噴油正時對雙燃料發動機低負荷性能影響的數值模擬

魏建輝， 彭育輝

(福州大學機械工程及自動化學院， 福建 福州 350108)

0 引言

天然氣是具有高熱值、 高自燃溫度以及價格優勢的清潔能源， 是內燃機最有前景的替代燃料之一. 天然氣/柴油雙燃料發動機的研究一直致力于提高燃料經濟性并減少污染物排放[1-2].

天然氣/柴油雙燃料燃燒可顯著降低碳煙和氮氧化物排放， 并能在動力性、 經濟性方面保持與純柴油燃燒基本一致. 但在中低負荷工況， 發動機的燃料噴射量少而空氣供給量多， 可燃混合氣稀薄， 燃燒速度低且不穩定， 燃燒效率低， 一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HC)排放惡化. 文獻[3-5]通過控制節氣門開度來調整空燃比， 以更好地控制過量空氣系數. 而文獻[6]提出通過節氣門控制進氣會導致泵氣損失增加, 容積效率下降. 文獻[7]在進氣總管安裝節氣門體控制空氣流量， 研究雙燃料模式中、 低負荷性能受替代率的影響, 提出基于過量空氣系數控制的燃料供給策略， 有效地降低了氮氧化物(NOx)排放， 并且在低負荷工況替代率可達40%， 但存在CO和HC排放較高的問題. 文獻[8-10]表明, 引燃柴油噴油正時對發動機雙燃料模式的輸出功率、 峰值壓力、 燃燒溫度和燃燒相位均能產生較大影響. 文獻[11-12]闡述了柴油噴油正時對雙燃料模式缸內燃燒過程的影響， 適當提前噴射引燃柴油可減少低負荷工況的未燃甲烷等溫室氣體排放.

綜上所述， 基于過量空氣系數控制的燃料供給策略， 可使發動機在低負荷工況以較高的天然氣替代率工作， 并降低NOx排放[7]. 但在低負荷工況下， 隨著替代率的提高， CO和HC排放升高的問題越趨突出. 本研究基于過量空氣系數控制策略的排放性問題， 通過臺架試驗與數值模擬， 進一步探討引燃柴油噴油正時對雙燃料發動機低負荷的動力性、 燃油經濟性及污染物排放的影響規律等問題.

1 試驗方案設計

1.1 雙燃料試驗系統

試驗臺架由一臺型號為SL2110DKT-3的四沖程、 直噴、 兩缸柴油機改裝而成， 該機組具體參數如下： 標定功率與標定轉速分別為25.7 kW和2 400 r·min-1， 壓縮比為17， 缸徑、 活塞行程和連桿長度分別為110、 117和185 mm.

在原機燃油供給系統基礎上加裝天然氣供給系統， 如圖1所示， 在氣軌上安裝噴射閥實現天然氣的多點噴射， 在天然氣氣軌前設置二級調壓閥、 二級緩沖罐降低噴射閥壓力波動對噴射量的影響[13]. 在發動機進氣歧管安裝天然氣混合器， 在進氣管安裝節氣門體， 控制進空氣量， 實現對過量空氣系數的精確控制.

圖1 天然氣供給系統Fig.1 Natural gas supply system

1.2 試驗方案

基于過量空氣系數控制的燃料供給策略在文獻[7]中已有詳細描述， 在此基礎上進一步研究柴油噴油正時對雙燃料模式低負荷性能的影響規律. 選取中等轉速(1 600 r·min-1)、 低負荷(27.1 N·m)為目標工況[14]， 測試工況的替代率取40%、 過量空氣系數為2.5， 每循環引燃油量、 天然氣噴射量和空氣供給量分別為11.81、 6.80和718.14 mg， 噴油正時以2°的間隔從上止點前17°提前到27°.

2 計算機仿真模型

2.1 數值仿真模型

應用三維計算流體動力學軟件模擬雙燃料發動機缸內燃燒過程. 為了提高計算效率以1/5扇形體進行計算， 模型的基礎網格尺寸為1.4 mm， 采用2級自適應加密， 對油束區域進行嵌入式加密. 計算網格模型如圖2所示， 子模型設定如表1所示.

