柴油機(jī)進(jìn)氣摻混低濃度甲烷模擬研究

魏 濤，郭建軍，鄔斌揚(yáng)，蘇萬華

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 概述

礦井下空氣中存在著0.10%～0.75%體積濃度的甲烷氣體，當(dāng)甲烷體積濃度達(dá)到1.00%時，發(fā)動機(jī)會報警并熄火[1]。礦用柴油機(jī)在礦井下工作時難以避免吸入甲烷氣體，這可能會對柴油機(jī)的性能產(chǎn)生影響。學(xué)界對柴油機(jī)摻混甲烷燃燒的研究開始較早。文獻(xiàn)[2]在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，甲烷的加入推遲了柴油的著火。文獻(xiàn)[3]中指出羥基對甲烷/正庚烷混合燃料的著火起著重要作用，甲烷分子與正庚烷分子對OH自由基的爭奪是著火推遲的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[4]中以甲烷-正庚烷作為天然氣-柴油的替代物模型燃料進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)甲烷含量變化時，其重要自由基濃度和基元反應(yīng)的反應(yīng)速率也會隨之發(fā)生非線性變化。文獻(xiàn)[5]中對甲烷-正庚烷混合模型燃料的著火特性進(jìn)行了研究，其研究表明，當(dāng)甲烷有火時刻溫度小于900 K時甲烷的摻入對正庚烷燃燒有抑制作用，當(dāng)甲烷著火時刻溫度大于1 000 K時抑制作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用。

目前，大量對甲烷摻混的研究是基于柴油引燃天然氣的發(fā)動機(jī)燃燒方面，即柴油噴射量很小而天然氣摻混比例大，對于純柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣摻混小濃度甲烷的研究非常少。發(fā)動機(jī)在礦井下工作時，進(jìn)氣摻混小濃度甲烷對發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響還需要進(jìn)行研究和探討?；诖耍x取濰柴WP10柴油機(jī)為模擬對象，研究柴油機(jī)在高負(fù)荷工況點(diǎn)下，進(jìn)氣摻混0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%(體積分?jǐn)?shù))的甲烷氣體對發(fā)動機(jī)燃燒特性與排放特性的影響。本研究結(jié)果對評估發(fā)動機(jī)在礦井下工作時的性能及排放水平提供了一定的理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 仿真平臺的建立

1.1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

研究中以濰柴WP10柴油機(jī)為原型，完成發(fā)動機(jī)進(jìn)氣摻混甲烷的缸內(nèi)燃燒過程的相關(guān)數(shù)值模擬。發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。本文中用曲軸轉(zhuǎn)角正值表示上止點(diǎn)后，負(fù)值表示上止點(diǎn)前，并將曲軸轉(zhuǎn)角作為數(shù)值模擬的時間步長。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在幾何模型建立中，利用原機(jī)燃燒室繪制三維幾何模型。燃燒室模型及網(wǎng)格示意圖如圖1所示。由于燃燒室旋轉(zhuǎn)對稱且噴孔為均布的8孔，所以在幾何建模中只繪制了1/8的燃燒室以保證計(jì)算效率。模型的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為4 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，最大網(wǎng)格數(shù)約200 000。

圖1 模型建立

1.2 初始條件

在CONVERGE軟件中對初始條件進(jìn)行設(shè)置，以便對燃燒室中噴霧、混合、流體流動及燃燒等過程進(jìn)行數(shù)值模擬。仿真計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻-150°開始，到排氣門開啟時刻126°結(jié)束。進(jìn)氣門關(guān)閉時刻的溫度Tin=335 K，進(jìn)氣壓力pin=0.27 MPa。

1.3 燃燒邊界條件

一般來講，燃燒邊界條件的設(shè)置指的是溫度邊界與速度邊界相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。在缸內(nèi)的整個燃燒過程中，溫度邊界通常定義為恒溫邊界條件，主要包括缸壁、缸蓋底部及活塞頂部的邊界溫度，本研究中依次取值為430 K、520 K、550 K。對速度邊界條件一般定義為：缸壁及缸蓋在整個過程中是靜止的，因此二者速度均取0?；钊敳康囊苿铀俣榷x為活塞速度。

