基于一維/三維模型耦合的富氧燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬

姜偉， 張玉銀， 李世琰， 張勇， 張偉

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)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(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)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(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上?？臻g電源研究所， 上海 200245)

以某1.0 L3缸汽油機(jī)為基礎(chǔ)，利用GT-Power與Converge建立了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)耦合仿真模型,并利用原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，研究了進(jìn)氣富氧與EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響特性，對(duì)利用進(jìn)氣富氧與EGR改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，隨進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)提高，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力顯著提高，最大可提高22.8%(氧體積分?jǐn)?shù)為28%時(shí))；同時(shí)缸內(nèi)溫度和NOx排放升高，排氣與傳熱的能量損失增加，燃?xì)庀穆事杂猩?。加入EGR可以降低富氧燃燒下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀穆?，隨著EGR率增加，燃?xì)庀穆手饕氏葴p小后增加趨勢(shì)；且隨進(jìn)氣氧濃度提高，各濃度下最低燃?xì)庀穆蕦?duì)應(yīng)的EGR率逐漸提高；NOx排放隨EGR率增加而逐漸降低，在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為23%，25%，27%，29%時(shí)，EGR率分別為10%，15%，20%，25%即可將NOx排放降到原機(jī)水平；利用進(jìn)氣富氧與EGR可以有效地改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足與NOx排放高的狀況。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)； 富氧燃燒； 廢氣再循環(huán)； 數(shù)值模擬

天然氣作為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料有著許多優(yōu)點(diǎn)：資源豐富，價(jià)格低廉，燃燒產(chǎn)生的有害排放低，二氧化碳排放低，辛烷值高等。但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)同樣存在不足，相比于汽油機(jī)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于容積效率低、缸內(nèi)火焰速度慢等因素，其動(dòng)力輸出相比同條件下汽油機(jī)明顯降低[1]，而且具有較嚴(yán)重的NOx排放問題[2]。因此，如何改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣富氧燃燒對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)減排、提高功率密度、改善缸內(nèi)燃燒質(zhì)量等具有很大潛力，相關(guān)研究吸引了許多研究者的關(guān)注。Poola 等對(duì)柴油機(jī)富氧燃燒做了許多研究，發(fā)現(xiàn)富氧燃燒可以明顯降低炭煙生成、減少HC和CO排放、提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度、縮短滯燃期，但會(huì)使NOx排放增加[3-4]。Caton對(duì)火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了富氧燃燒熱力循環(huán)仿真，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣氧濃度增加時(shí)相應(yīng)地提高循環(huán)供油量可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率[5]。Zhou等對(duì)小型強(qiáng)化汽油機(jī)進(jìn)行富氧燃燒試驗(yàn)與仿真研究，發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷下富氧可降低油耗率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性[6]。張韋等研究了進(jìn)氣富氧與EGR對(duì)直噴柴油機(jī)NO和炭煙排放的影響，發(fā)現(xiàn)合適的EGR和富氧比例可以實(shí)現(xiàn)低于原機(jī)的NO和炭煙排放，同時(shí)兼顧功率和油耗[7]。總體而言，進(jìn)氣富氧燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善效果明顯，但是已有的研究主要是針對(duì)柴油機(jī)和汽油機(jī)，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用富氧燃燒的研究相對(duì)較少，特別是缺少進(jìn)氣富氧燃燒對(duì)改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的潛力和對(duì)油耗、排放影響的認(rèn)識(shí)。

EGR對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與降低NOx排放有著積極作用。Cheolwoong等通過對(duì)天然氣-氫氣混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，引入CO2增加了缸內(nèi)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(yàn)研究了EGR對(duì)渦輪增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和NOx排放性能的影響情況，結(jié)果表明EGR有助于熱效率的改善、NOx排放的降低[2]。Hu等對(duì)天然氣-氫混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究同樣表明，EGR可顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放，小比率EGR可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率[9]。從相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，EGR技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于增壓、摻氫等條件下的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，用以改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力，但改善效果尚待研究。

針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)所具有的動(dòng)力不足和NOx排放問題，且考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，研究進(jìn)氣富氧與EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律，探討利用進(jìn)氣富氧與EGR改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用富氧燃燒與EGR技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 一維/三維仿真模型建立

考慮到小排量3缸發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、燃油經(jīng)濟(jì)性好、尾氣排放低等特點(diǎn)，本研究以1.0 L小型3缸PFI自然吸氣汽油機(jī)為基礎(chǔ)，利用一維仿真軟件GT-Power與三維CFD軟件Converge建立發(fā)動(dòng)機(jī)一維、三維耦合仿真模型，發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

