雙燃料發(fā)動機的燃燒和排放特性研究

(1.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院， 廣西南寧530004； 2.廣西玉柴機器股份有限公司， 廣西玉林537005；3.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 廣西柳州545005)

0 引言

隨著排放法規(guī)的日益嚴峻，在柴油發(fā)動機中使用替代燃料似乎為環(huán)境和經(jīng)濟問題提供了有吸引力的解決方案。天然氣以其清潔燃燒、儲量龐大、價格優(yōu)勢、來源廣泛等眾多優(yōu)點，被認為是最具有發(fā)展前景的柴油替代燃料之一[1]。天然氣具有較高的辛烷值，引入天然氣會延長滯燃期，有利于燃料的完全燃燒[2-3]，但是在小負荷工況下，柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機的未燃甲烷的排放較為顯著。因此，降低未燃甲烷排放是柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機面臨的巨大挑戰(zhàn)。

提高噴油壓力可改善燃油的霧化效果，有利于燃料的完全燃燒，最終改善雙燃料發(fā)動機經(jīng)濟性和降低未燃HC和CO排放。LIU等[4]發(fā)現(xiàn)，在雙燃料模式下，提高噴油壓力，CO和HC排放降低。雙燃料模式可以在較低的噴油壓力下達到與高壓噴射柴油相近的碳煙排放[5-6]。噴油壓力的上升可降低未燃甲烷和CO的排放，但是未燃甲烷和NOX的trade-off關(guān)系依然存在[6]。要解決NOX和未燃甲烷之間的trade-off關(guān)系，必須實現(xiàn)柴油機低溫燃燒方式[7-8]。ABDELAAL等[9]和SELIM等[10-11]的研究表明，在不同負荷下，NOX排放均隨著 EGR率的增大而降低。

化學(xué)燃燒機理與CFD軟件耦合的方法是深入探究發(fā)動機燃燒與排放特性的常用手段。HUANG等[12]將一個簡化的柴油/天然氣雙燃料機理與AVL Fire軟件耦合計算，探究了不同噴油策略對雙燃料發(fā)動機燃燒和排放的影響。MATTARELLI等[13]使用 KIVA-3V軟件耦合一個包含81種物質(zhì)和421個反應(yīng)的天然氣/柴油機理。結(jié)果顯示，采用柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機能夠達到原機的平均有效壓力。

綜上所述，噴油壓力與EGR耦合具有同時降低柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機的NOX和CH4排放的潛力，但是關(guān)于這方面的研究少見報道，為此，在一臺加裝了天然氣進氣系統(tǒng)的柴油機上進行試驗，探究了柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒和排放，同時采取CFD耦合動力學(xué)機理進行模擬計算，進一步從微觀角度闡述了雙燃料燃燒機理和排放物的生成機理。

1 試驗設(shè)備和方法

試驗采用6缸增壓中冷柴油機，在原機上加裝天然氣供給系統(tǒng)，并對ECU進行匹配設(shè)計，能準(zhǔn)確控制天然氣的進氣量。試驗發(fā)動機具體參數(shù)見表1。發(fā)動機采用外部EGR，通過調(diào)節(jié)EGR閥來控制EGR率。由于引入的廢氣溫度較高，通過中冷器對其降溫，同時預(yù)熱新鮮充量。實驗裝置的詳細描述可參考文獻[14]。

EGR率通過測量進氣中CO2體積分數(shù)與排氣中CO2體積分數(shù)來計算，計算公式如下[14]：

(1)

其中，φin為進氣中CO2的體積分數(shù)；φout為排氣中CO2體積分數(shù)。

另外，由于雙燃料模式使用理化特性不同的兩種燃料進行燃燒，因此，為了便于理解，引入折合油耗的概念，將所消耗的天然氣質(zhì)量通過能量轉(zhuǎn)化換算成純柴油的質(zhì)量。換算公式如下：

(2)

折合熱效率通過以下公式計算：

(3)

其中，Pe是有效功率，mdiesel是燃油消耗量，mcng是燃氣消耗量，Hμdiesel和Hμcng分別是柴油和天然氣的低熱值。

試驗在轉(zhuǎn)速為1 720 r/min，扭矩為370 N·m(約22 %負荷)、柴油引燃量為27 mg/cyc、天然氣替代率為50 %的工況下進行，通過改變EGR率(0～40 %)及噴油壓力(80 MPa和120 MPa)來研究雙燃料發(fā)動機燃燒和排放特性。

