天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同燃燒模式的模擬研究

羅修超，吳強(qiáng)

（四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都610100）

0 引言

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要排放是 CO、非甲烷HC（NMHC）、 CH4、 NOx。 其中 CO、 NMHC由于自身理化特性比較容易在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理中被氧化，CH4由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易被氧化，而NOx的處理則需要通過還原反應(yīng)；同時(shí)，在優(yōu)化燃空比的時(shí)候，CH4和NOx的生成關(guān)系相互矛盾，所以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制的難點(diǎn)在于平衡CH4和NOx排放[1]。出于成本和技術(shù)方面的原因，當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用稀薄燃燒+氧化催化后處理的技術(shù)方案來滿足排放要求。其利用稀薄燃燒的方式在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)降低NOx排放，結(jié)合氧化催化器對(duì)CH4、NMHC、CO進(jìn)行機(jī)外凈化，從而達(dá)到當(dāng)前的國家排放要求[2-3]。

為改善稀薄燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出，部分廠商采用稀薄燃燒+低比例廢氣再循環(huán) （EGR）燃燒模式，在保證NOx低排放的情況下，適度提高混合氣的燃空比。這樣可以在依然只采用氧化催化后處理技術(shù)條件下達(dá)到國Ⅴ排放，并在滿足國Ⅴ排放前提下，一定程度上改善發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。然而這種稀薄燃燒+低比例EGR燃燒模式的排放潛力依然不夠，不能滿足更高的排放要求[4-5]。為此，本研究對(duì)采用稀薄燃燒+低比例EGR的燃燒模式和當(dāng)量燃燒+高比例EGR的燃燒模式的2種發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，旨在研究這2種燃燒模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能潛力。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型建立

用AVL-Fire軟件對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行模擬研究。模擬研究對(duì)象為中國重型汽車集團(tuán)有限公司某直列6缸增壓中冷天然氣發(fā)動(dòng)機(jī) （以下稱為原機(jī)），主要參數(shù)如表1所示。用AVL-Fire軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型，以進(jìn)氣上止點(diǎn)180°曲軸轉(zhuǎn)角 （°CA）為初始時(shí)刻，對(duì)進(jìn)氣和做功沖程進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

圖1 燃燒模型動(dòng)網(wǎng)格劃分

本次模擬忽略進(jìn)氣道和氣門結(jié)構(gòu)對(duì)缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)影響，及活塞頂部、燃燒室頂部、缸套內(nèi)表面的溫度變化。計(jì)算初始條件和邊界條件如表2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 計(jì)算參數(shù)和邊界條件

2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型校正

在發(fā)動(dòng)機(jī)1 400 r/min、100%節(jié)氣門開度（100%負(fù)荷）的試驗(yàn)工況點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型進(jìn)行模擬校正。以原機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型選擇正確的點(diǎn)火模型、燃燒模式等，并調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型的缸內(nèi)壓力曲線與臺(tái)架試驗(yàn)的缸內(nèi)壓力曲線相匹配。校正結(jié)果如圖2所示。從圖2中可見，急燃期內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型的缸內(nèi)壓力曲線和缸內(nèi)最高壓力與試驗(yàn)值略有差異，但相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，滿足工程應(yīng)用要求。因此，可以認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型對(duì)試驗(yàn)工況點(diǎn)的模擬是可靠的。

圖2 缸內(nèi)壓力模擬曲線和試驗(yàn)曲線對(duì)比

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 稀薄燃燒+低比例EGR燃燒模式

利用燃燒仿真模型，在1 400 r/min、100%負(fù)荷工況點(diǎn)，分別研究3種稀燃燃空比 （燃空比為0.708、0.688和0.668）在不同EGR率下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并與同工況下的原機(jī)性能 （采用稀燃模式，優(yōu)化燃空比和點(diǎn)火提前角，輔以氧化催化后處理技術(shù)來滿足國Ⅴ排放要求）進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。 圖3a） ～3d） 中9.5 MPa、 376.2°CA、10.2 E-02%及2E-02%四條直線分別表示原機(jī)的缸內(nèi)最高壓力、燃燒重心位置、CH4排放和NOx排放。由圖3可見，隨著EGR率的上升，參與再循環(huán)的廢氣量逐漸增多，缸內(nèi)氣體比熱容逐漸增大，滯燃期和急燃期被延長，缸內(nèi)壓力峰值逐漸降低，如圖3a）所示；燃燒重心不斷后移，但后移速度在EGR率達(dá)到某個(gè)值后加快，如圖3b）所示；CH4排放隨著EGR率的增大不斷增加，當(dāng)EGR率增大到一定值后，CH4排放急劇上升，且隨著燃空比的減少，EGR率稍增加，CH4排放增加就很大，如圖3c）所示；NOx排放隨著EGR率的上升先急劇下降然后趨于平緩，且燃空比越大，EGR對(duì)NOx的遏制作用越明顯，如圖3d）所示。

