過量空氣系數對柴油引燃高壓直噴式天然氣發動機的影響

黃英杰，王 謙，芮 璐，康佳明

（江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引 言

化石能源危機和環境問題的日益加劇，使得研發清潔高效的發動機成為目前內燃機研發的熱點。天然氣作為世界上繼煤和石油之后的第三大天然能源，擁有儲量豐富、價格低廉等特點，且排放污染物較少，被認為是最具有潛力的替代能源。于是，天然氣發動機越來越受到關注[1]。

為了減少天然氣發動機的排放，目前稀薄燃燒技術成為天然氣發動機的研究重點。許多學者對此進行了大量研究，發現在稀燃條件下，在一定范圍內增加過量空氣系數，燃燒溫度更低，可以有效改善發動機的經濟性和排放性[2]。上述單燃料天然氣發動機多采用進氣道噴射的方式，無疑會導致發動機充量系數和發動機功率下降，存在著很大的提升空間。而缸內直噴天然氣由于不占據進氣體積且能良好地控制空燃比，動力性能好，成為當前的研究熱點。對此，國內外學者也做了一些研究。研究發現，對于缸內直噴式天然氣發動機進行稀薄燃燒，可以有效控制火焰傳播速度，提高燃燒穩定性，進而抑制NOx的生成[3]。

上述天然氣發動機點火方式多為火花塞點火，燃燒方式主要是預混燃燒。過量空氣系數被限制在1.5以內，否則會有爆震和失火的現象發生?；鸹ㄈc火性能由附近混合氣的比例決定[4]，點燃可靠性差。柴油引燃天然氣發動機，引燃可靠性高，燃燒方式以擴散燃燒為主，過量空氣系數可以到2甚至更大，但是相關研究略顯不足。所以，本文針對一臺廢氣渦輪增壓柴油引燃缸內直噴天然氣發動機，以轉速和過量空氣系數為變量，探究稀薄燃燒對發動機燃燒和排放的影響。

1 發動機相關參數

本文基于1臺Cummins ISX天然氣發動機建立了同軸噴射柴油引燃天然氣的模型。發動機具體參數如表1所示。為了節約模擬計算資源，同時柴油和天然氣噴嘴均為中心對稱設計，所以選擇計算區域為1/8的燃燒室，模擬發動機的壓縮做工過程。繪制如圖1所示的燃燒室幾何模型。采用的噴嘴模型為西港公司研發的天然氣/柴油同軸噴射器，實物模型如圖2所示。天然氣和柴油噴射參數如表2所示。

2 計算模型與驗證

2.1 計算模型

在進行模擬計算前，先對網格無關性進行驗證，確定基礎網格尺寸為2 mm。根據溫度場和速度場進行3級自適應加密，對柴油噴霧和天然氣射流區域進行3級加密，最小網格尺寸為0.25 mm。當活塞運動至上止點時，活塞網格數約為18萬。缸內初始溫度為303 K，缸內初始剪切動能為1 m2/s2。缸內初始氣體為空氣，不考慮廢氣的影響，氣缸壁和氣缸頭靜止，初始溫度分別為433 K和523 K。圖3是下止點時燃燒室的網格模型。

表1 發動機基本參數

圖1 燃燒室模型

圖2 同軸噴射器示意圖

表2 燃料系統噴射參數

圖3 網格模型

數值模擬計算采用CONVERGE軟件，其中湍流模型采用普遍適用于發動機的RNG k-模型。由于柴油噴射速度較大，噴霧油滴在噴霧錐空間上的分布采用Distribute parcels evenly throughout cone模型。O'Rourke model模型描述湍流對柴油液滴運動的影響。油滴蒸發模型采用Frossling模型。油滴破碎模型采用了KH-RT模型，歸因于柴油噴射壓力較高，噴射速度較大，油滴受氣動力，發生破碎的可能性較大。柴油在上止點前附近噴射，存在撞壁的可能，故采用Wall fi lm撞壁模型。燃燒模型采用SAGE模型，化學反應機理為正庚烷與甲烷的反應機理。排放模型中，NOx生成化學機理選用Extended Zeldovich模型，soot生成氧化模型選用Hiroyasu soot模型[5]。