表1 實驗發(fā)動機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of test engine

2 計算模型

采用AVL FIRE軟件進行缸內(nèi)燃燒仿真計算。由于湍流對燃燒過程中的傳熱和傳質(zhì)起著不可忽視的作用。研究采用k-zeta-f湍流模型來模擬缸內(nèi)流動。為了從小分子的角度解釋柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機燃燒現(xiàn)象，使用課題組發(fā)展的一個包含143種組分和746個反應(yīng)的柴油/天然氣簡化機理[1]來模擬雙燃料燃燒反應(yīng)過程。此外，使用WAVE模型[15]，Dukowicz模型和Walljet1模型[16]分別模擬液滴破碎過程，燃油蒸發(fā)過程和液滴碰壁過程。

三維計算模型通過FIRE ESE-Diesel platform生成，由于燃燒室對稱分布，噴油器位于缸蓋上居中位置并且柴油的噴孔數(shù)為8個，為提高計算效率，計算域用八分之一燃燒室模型(見圖1)。計算過程從進氣門關(guān)(564°CA ATDC)到排氣門開(860°CA ATDC)。

圖1 在上止點時，燃燒室的八分之一的計算域Fig.1 Computational domain of one-eighth of the combustion chamber at TDC

3 結(jié)果與討論

圖2給出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機的缸壓、放熱率和各類排放的實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比。排放指的是每千克燃油燃料燃燒所產(chǎn)生的排放量。由圖2可知，仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)基本吻合，但是存在一定誤差，主要原因是在仿真過程中沒有充分考慮湍流對化學(xué)動力學(xué)的影響以及實驗數(shù)據(jù)測量存在誤差[1]。

(a) 噴油壓力80 MPa時的缸壓放熱率的實驗與模擬對比

(b) 噴油壓力120 MPa時的缸壓放熱率的實驗與模擬對比

3.1 噴油壓力和EGR率對天然氣/柴油雙燃料燃燒特性的影響

圖3給出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機在不同工況下，缸壓、放熱率的實驗數(shù)據(jù)。如圖3(a)所示，在EGR率為30 %的工況下，較高的噴油壓力可以改善油束霧化和蒸發(fā)，增加油束的動能，燃料和空氣可以更充分的混合。因此，隨著噴油壓力的上升，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和瞬時放熱率峰值升高，著火時刻提前。

(a) 不同噴油壓力

(b)不同EGR率

圖3 不同工況下缸壓和放熱率的實驗值
Fig.3 Experimental values of cylinder pressure and heat release rate

由圖3(b)可知，隨著EGR率的升高，放熱率峰值降低,缸內(nèi)最大壓力也降低。這是因為，廢氣中存在大量的CO2和H2O等多原子分子，它們的加入導(dǎo)致進氣充量的熱容提高并且降低缸內(nèi)氧濃度，抑制燃料完全燃燒，放熱率峰值降低，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，缸內(nèi)爆發(fā)壓力下降。隨著EGR率的增大，這種效果越明顯。

圖4給出了不同噴油壓力下天然氣—柴油雙燃料發(fā)動機的折合熱效率(indicated thermal efficiency, ITE)，CA50和最大壓力升高率(maximum pressure rise rate, MPRR)隨EGR率變化的實驗數(shù)據(jù)以及不同曲軸轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的甲烷燃燒速率的計算結(jié)果。由圖可知，當(dāng)噴油壓力增加時，燃料的霧化效果較好，促進了柴油和天然氣—空氣混合氣的混合，加快CH4燃燒速率[圖4(d)]，提高燃燒效率，ITE上升。隨著EGR率的上升，ITE呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。這是因為，隨著EGR率的升高，柴油與天然氣/空氣混合氣的混合時間延長，混合氣所形成的預(yù)混比例較大，CA50靠近上止點[圖4(b)]，ITE上升；當(dāng)EGR率進一步提高時，降低進氣氧濃度，而且多原子分子具有更高的比熱容，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒惡化，CA50遠離上止點[圖4(b)]，ITE降低。

MPRR通常用來表示燃燒噪聲的強弱。由圖4(c)可知，MPRR隨著噴油壓力的升高而上升。這是由于噴油壓力越大，燃料霧化效果越好，能夠產(chǎn)生更多的均質(zhì)混合氣，預(yù)混燃燒比例增加，因此MPRR上升。當(dāng)EGR率上升時，MPRR呈現(xiàn)出先降低后升高再下降的趨勢。在小EGR率(0～10 %)工況下，滯燃期變化不大，燃燒主要受氧濃度影響，因此MPRR隨著EGR率的升高而下降。在中等EGR率時，滯燃期延長，混合氣的預(yù)混比例增加，CA50靠近上止點[圖4(b)]，使得MPRR上升；在大EGR率時，缸內(nèi)燃燒嚴重缺氧，導(dǎo)致燃燒惡化，MPRR下降。