圖2 燃燒室計算網格 Fig.2 Computational mesh of the combustion chamber

表1 模擬計算采用的子模型

燃料采用正庚烷模擬柴油燃燒化學性質， 由甲烷代替天然氣. 采用的柴油/天然氣雙燃料詳細化學動力學模型包含81種組分和421個基元反應, 通過詳細的動力學機理模擬Soot的形成過程, 采用SAGE燃燒模型模擬柴油和天然氣噴射燃燒過程.

2.2 仿真模型的有效性驗證

數值模型通過與試驗數據對比進行驗證， 工況缸內壓力和放熱率曲線如圖3所示， 模擬計算邊界條件由實際供給的混合氣濃度計算獲得， O2、 N2、 CH4質量分數分別為0.227 8、 0.762 8、 0.009 4. 對比試驗采集數據和模型仿真結果可知， 試驗缸壓曲線與仿真缸壓曲線擬合度較好， 缸內壓力最大相對誤差小于5%， 試驗放熱率曲線與數值模擬結果趨勢比較吻合. 對比文獻[15]中的模型精度， 本模型具有較高精度， 模型能夠較準確地反映發動機實際工作過程.

圖3 仿真結果與試驗數據的比較Fig.3 Comparison between the experiments and simulations

3 結果與討論

3.1 臺架試驗結果分析3.1.1 噴油提前對動力性的影響

中等轉速、 低負荷下， 雙燃料模式不同噴油正時的輸出功率對比如圖4(a)所示. 隨著在上止點前(BTDC)提前噴油時刻， 發動機的輸出功率逐漸提高； 當噴油正時為27° BTDC時， 輸出功率相比噴油時刻為17° BTDC時增加18.44%， 達到了柴油模式的目標功率. 缸內壓力如圖4(b)所示. 從圖中可知， 增大噴油提前角， 缸內峰值壓力隨之升高， 缸壓峰值對應的相位提前.

圖4 不同噴油時刻的輸出功率與缸內壓力Fig.4 Output power and in-cylinder pressure at different injection timing

3.1.2噴油提前對經濟性、 排放性的影響

為比較各工況點的燃料經濟性， 將噴射的天然氣和柴油按理論低熱值換算得到雙燃料模式消耗的總能量， 并計算有效能量消耗率(BSEC). 不同噴油正時的有效能量消耗率對比如圖5(a)所示. 從中可知, BSEC隨著噴油時刻的提前而逐漸減小. 當噴油時刻為27° BTDC， BSEC為17.615 MJ·(kW·h)-1， 較原始噴油時刻(17° BTDC)的BSEC減少了15.57%， 提前噴油策略對提高燃油經濟性具有積極作用. 試驗工況下的引燃柴油和天然氣供給量保持不變， 燃料經濟性的改善主要是由于燃燒過程的改善使得發動機的做功能力有所提高.

保持發動機轉速為1 600 r·min-1， 天然氣和引燃柴油供給量及進空氣量不變， 排氣污染物的變化主要是由噴油正時的改變導致. 不同噴油正時的污染物排放如圖5(b)所示， 柴油噴射時刻提前， CO比排放逐漸減少， 增大噴油提前角至27° BTDC， CO比排放減少了37.98%， HC比排放降低了39.51%， NOx比排放增加.

圖5 不同噴油時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 缸內燃燒過程分析

缸內燃燒溫度是影響CO、 NOx、 HC等污染物排放的重要因素[16]， 缸內溫度分布云圖如圖6所示. 從圖中可見： 噴油提前使得燃燒相位前移， 當曲軸轉角位于上止點后10°時更多的燃料參與了燃燒， 提高了缸內燃燒溫度， 產生更多的燃燒高溫區域. 高溫區域主要分布在燃燒室中心， 并逐漸向氣缸壁方向發展. 隨著噴油時刻的提前， 在上止點后40°時， 分布在氣缸壁附近的局部低溫區域逐漸減少.

