸壓與試驗數據很好地匹配，使模型具有充足的準確性和預測性。本研究的三維仿真模型利用基于Chemkin基元反應的SAGE詳細化學反應機理計算缸內燃燒，并利用AMR(溫度與速度場網格自適應加密)細化計算網格，相比于傳統的經驗燃燒模型，該方法可以更真實地模擬缸內燃燒過程，獲得準確的計算結果。此外，湍流模型采用RNGκ-ε模型，模型基本網格尺寸為4 mm，最小網格為0.125 mm；三維模型的進排氣邊界采用GT-SUITE邊界類型，用于與一維GT-Power進行耦合計算，模型燃料使用甲烷(CH4)。

1.2 原機一維仿真模型驗證

利用原汽油機的臺架試驗數據對建立的一維仿真模型進行了基本驗證，以保證一維進排氣流動過程計算的準確性，為三維模型提供可靠的流動邊界數據。通過調整原汽油機模型的進排氣管路摩擦、流量系數和燃燒與熱傳導模型等參數，可使仿真計算缸壓與試驗數據相匹配。圖2示出1 400 r/min，歧管絕對壓力為40 kPa時缸內壓力的仿真與試驗結果對比，圖3示出原機外特性扭矩的仿真與試驗結果對比，結果表明，仿真與試驗數據較為一致。因此，該模型可用于進一步的耦合仿真計算工作。

2 結果分析

2.1 進氣富氧對天然氣發動機性能的影響

模擬工況為2 000 r/min、全負荷工況，模擬的進氣富氧比例從21%至29%(空氣中氧氣的體積分數)；在不同的富氧進氣下，始終保持當量比為1；點火角調整為最大扭矩點火角。通過耦合仿真獲得富氧燃燒下天然氣發動機各主要性能的變化規律。

圖4示出不同進氣氧氣體積分數下，天然氣發動機平均有效壓力的變化情況。由圖可知，隨進氣富氧比例的增加，發動機的平均有效壓力逐漸增大，當進氣氧體積分數為28%時，平均有效壓力達0.915 MPa，比原機提高22.8%。這主要是因為，隨著進氣氧氣濃度增加，實際進入發動機的氧氣量增加，保證當量比為1，實際進入缸內的燃料量也相應增加，如圖4所示單缸的循環燃料量隨氧濃度增加而逐漸增大。

圖5示出不同進氣氧氣體積分數下，天然氣發動機缸內NOx濃度與最高溫度的變化情況。由圖可知，隨著發動機進氣氧濃度的提高，發動機缸內NOx濃度與缸內最高溫度都逐漸增加；當氧體積分數小于24%時，NOx排放迅速增加，當氧體積分數大于24%時，NOx濃度增長趨勢減緩。缸內富氧燃燒下，缸內溫度提高，促進了熱力型NOx的生成。

圖6示出燃氣消耗率隨進氣氧氣體積分數變化關系。結果表明，隨著氧濃度的提高，燃氣消耗率會略微提高，當進氣氧氣體積分數為28%時，有效的燃氣消耗率比原機提高了約5%。圖7示出不同進氣氧濃度下燃料能量的分布情況。從圖中可知，進氣氧濃度提高在提高發動機有效功率輸出的同時，會使排氣的熱量損失和缸內傳熱能量損失增加，整體效果是排氣與傳熱造成的能量損失占總能量的比例逐漸增大，在進氣氧體積分數為28%時，排氣與傳熱能量損失占比66.6%，比原機64.3%提高了3.57%。排氣和傳熱損失促使燃氣消耗略有提高。

2.2 EGR對富氧燃燒天然氣發動機性能的影響

單獨提高進氣氧濃度會有不同程度的NOx排放提高與油耗增加的現象，因此本研究通過模擬引入EGR來減少NOx排放，同時提高熱效率。采用不同的進氣EGR率(0%，10%，20%，30%)，研究EGR對富氧條件下天然氣發動機性能的影響規律。EGR率定義為進氣歧管中EGR氣體占總進氣的質量分數，計算公式如下：