圖3 不同EGR率對(duì)稀薄燃燒的影響

與原機(jī)各性能參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于缸內(nèi)存在少量EGR，所以只有當(dāng)燃空比取較大值時(shí)，才能在滿足排放優(yōu)于稀薄燃燒的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能同時(shí)得到提升，但選取匹配稀薄燃燒的EGR率范圍狹窄。當(dāng)燃空比取0.708，EGR率取0.16時(shí)，缸內(nèi)最高壓力提高8.4%，CH4下降18.7%，NOx下降26.2%。

3.2 當(dāng)量燃燒+高比例EGR燃燒模式

為達(dá)到較好的排放目標(biāo)和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，當(dāng)量燃燒+EGR燃燒模式需要采用比稀薄燃燒+ERG燃燒模式更高的EGR率。對(duì)當(dāng)量燃燒以及2個(gè)低一點(diǎn)的燃空比 （燃空比為0.9和0.8）在不同EGR率下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行模擬研究，并與在同工況下的原機(jī)性能進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同EGR率對(duì)當(dāng)量燃燒的影響

由圖4可知，當(dāng)量燃燒+EGR燃燒模式下的缸內(nèi)壓力峰值隨EGR率的上升而下降，變化趨勢(shì)與稀薄燃燒+低比例EGR的情況相似，但壓力峰值隨EGR率的變化更明顯，如圖4a）所示；燃燒重心隨EGR率的上升而上升，在EGR率達(dá)到一定值后，上升趨勢(shì)加快，且隨著燃空比增大，這個(gè)值越大，如圖4b）所示；CH4排放與稀薄燃燒+低比例EGR燃燒模式的變化一致，但是，由于當(dāng)量燃燒時(shí)前期火焰發(fā)展快速，且缸內(nèi)氧氣含量更少，導(dǎo)致后期部分混合氣燃燒不太充分，使CH4排放在EGR率較低時(shí)就略高于燃空比為0.9時(shí)的CH4排放，如圖4c）所示；NOx排放隨EGR的變化趨勢(shì)同樣與稀燃+低比例EGR燃燒模式的變化一致，但是，由于當(dāng)量燃燒時(shí)缸內(nèi)混合氣氧含量降低，遏制了NOx的產(chǎn)生，使當(dāng)量燃燒的NOx排放比燃空比為0.8的還低，如圖4d）所示。

與原機(jī)性能參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃空比取0.8和0.9時(shí)，雖然能通過選取合適的EGR率獲得發(fā)動(dòng)機(jī)排放和動(dòng)力性能共同提升，且在滿足最高燃燒壓力和NOx排放要求后，CH4的排放有所降低，但是NOx和CH4均處于開始急劇上升階段。當(dāng)燃空比取值為1時(shí)，通過匹配不同的EGR率，可找到排放和動(dòng)力性能都優(yōu)于稀薄燃燒的EGR率區(qū)域，且EGR率的優(yōu)選范圍較大，而且NOx和CH4排放變化均緩慢。當(dāng)燃空比取1，EGR率取0.3時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最高壓力提高34.7%，CH4下降67.6%，NOx下降66.7%。

4 結(jié)論

（1）稀薄燃燒+低比例EGR的燃燒模式需要采用比稀薄燃燒模式更大的燃空比，才能在滿足排放優(yōu)于稀薄燃燒的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能同時(shí)得到提升，但是適合稀薄燃燒的EGR率范圍狹窄。

（2）采用當(dāng)量燃燒+高比例EGR燃燒模式，通過匹配不同的EGR率，可找到排放和動(dòng)力性能都優(yōu)于稀薄燃燒模式的EGR率區(qū)域，且EGR率的選配范圍較大。

（3）對(duì)比稀薄燃燒+低比例EGR和當(dāng)量燃燒+高比例EGR兩種不同的燃燒模式發(fā)現(xiàn)，在模擬工況下，當(dāng)量燃燒+高比例EGR燃燒模式能使發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足更好的排放性能的同時(shí)獲得更好的動(dòng)力提升。