1.4 燃燒模型

柴油是一種混合物，反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，目前尚無描述柴油燃燒的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理。柴油的化學(xué)性質(zhì)與正庚烷十分類似，因此在燃燒模型中通常用正庚烷作為替代燃料模擬柴油的燃燒特性[6]。本文化學(xué)反應(yīng)機(jī)理沿用了文獻(xiàn)[7]中提出的簡化化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理，其中涵蓋了近150個相關(guān)反應(yīng)及45種參與燃燒反應(yīng)的物質(zhì)。大量模擬試驗(yàn)表明，使用SAGE求解器來模擬計(jì)算具有極佳的擬合效果[7]。

1.5 子模型選取

對仿真模型湍流、噴霧、燃燒、排放等建模過程分別選擇了表2中的子模塊。

表2 CFD數(shù)值模擬子模型選取

1.6 模型有效性驗(yàn)證

選取80%負(fù)荷、轉(zhuǎn)速為1 200 r/min作為模擬工況，對模擬所用模型進(jìn)行標(biāo)定。

圖2為計(jì)算的缸內(nèi)壓力和放熱率與試驗(yàn)值的對比。由圖2可知，模擬的燃燒過程和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖2 壓力、放熱率曲線模擬值與試驗(yàn)值對比

2 不同濃度甲烷對燃燒特性的影響

表3為模擬進(jìn)氣摻混0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%(體積分?jǐn)?shù))的甲烷氣體下的工況點(diǎn)參數(shù)。進(jìn)氣壓力為0.27 MPa，噴油壓力為180 MPa，循環(huán)噴油量為160 mg，噴油定時為-2°。

表3 進(jìn)氣摻混甲烷模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 柴油機(jī)摻混甲烷燃燒模擬結(jié)果

圖3為不同甲烷摻混濃度對發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響。進(jìn)氣摻混甲烷后，缸內(nèi)的最大燃燒壓力、放熱率峰值、最高燃燒溫度上升，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)提升至1.00%，缸內(nèi)最大燃燒壓力從16.05 MPa升高至16.46 MPa，放熱率峰值升高9.1%，缸內(nèi)最高溫度從1 737 K升高至1 771 K。這說明在甲烷著火時刻溫度大于1 000 K的條件下，進(jìn)氣摻混甲烷會增強(qiáng)缸內(nèi)的燃燒，使缸內(nèi)燃燒更劇烈。

圖3 不同甲烷摻混體積分?jǐn)?shù)對發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響

滯燃期是描述著火過程的重要參數(shù)，對整個燃燒過程有很大的影響。定義滯燃期的方法有很多，本文中采取的滯燃期定義為:從噴油時刻開始達(dá)到燃料10%累積放熱量時曲軸轉(zhuǎn)過的角度。圖4為摻混不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷對滯燃期的影響。

圖4 不同甲烷摻混體積分?jǐn)?shù)對滯燃期的影響

進(jìn)氣摻混甲烷后，滯燃期開始縮短，從7.35°縮短至7.07°。從缸壓曲線和放熱率曲線看，進(jìn)氣摻混不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷后，缸壓曲線脫離壓縮曲線的位置基本一致，即著火始點(diǎn)基本一致。但進(jìn)氣混入甲烷后，因甲烷與空氣的預(yù)混合程度高于柴油，引燃后導(dǎo)致放熱率曲線斜率增加，更早達(dá)到10%累積放熱量，滯燃期略有縮短。

2.2 柴油機(jī)摻混甲烷燃燒結(jié)果分析

進(jìn)氣摻混甲烷對缸內(nèi)燃燒的影響有甲烷的加入和氧濃度的減小兩方面因素。氧濃度的減小會使混合氣中氧的絕對含量降低，不利于缸內(nèi)燃燒。從結(jié)果來看，甲烷對燃燒的促進(jìn)作用占了主導(dǎo)。為了進(jìn)一步分析甲烷對缸內(nèi)燃燒特性的影響，需要結(jié)合正庚烷與甲烷的反應(yīng)路徑進(jìn)行詳細(xì)說明。正庚烷的燃燒過程如圖5[8]所示。