圖8示出不同進氣氧氣體積分數下，EGR對發動機燃氣消耗率的影響。由圖可知，原機在EGR率為10%時具有最小的燃氣消耗率，經濟性得到改善；在氧體積分數小于25%時，燃氣消耗率隨EGR率增加呈先降低后增大的趨勢；在氧體積分數為27%時，燃氣消耗率隨著EGR率增加而逐漸降低，EGR率為30%時燃氣消耗率降低3.1%；在氧體積分數為29%時，燃氣消耗率隨EGR率增加先略有增加后快速降低。進氣氧體積分數為21%，23%，25%，27%時，獲得最低燃氣消耗率的EGR率分別為10%，10%，20%，30%，可見隨著進氣氧濃度提高，發動機的廢氣容忍度有所提高。適量引入EGR有助于降低由富氧燃燒所引起的較高缸內燃燒溫度，從而可以減少傳熱與排氣熱損失，提高富氧燃燒下天然氣發動機的熱效率。

圖9示出不同進氣氧濃度下，EGR率對NOx濃度的影響。從圖中可知，隨著EGR率增大，NOx濃度逐漸降低，尤其是在富氧燃燒條件下，引入EGR對NOx降低效果更明顯。在進氣氧體積分數為23%，25%，27%，29%時，EGR率分別為10%，15%，20%，25%即可將各富氧條件下的NOx排放降到原機水平。引入適量的EGR能夠降低缸內溫度，從而減少NOx生成。

2.3 綜合評價

圖10以等高線圖的形式示出了天然氣發動機燃氣消耗率、平均有效壓力、NOx排放等隨進氣氧濃度與EGR率的變化情況。結果表明，較高的進氣氧濃度、低EGR率(或無EGR)下動力性顯著提高，最高可提高約20%，有助于天然氣發動機動力性能的恢復，如區域B(圖11b中Zone B)所示；約10%EGR率和較小進氣氧濃度(或者不富氧)情況下，天然氣發動機的燃氣消耗率和NOx排放低于原機水平，如區域A(圖11a,圖11c中Zone A)所示。對于整車不同的運行工況，進氣富氧和EGR的組合可以靈活滿足相應的需求：在瞬態短時加速情況下，使天然氣發動機運行在Zone B區域，有利于迅速獲得強勁的動力輸出；在穩態勻速運行情況下，使天然氣發動機運行在Zone A區域，可使發動機的經濟性和NOx排放特性表現更佳。

3 結論

本研究利用一維/三維模型耦合仿真探討了進氣富氧與EGR對天然氣發動機性能的影響特性，得到了該發動機典型工況(2 000 r/min，節氣門全開)下的性能變化規律：

a) 天然氣發動機平均有效壓力隨進氣中氧氣體積分數的增加而顯著提高，最大可提高22.8%(氧體積分數為28%時)；隨進氣富氧量增加，發動機缸內溫度和NOx排放升高，燃氣消耗率略有升高；

b) 加入EGR可以降低富氧燃燒下天然氣發動機燃氣消耗率，且隨著EGR率增加，燃氣消耗率主要呈先減小后增加趨勢；NOx排放隨EGR率增加而逐漸降低；

c) 進氣富氧與EGR匹配可以靈活改善天然氣發動機性能，對于功率需求大的瞬態加速工況，可以通過提高進氣富氧量迅速提高天然氣發動機的動力輸出；在穩態運行工況下，采用EGR可以顯著降低富氧燃燒下天然氣發動機的NOx排放，且提高發動機的燃油經濟性。

[1] 楊靖，馬慧超，王毅，等.某高速汽油機改LNG發動機動力性下降問題研究[J].車用發動機，2015(2)：33-39.