一維GT-Power采用有限容積法計(jì)算各控制方程，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過程有計(jì)算速度快、標(biāo)定后計(jì)算準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于缸內(nèi)燃燒過程的計(jì)算主要采用零維或準(zhǔn)維燃燒模型，預(yù)測(cè)性較差。而缸內(nèi)三維CFD計(jì)算可以更加準(zhǔn)確地模擬缸內(nèi)流動(dòng)與燃燒反應(yīng)過程，具有更好的預(yù)測(cè)性，但對(duì)整機(jī)工作過程的模擬計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間，不利于工程應(yīng)用。本研究通過一維、三維模型耦合計(jì)算，利用一維模型計(jì)算出進(jìn)排氣的流動(dòng)信息(壓力、質(zhì)量流量、物質(zhì)種類等)，用作三維模型的進(jìn)排氣流動(dòng)邊界，進(jìn)行缸內(nèi)三維CFD計(jì)算，這樣可以實(shí)現(xiàn)更加高效準(zhǔn)確的仿真模擬。

原機(jī)的一維GT-Power仿真模型采用準(zhǔn)維預(yù)測(cè)型SITurb燃燒模型，通過在燃燒模型中導(dǎo)入實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的三維掃描模型以增加模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；此外，采用WoschniGT熱傳導(dǎo)模型計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)傳熱，采用Chen-Flynn摩擦模型計(jì)算機(jī)械損失。

缸內(nèi)三維CFD仿真模型根據(jù)實(shí)體掃描模型由Converge軟件建立，主要包括進(jìn)氣道、氣缸、排氣道3個(gè)部分(見圖1)。Converge三維CFD仿真具有較好的預(yù)測(cè)性，根據(jù)Wang[10]和Yang[11]的研究，通過在模型中采用合理的反應(yīng)機(jī)理和充足的網(wǎng)格分辨率，即可保證模擬缸壓與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地匹配，使模型具有充足的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性。本研究的三維仿真模型利用基于Chemkin基元反應(yīng)的SAGE詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算缸內(nèi)燃燒，并利用AMR(溫度與速度場(chǎng)網(wǎng)格自適應(yīng)加密)細(xì)化計(jì)算網(wǎng)格，相比于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)燃燒模型，該方法可以更真實(shí)地模擬缸內(nèi)燃燒過程，獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。此外，湍流模型采用RNGκ-ε模型，模型基本網(wǎng)格尺寸為4 mm，最小網(wǎng)格為0.125 mm；三維模型的進(jìn)排氣邊界采用GT-SUITE邊界類型，用于與一維GT-Power進(jìn)行耦合計(jì)算，模型燃料使用甲烷(CH4)。

1.2 原機(jī)一維仿真模型驗(yàn)證

利用原汽油機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)建立的一維仿真模型進(jìn)行了基本驗(yàn)證，以保證一維進(jìn)排氣流動(dòng)過程計(jì)算的準(zhǔn)確性，為三維模型提供可靠的流動(dòng)邊界數(shù)據(jù)。通過調(diào)整原汽油機(jī)模型的進(jìn)排氣管路摩擦、流量系數(shù)和燃燒與熱傳導(dǎo)模型等參數(shù)，可使仿真計(jì)算缸壓與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。圖2示出1 400 r/min，歧管絕對(duì)壓力為40 kPa時(shí)缸內(nèi)壓力的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖3示出原機(jī)外特性扭矩的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為一致。因此，該模型可用于進(jìn)一步的耦合仿真計(jì)算工作。

2 結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣富氧對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

模擬工況為2 000 r/min、全負(fù)荷工況，模擬的進(jìn)氣富氧比例從21%至29%(空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù))；在不同的富氧進(jìn)氣下，始終保持當(dāng)量比為1；點(diǎn)火角調(diào)整為最大扭矩點(diǎn)火角。通過耦合仿真獲得富氧燃燒下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)各主要性能的變化規(guī)律。

圖4示出不同進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)下，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力的變化情況。由圖可知，隨進(jìn)氣富氧比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力逐漸增大，當(dāng)進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為28%時(shí)，平均有效壓力達(dá)0.915 MPa，比原機(jī)提高22.8%。這主要是因?yàn)?，隨著進(jìn)氣氧氣濃度增加，實(shí)際進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氧氣量增加，保證當(dāng)量比為1，實(shí)際進(jìn)入缸內(nèi)的燃料量也相應(yīng)增加，如圖4所示單缸的循環(huán)燃料量隨氧濃度增加而逐漸增大。

圖5示出不同進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)下，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)NOx濃度與最高溫度的變化情況。由圖可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氧濃度的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)NOx濃度與缸內(nèi)最高溫度都逐漸增加；當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)小于24%時(shí)，NOx排放迅速增加，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)大于24%時(shí)，NOx濃度增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。缸內(nèi)富氧燃燒下，缸內(nèi)溫度提高，促進(jìn)了熱力型NOx的生成。