圖5 正庚烷反應(yīng)路徑

燃燒過程可分為3個階段：首先，正庚烷(C7H16)發(fā)生脫氫反應(yīng)產(chǎn)生H和OH基團(tuán)，生成C7H15的同分異構(gòu)體；然后，碳?xì)浠衔镏虚g產(chǎn)物發(fā)生裂解反應(yīng)，通過一步或多步反應(yīng)裂解生成乙烯(C2H4)；最后，C2H4與燃燒開始時產(chǎn)生的O和OH基團(tuán)相結(jié)合發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成CO2和H2O。由整體的反應(yīng)路徑圖可以發(fā)現(xiàn)，在正庚烷燃燒過程中，正庚烷的脫氫反應(yīng)是整個反應(yīng)的起始和關(guān)鍵步驟，C2H4的裂解和氧化反應(yīng)是整個反應(yīng)的核心步驟，而OH是這兩個關(guān)鍵步驟反應(yīng)的核心基團(tuán)，OH含量越高，燃燒反應(yīng)越劇烈[9-10]。

甲烷與正庚烷反應(yīng)路徑如圖6所示[8]。

圖6 甲烷與正庚烷反應(yīng)路徑

從反應(yīng)路徑可以看到甲烷的主要脫氫反應(yīng)為：

(1)

該反應(yīng)消耗了正庚烷與甲烷自由基池中的OH自由基，生成的甲基(CH3)主要與超氧化氫(HO2)自由基發(fā)生鏈傳遞反應(yīng):

(2)

該反應(yīng)向自由基池中貢獻(xiàn)了OH自由基，但是文獻(xiàn)[11]研究結(jié)果表明，只有小部分的CH3自由基來源于甲烷脫氫，因而該反應(yīng)所貢獻(xiàn)的OH自由基中只有很少一部分來自甲烷的氧化。甲氧基(CH3O)隨后繼續(xù)脫氫直至生成CO，該過程中生成了大量的HO2自由基。生成的HO2自由基小部分參與CH3自由基與HO2自由基的鏈傳遞反應(yīng)，并貢獻(xiàn)OH自由基，大部分的HO2自由基相互結(jié)合生成過氧化氫(H2O2)：

(3)

在溫度較低(小于900 K)的條件下，H2O2是非常穩(wěn)定的，只有極少量的H2O2會分解產(chǎn)生OH自由基。在高溫(大于1 000 K)條件下，H2O2很容易分解產(chǎn)生大量OH自由基[5]。

在初始溫度較低(小于900 K)的條件下，甲烷脫氫反應(yīng)消耗的OH自由基比甲烷氧化反應(yīng)產(chǎn)生的OH自由基多，而OH自由基是正庚烷燃燒所需要的重要自由基，因此OH基團(tuán)的減少往往會降低系統(tǒng)活性，從而抑制正庚烷的燃燒。在初始溫度較高(大于1 000 K)的條件下，H2O2分解產(chǎn)生了大量的OH自由基，此時甲烷氧化反應(yīng)產(chǎn)生的OH自由基要多于甲烷脫氫反應(yīng)消耗的OH自由基。OH自由基的增多會增加系統(tǒng)活性，從抑制正庚烷的燃燒變?yōu)榇龠M(jìn)正庚烷的燃燒。

圖7給出了不同甲烷摻混體積分?jǐn)?shù)的燃料燃燒時OH基團(tuán)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。

圖7 不同甲烷摻混體積分?jǐn)?shù)下的OH質(zhì)量變化曲線

甲烷的加入增加了自由基池中的OH基團(tuán)，這是因?yàn)樵趪娪蜁r刻缸內(nèi)的溫度超過1 000 K，在高溫(大于1 000 K)條件下，甲烷產(chǎn)生的H2O2基團(tuán)分解出了大量的OH自由基。這會促進(jìn)正庚烷的燃燒，使得燃燒相位提前，正庚烷的燃燒過程更加劇烈，從而使缸內(nèi)最大燃燒壓力、最大燃燒溫度和放熱率峰值增大，滯燃期縮短。