發動機中過量空氣系數的公式計算如下：

式中，mair、mdiesel和mCNG分別為空氣流量、柴油質量和天然氣質量；Ldiesel和LCNG分別為柴油和天然氣的理論空燃比，其值分別為14.3和16.8。

根據引燃柴油量和天然氣噴射量，天然氣主要成分是甲烷，其燃燒化學反應式為2H2O。

計算所需要的氧氣質量，根據氧氣占空氣中的比例算出空氣質量，再根據理想氣體方程：

在進氣溫度不變的情況下，計算進氣所需壓力。在哥倫比亞大學柴油引燃高壓直噴天然氣發動機的試驗研究中，采用過量空氣系數為2和3.3的工況。本文綜合考慮環境壓力和渦輪增壓極限的情況，選取參數具體如表3所示。在原發動機最常使用1 200 r/m轉速下，模擬直噴式天然氣發動機燃燒過程。根據哥倫比亞大學柴油引燃高壓直噴天然氣發動機參數，天然氣的噴射壓力設定為19 MPa，柴油的噴射壓力為21 MPa，噴射參數之間的相互關系如圖4所示。

表3 模擬參數

圖4 噴射參數關系示意圖

2.2 模型驗證

為了驗證燃燒模型計算的有效性，對燃燒模型進行驗證。將加拿大哥倫比亞大學柴油引燃天然氣發動機實驗與本文模擬結果進行對比，此時工況為1 200 r/m、過量空氣系數為2。由圖5（a）試驗與模擬得到的缸內平均壓力曲線的對比可以看出，模擬結果與試驗結果吻合較好。由圖5（b）放熱率的比較看出，仿真曲線略高于試驗曲線，誤差在10%內。因此，可以基于該計算模型進一步開展研究。

圖5 模擬結果和試驗數據的對比

3 模擬結果與分析

為了研究不同過量空氣系數對燃燒和排放的影響，在1 200 r/m的轉速下，從缸內平均壓力、缸內平均溫度、放熱率以及排放污染物幾方面展開研究。從圖6可以看出，缸內平均壓力曲線存在兩個峰值，一個是壓縮產生的峰值，一個天然氣燃燒產生的峰值。隨著過量空氣系數的增加，缸內平均壓力的峰值逐漸增加，壓力升高率逐漸下降。當過量空氣系數從1.5增加到3.5時，缸內平均壓力峰值達到約17 MPa。因為過量空氣系數較大，缸內初始壓力較大，同時導致了壓縮和燃燒峰值的差異。從缸內平均溫度圖可以看出，缸內平均溫度有兩次明顯的上升過程：第一次為柴油燃燒放熱，因為柴油量較少，溫度上升幅度較??；第二次為天然氣燃燒放熱，產生大量熱量，缸內平均溫度大幅上升。

圖6 過量空氣系數對缸內平均壓力和缸內平均溫度的影響

從圖7可以看出，存在兩個放熱率峰值，一個柴油燃燒放熱產生的峰值，一個是天然氣燃燒放熱產生的峰值。隨著過量空氣系數的增加，柴油的放熱提前，放熱率峰值變化不大。這是因為當過量空氣系數增加時，缸內初始壓力較大，柴油著火臨界點提前，燃燒放熱時刻也提前。之后噴入的天然氣被柴油引燃，隨著過量空氣系數的增加，天然氣燃燒放熱率峰值下降，尤其在過量空氣系數達到3以上時，峰值大幅下降，降低了約50%，且燃燒放熱率曲線變得相對平緩。這是因為過量空氣系數越大，空氣濃度越大，空燃比越大，天然氣燃燒火焰前鋒面傳播速度越慢，燃燒速率因此變慢。