(a) 折合熱效率

(b) CA50

(c) 最大壓力升高率

(d) 甲烷燃燒速率

圖4 不同噴油壓力下燃燒參數(shù)的變化
Fig.4 Change of combustion parameters under different injection pressures

3.2 噴油壓力和EGR率對天然氣/柴油雙燃料排放特性的影響

圖5給出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機在不同噴油壓力下，NOX，CO和CH4排放隨EGR率變化的實驗數(shù)據(jù)。由圖可知，噴油壓力上升，促進燃料的完全燃燒，缸內(nèi)燃燒溫度上升，導(dǎo)致NOX排放升高。EGR率上升，進入氣缸內(nèi)的廢氣增加，導(dǎo)致氧濃度降低，缸內(nèi)燃燒溫度降低，因此NOX排放減少。

(a) NOX

(b) CO

(c) CH4

由圖5(a)可知，當(dāng)EGR率較小時，提高噴油壓力，有助于柴油與天然氣的混合，提高燃燒速率，CA50靠前[圖4(b)]，缸內(nèi)溫度上升，從而增加NOX排放。隨著EGR率的增大，滯燃期延長，燃油與空氣得到了較為充分的混合，提高噴油壓力對混合過程的影響減弱。此外，從圖5(a)可以看出，EGR率對NOX排放的影響要大于噴油壓力。

提高噴油壓力，促進柴油與進氣充量的混合，CA50提前[圖4(b)]，缸內(nèi)燃燒溫度上升，促進CO和CH4氧化，因此CO和CH4排放隨著噴油壓力的上升而降低。隨著EGR率的增加，CO和CH4排放呈上升趨勢。這是因為，CO2和H2O等多原子分子具有較高的熱容，加入廢氣后，缸內(nèi)總熱容升高，燃燒速率下降，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度下降。因此EGR率的增加抑制了CO和CH4的氧化，導(dǎo)致CO和CH4排放上升[圖5(b)和圖5(c)]。

由圖5(b)可知，在EGR率為0～30 %的工況下，CO排放對噴油壓力不敏感。這是因為，在中小EGR率(0～30 %)時，氧含量高，CA50靠前[圖4(b)]，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進CO的氧化，CO排放量較低。在較大EGR率(30 %～40 %)時，缸內(nèi)廢氣較多，比熱容較大，而提高噴油壓力有利于促進燃油與進氣充量的混合，減少富油區(qū)的形成，讓更多的CO氧化，因此CO排放降低。

圖6給出了不同噴油壓力下，氣缸內(nèi)甲烷分布的仿真圖。提高噴油壓力，甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾覽圖4(d)]，有助于缸內(nèi)甲烷燃燒。但是，靠近氣缸壁面和狹隙區(qū)域的混合氣由于溫度低不能被點燃，這部分氣體在膨脹行程重新進入氣缸，然而此時缸內(nèi)溫度較低，不能將這部分可燃混合氣點燃，在排氣行程中隨廢氣一起排出氣缸。因此，噴油壓力上升，可促進氣缸中心的天然氣燃燒，殘留在氣缸壁面和狹隙區(qū)域中的甲烷成為未燃甲烷排放的主要來源。

4 結(jié)論

① 當(dāng)提高噴油壓力時，CO和CH4排放下降，而MPRR、BTE和NOX排放上升。當(dāng)EGR率增加時，CH4和CO呈現(xiàn)上升趨勢，NOX排放下降。BTE先上升后下降，而MPRR呈現(xiàn)先降低再升高最后下降的趨勢。

② 提高噴油壓力，氣缸內(nèi)湍動能增加，甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱兄趯飧變?nèi)的未燃甲烷重新點燃，消耗大部分的未燃甲烷。然而氣缸壁面溫度較低，不能將汽缸壁和狹隙中的天然氣氧化，因此壁面和狹隙區(qū)域的天然氣成為未燃甲烷的主要來源。在EGR率較小時，噴油壓力對CO和CH4排放影響較小。在大EGR率工況下，提高噴油壓力，CO和CH4排放顯著降低。

③ 當(dāng)噴油壓力為120 MPa和EGR率為20 %時，柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機可獲得較高的熱效率和較低的排放。