圖6 缸內溫度分布云圖Fig.6 In-cylinder temperature distribution

CO比排放的改善主要是由于缸內燃燒溫度的提高和不完全燃燒區域的減少[17]， 如圖7所示. 噴油提前使燃料在上止點附近集中放熱， 缸內溫度提高. 同時， 噴油提前形成更均勻的可燃混合氣， 速燃期縮短為CO提供了更充分的氧化時間， 當噴油提前至27°， CO比排放減少了37.98%.

圖7 缸內CO分布云圖Fig.7 In-cylinder CO distribution

雙燃料發動機低負荷工作時HC排放較高， 混合氣中的未燃甲烷是HC排放的主要來源， 低負荷工況下未燃甲烷主要分布于缸內局部低溫區域[11]， 不同噴油時刻的缸內甲烷分布如圖8所示. 噴油時刻提前， 有利于形成更均勻的可燃混合氣， 使得燃燒相位整體前移， 燃料在上止點附近集中放熱， 缸內燃燒溫度提高， 在上止點后10°， 火焰能夠到達遠離燃燒室中心的區域， 減少了低溫區域的產生， 更多混合氣中的甲烷在反應中被消耗， 最終減少了未燃甲烷的殘留. 噴油時刻為上止點前19°時， 在上止點后40°的未燃甲烷主要分布在氣缸軸線以及遠離燃燒中心的氣缸壁區域. 隨著噴油時刻的提前， 在氣缸軸線周圍以及氣缸壁附近的未燃甲烷明顯減少， 當噴油時刻為上止點前27°時， 在上止點后40°氣缸軸線附近幾乎沒有未燃甲烷， 此時的HC排放主要來源于氣缸壁區域的少量未燃甲烷.

圖8 缸內CH4分布云圖Fig.8 In-cylinder CH4 distribution

NOx生成速度受溫度影響較大， 主要分布在高溫富氧區域， 不同噴油時刻的缸內NOx分布如圖9所示. 隨著噴油提前， 峰值壓力和燃燒溫度提高， 加速了NOx的生成， 在上止點后10°的活塞碗區域形成大量NOx； 均勻混合氣提高了缸內燃燒速率， 速燃期縮短， 在后燃期與補燃期給NOx生成提供了更多反應時間， NOx排放逐漸增加； 對比溫度分布云圖可知， 在低溫區域幾乎沒有NOx分布， NOx大多分布于溫度約1 850 K以上的高溫區域. 隨著噴油時刻繼續提前， 由于壓力升高率增大， 發動機工作粗暴并存在爆震趨勢. 在滿足動力性要求的前提下， 噴油提前角不宜過大， 應保證發動機工作穩定并平衡CO、 HC及NOx排放.

圖9 缸內NOx分布云圖Fig.9 In-cylinder NOx distribution

4 結語

1) 基于過量空氣系數控制的雙燃料發動機在中等轉速、 低負荷、 40%替代率通過引燃柴油噴油提前， 可使輸出功率提高到4.56 kW， 雙燃料模式功率與原機功率相當. 保持引燃油量與天然氣量不變， 噴油時刻適當提前， 能有效提高天然氣/柴油發動機的動力性和燃料經濟性.

2) 基于過量空氣系數控制策略下， 雙燃料發動機的噴油時刻提前， 燃燒相位隨之前移， 集中放熱效應明顯， 缸內燃燒溫度的提高使CO、 HC的排放降低. 噴油正時為上止點前27°時， 輸出功率提升了18.44%， 能量消耗率減少15.57%， 同時CO與HC排放水平分別降低37.98%和39.51%.

3) 提前噴油策略能夠克服雙燃料發動機在低負荷下提高替代率而導致的功率下降問題， 使發動機能夠以較高替代率在低負荷工況運行， 提高了天然氣在發動機工作過程中總能量的整體占比.