圖6示出燃?xì)庀穆孰S進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)變化關(guān)系。結(jié)果表明，隨著氧濃度的提高，燃?xì)庀穆蕰?huì)略微提高，當(dāng)進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)為28%時(shí)，有效的燃?xì)庀穆时仍瓩C(jī)提高了約5%。圖7示出不同進(jìn)氣氧濃度下燃料能量的分布情況。從圖中可知，進(jìn)氣氧濃度提高在提高發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率輸出的同時(shí)，會(huì)使排氣的熱量損失和缸內(nèi)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(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為28%時(shí)，排氣與傳熱能量損失占比66.6%，比原機(jī)64.3%提高了3.57%。排氣和傳熱損失促使燃?xì)庀穆杂刑岣摺?/p>

2.2 EGR對(duì)富氧燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

單獨(dú)提高進(jìn)氣氧濃度會(huì)有不同程度的NOx排放提高與油耗增加的現(xiàn)象，因此本研究通過模擬引入EGR來減少NOx排放，同時(shí)提高熱效率。采用不同的進(jìn)氣EGR率(0%，10%，20%，30%)，研究EGR對(duì)富氧條件下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。EGR率定義為進(jìn)氣歧管中EGR氣體占總進(jìn)氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算公式如下：

圖8示出不同進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)下，EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀穆实挠绊?。由圖可知，原機(jī)在EGR率為10%時(shí)具有最小的燃?xì)庀穆?，?jīng)濟(jì)性得到改善；在氧體積分?jǐn)?shù)小于25%時(shí)，燃?xì)庀穆孰SEGR率增加呈先降低后增大的趨勢(shì)；在氧體積分?jǐn)?shù)為27%時(shí)，燃?xì)庀穆孰S著EGR率增加而逐漸降低，EGR率為30%時(shí)燃?xì)庀穆式档?.1%；在氧體積分?jǐn)?shù)為29%時(shí)，燃?xì)庀穆孰SEGR率增加先略有增加后快速降低。進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為21%，23%，25%，27%時(shí)，獲得最低燃?xì)庀穆实腅GR率分別為10%，10%，20%，30%，可見隨著進(jìn)氣氧濃度提高，發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

圖9示出不同進(jìn)氣氧濃度下，EGR率對(duì)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(duì)NOx降低效果更明顯。在進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)為23%，25%，27%，29%時(shí)，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(jī)水平。引入適量的EGR能夠降低缸內(nèi)溫度，從而減少NOx生成。

2.3 綜合評(píng)價(jià)

圖10以等高線圖的形式示出了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀穆?、平均有效壓力、NOx排放等隨進(jìn)氣氧濃度與EGR率的變化情況。結(jié)果表明，較高的進(jìn)氣氧濃度、低EGR率(或無EGR)下動(dòng)力性顯著提高，最高可提高約20%，有助于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的恢復(fù)，如區(qū)域B(圖11b中Zone B)所示；約10%EGR率和較小進(jìn)氣氧濃度(或者不富氧)情況下，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀穆屎蚇Ox排放低于原機(jī)水平，如區(qū)域A(圖11a,圖11c中Zone A)所示。對(duì)于整車不同的運(yùn)行工況，進(jìn)氣富氧和EGR的組合可以靈活滿足相應(yīng)的需求：在瞬態(tài)短時(shí)加速情況下，使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在Zone B區(qū)域，有利于迅速獲得強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出；在穩(wěn)態(tài)勻速運(yùn)行情況下，使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在Zone A區(qū)域，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和NOx排放特性表現(xiàn)更佳。

3 結(jié)論

本研究利用一維/三維模型耦合仿真探討了進(jìn)氣富氧與EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響特性，得到了該發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況(2 000 r/min，節(jié)氣門全開)下的性能變化規(guī)律：

a) 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力隨進(jìn)氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加而顯著提高，最大可提高22.8%(氧體積分?jǐn)?shù)為28%時(shí))；隨進(jìn)氣富氧量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度和NOx排放升高，燃?xì)庀穆事杂猩撸?/p>

b) 加入EGR可以降低富氧燃燒下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀穆剩译S著EGR率增加，燃?xì)庀穆手饕氏葴p小后增加趨勢(shì)；NOx排放隨EGR率增加而逐漸降低；

c) 進(jìn)氣富氧與EGR匹配可以靈活改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能，對(duì)于功率需求大的瞬態(tài)加速工況，可以通過提高進(jìn)氣富氧量迅速提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出；在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，采用EGR可以顯著降低富氧燃燒下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，且提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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[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(shù)研究院-上海交大航天先進(jìn)技術(shù)聯(lián)合研究中心資助項(xiàng)目(USCAST2013-32)

姜偉(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬；jiangwei_sjtu@163.com。

張玉銀(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)閲婌F燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程等；yuyinzhang@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.008

TK421.5

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1001-2222(2015)06-0039-05