3 不同甲烷摻混體積比對排放的影響

3.1 NOx排放

影響NOx生成的主要因素是缸內(nèi)溫度和氧含量。在NOx生成物中，NO占比較大，NO2占比較小。NO有3種不同的生成類型：高溫NO、激發(fā)NO、燃料NO。在NO生成總量中，高溫NO占絕大多數(shù)[12]。高溫NO生成路徑為在高溫條件下，氧分子O2熱解為氧原子O，氧原子O與N2和氮原子N發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成NO，反應(yīng)公式如下：

(4)

(5)

(6)

圖8為甲烷摻混體積比對NOx排放的影響。隨著甲烷濃度的上升，NOx排放呈現(xiàn)上升的趨勢，從10.55 g/(kW·h)提升至11.36 g/(kW·h)。這是因?yàn)檫M(jìn)氣摻混甲烷后，缸內(nèi)燃燒溫度與燃燒壓力升高，這為NOx生成提供了有利環(huán)境。另一方面，甲烷脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的HO2會相互結(jié)合生成H2O2和O2，結(jié)合高溫NO的生成路徑來看，此過程貢獻(xiàn)的O2有利于NOx的生成。

圖8 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下的NOx排放

3.2 碳煙排放

碳煙是柴油機(jī)顆粒物排放中占比最多的成分，碳煙的生成原因是缸內(nèi)混合氣不均勻存在缺氧的情況，燃料在高溫高壓下不完全燃燒。圖9為甲烷體積分?jǐn)?shù)對碳煙排放的影響。

圖9 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下的碳煙排放

如圖9所示，隨著甲烷體積濃度提升，碳煙排放呈下降趨勢，從1.210 mg/(kW·h)下降至0.785 mg/(kW·h)。這是因?yàn)榧淄榈募尤胧筄H自由基增多，在碳煙的氧化過程中，OH自由基是非常重要的基團(tuán)。在燃料豐富的高當(dāng)量比條件下，OH是主導(dǎo)碳煙氧化的最重要的因素，而在燃料稀薄條件下，OH和O都會使碳煙氧化[13]。在所有OH與碳煙的碰撞中，約有10%～20%的OH可以有效地氧化碳煙[14]。另一方面，甲烷脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的HO2相互結(jié)合生成了O2，這也為碳煙的氧化提供了有利條件。

3.3 CO排放

CO是不完全燃燒的產(chǎn)物，由于燃料和空氣混合的時間較短，且沒有充足的時間讓燃料完成氧化過程，因此在排放中會有CO等不完全燃燒產(chǎn)物。圖10為不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下的CO排放變化曲線。

圖10 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下的CO排放變化曲線

由圖10可知，在進(jìn)氣沒有摻混甲烷時，CO排放很少，只有0.12 g/(kW·h)。加入甲烷后CO排放上升明顯，并且甲烷體積分?jǐn)?shù)越高，CO排放越高。主要原因是進(jìn)氣摻混甲烷后，甲烷不完全燃燒；另外缸內(nèi)C原子增多，O原子減少，碳氧比增加。這兩方面因素導(dǎo)致了CO增多。

4 結(jié)論

(1) 對數(shù)值模擬中的初始條件及燃燒邊界條件進(jìn)行設(shè)定，從缸壓、放熱率曲線的標(biāo)定結(jié)果可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的吻合程度。

(2) 在甲烷的著火時刻溫度大于1 000 K的條件下，進(jìn)氣摻混甲烷對柴油機(jī)燃燒起促進(jìn)作用。隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的提高，滯燃期縮短，缸內(nèi)最大燃燒壓力、放熱率峰值、最高燃燒溫度升高，NOx排放升高，碳煙排放下降。