[2] Li W,Liu Z,Wang Z,et al.Experimental investigation of the thermal and diluent effects of EGR components on combustion and NOxemissions of a turbocharged natural gas SI engine[J].Energy Conversion and Management,2014,88:1041-1050.

[3] Assanis D,Poola R,Sekar R,et al.Study of Using Oxygen-Enriched Combustion Air for Locomotive Diesel Engines[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2001,123:157-166.

[4] Poola R,Sekar R.Reduction of NOxand Particulate Emissions by Using Oxygen-Enriched Combustion Air in a Locomotive Diesel Engine[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2003,125:524-533.

[5] Caton J.The effects of oxygen enrichment of combustion air for spark-ignition engines using a thermodynamic cycle simulation[C]//ASME 2005 Internal Combustion Engine Division Spring Technical Conference.[S.l.]：ASME，2005：135-147.

[6] Zhou J,Richard S,Foucher F,et al.Effects of Controlling Oxygen Concentration on the Performance, Emission and Combustion Characteristics in a Downsized SI Engine[C].SAE Paper 2013-24-0056.

[7] 張韋，舒歌群，沈穎剛，等.EGR與進氣富氧對直噴柴油機NO和碳煙排放的影響[J].內燃機學報，2012,30(1):16-21.

[8] Cheolwoong P,Sangyeon W,Changgi K,et al.Effect of mixing CO2with natural gas-hydrogen blends on combustion in heavy-duty spark ignition engine[J]. Fuel,2012,102:299-304.

[9] Hu E,Huang Z,Liu B,et al.Experimental investigation on performance and emissions of a spark-ignition engine fuelled with natural gas-hydrogen blends combined with EGR[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2009,34:528-539.

[10] Wang Z,Scarcelli R,Som S,et al.Multi-Dimensional Modeling and Validation of Combustion in a High-Efficiency Dual-Fuel Light-Duty Engine[C].SAE Paper 2013-01-1091.

[11] Yang S.A Preliminary Research on Turbulent Flame Propagation Combustion Modeling Using a Direct Chemical Kinetics Model[C].SAE Paper 2013-24-0023.

[編輯： 潘麗麗]

Numerical Simulation of Oxygen-rich CNG Engine Based on 1D/3D Coupled Model

JIANG Wei1, ZHANG Yuyin1, LI Shiyan1, ZHANG Yong1, ZHANG Wei2

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Institute of Space Power Sources, Shanghai 200245, China)

The coupled simulation model of CNG engine was built with GT-Power and Converge software based on a 1.0 L gasoline engine and was calibrated with test data of original engine. Then the influences of oxygen-rich intake and EGR on CNG engine performance were researched and the performance improvements thereof were discussed. The results show that BMEP for CNG engine increases obviously with the increase of oxygen volume fraction and increases by 22.8% at most in 28% oxygen content. Moreover, the in-cylinder temperature, NOxemission, the energy loss of exhaust and heat transfer all increase and BSFC slightly increases. The specific CNG consumption under the conditions of rich oxygen decreases by introducing EGR and shows the trend of first decrease and following increase with the increase of EGR rate. The corresponding EGR rate of the lowest CNG consumption increases gradually with the increase of oxygen content. NOxemission increases with the increase of EGR rate and can reach the emission level of original engine when the EGR rate is 10%, 15%, 20% and 25% respectively in oxygen volume fraction of 23%, 25%, 27% and 29%. Accordingly, the oxygen-rich intake and EGR can improve the power and NOxemission of CNG engine effectively.

CNG engine; oxygen-rich combustion; EGR; numerical simulation

2015-08-27；

2015-10-26

上海航天技術研究院-上海交大航天先進技術聯合研究中心資助項目(USCAST2013-32)

姜偉(1990—)，男，碩士，主要研究方向為發動機數值模擬；jiangwei_sjtu@163.com。

張玉銀(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向為噴霧燃燒，發動機燃燒過程等；yuyinzhang@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.008

TK421.5

B

1001-2222(2015)06-0039-05