圖7 過量空氣系數對放熱率的影響

從圖8可以看出，在曲軸轉角為6°CA ATDC時，隨著空氣過量系數的增加，燃燒室的高溫區域逐漸減少，并向天然氣射流靠近。究其原因，一方面，空氣過量系數的增加初始壓力增加，柴油自燃著火的空間位置提前，逐漸靠近天然氣射流；另一方面，過量空氣系數增加，天然氣射流在燃燒室內擴散速度減慢，在天然氣射流外圍形成火焰。在曲軸轉角為12°CA ATDC時，火焰一直保持類似的形狀，且由于缺少混合，燃空當量較大，天然氣燃燒的速率相對穩定。當曲軸轉角為18°CA ATDC時，只在天然氣射流區域外存在小部分高溫區域。當量比為1.5時，天然氣主要引燃區域位于燃燒室壁面附近，天然氣與空氣混合時間長，充滿整個燃燒室，形成預混燃燒，接近最佳空燃比，燃燒劇烈，如圖7所示，放熱率最高。

從圖9的溫度云圖和NOx濃度云圖可以看出，隨著過量空氣系數的增加，缸內的高溫區域范圍逐漸減少，靠近噴嘴的區域溫度和NOx濃度逐漸增加。這是因為由于進氣量增多，燃料噴入缸內時環境壓力大，天然氣射流未能充分擴散到整個燃燒內燃燒，燃燒范圍逐漸減小，是過量空氣系數到達3以上后NOx排放降低的原因之一。

圖8 不同過量空氣系數和不同缸內時刻溫度分布云圖

圖9 下曲軸轉角為18°CA ATDC時缸內水平截面溫度分布云圖和NOx濃度云圖

從圖10中可以看出，在引燃柴油燃燒時，NOx生成速率較慢，因為引燃柴油較少，燃燒溫度較低，當天然氣被引燃開始大量燃燒，燃燒溫度高，燃燒速率快，生成大量NOx。隨著空氣過量系數的增加，NOx排放質量先增加后減少。當過量空氣系數為2時最高；當過量空氣系數為3.5時最低，NOx排放質量降低了15%。當過量空氣系數從1.5增加到2時，NOx排放質量增加是因為過量空氣系數越大，燃燒速率越慢，燃燒持續期越長，高溫持續時間也變長，同時燃料燃燒處于富氧狀態，所以生成量增加。但是，隨著空氣過量系數繼續增大，燃燒過程趨于穩定，燃燒溫度也在不斷降低，過量的空氣吸收了大量熱量，NOx生成量相應減少。所以，當過量空氣系數到達3以上時，NOx的排放反而降低了15%。

從圖11可以看出，soot質量曲線存在兩個峰值。已知soot生成的條件主要是高溫缺氧環境，且soot的生成同時伴隨著氧化。曲線的第一次峰值是引燃柴油燃燒產生的，生成了少量soot。第一個峰值較低是由于引燃柴油量較少，燃燒持續期較短，燃燒速度較快。隨著過量空氣系數的增加，soot質量峰值逐漸減小。這是因為環境背壓增加，雖然對引燃柴油擴散燃燒存在不利影響，生成的soot質量些許增加，但由于存在過量的氧氣，生成的soot很快被氧化。第二次峰值是天然氣燃燒產生的，天然氣大量燃燒，soot生成量較多，天然氣燃燒后期soot質量逐漸減少，且隨著過量空氣系數的增加，soot最后的生成質量越少。這是因為過量空氣系數越大，天然氣燃燒時缸內平均溫度越低，且在燃燒后期氧氣也越充足，形成富氧燃燒，導致soot的氧化速率遠遠大于生成速率。隨著過量空氣系數從1.5增加到3.5，燃燒后期soot排放質量急劇減少，降低了74%。

圖10 過量空氣系數對NOx質量的影響

圖11 下過量空氣系數對soot質量的影響

4 結 論

（1）當空氣過量系數從1.5增加到3.5時，由于進氣量的增加，缸內平均壓力峰值升高，但是缸內平均溫度和放熱率峰值因過量空氣大幅下降，天然氣的燃燒速率變慢，燃燒平穩。

（2）增大過量空氣系數，由于燃燒溫度的降低，減少了天然氣發動機的排放。當過量空氣系數為3.5時，soot排放減少了74%，NOx排放質量降低了15%。

（3）對于同軸噴射柴油引燃天然氣發動機，可以通過渦輪增壓器改變進氣的壓力改善天然氣發動機燃燒和排放。