噴射策略對(duì)引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響綜述

王雨心 劉世通 李旭 張強(qiáng)

摘要：柴油引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱效率高而排放低的優(yōu)點(diǎn)，并且受爆震的影響小，可以采取較大的壓縮比。直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的早期研究在于工況點(diǎn)的性能比較和噴射參數(shù)的優(yōu)化上，近年來噴射策略成為了學(xué)者們的研究重點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)柴油和天然氣的噴射，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式，進(jìn)而改善燃燒，減少排放。本文在以前文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了噴射策略對(duì)引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響。

Abstract： Pilot ignited direct injection natural gas engine has the advantages of high thermal efficiency and low emission. And it is less affected by detonation and can take a larger compression ratio. The early research of direct injection natural gas engine lies in the performance comparison of operating point and the optimization of injection parameters. In recent years， the injection strategy has become the focus of scholars. By adjusting the injection of diesel and natural gas， the combustion mode of the engine can be changed to improve combustion and reduce emissions. Based on the previous literature， this paper summarizes the effects of injection strategy on combustion and emission of direct injection natural gas engine.

關(guān)鍵詞：柴油引燃;天然氣;噴射策略;燃燒;排放

Key words： pilot ignited;nature gas;injection strategy;combustion; emission

1? 緒論

內(nèi)燃機(jī)的排放對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生了許多危害，其中NOx是光化學(xué)煙霧形成的重要組成部分，也是酸雨的主要來源之一[1];PM是內(nèi)燃機(jī)排放入空氣中的微小顆粒物，危害人體健康降低大氣質(zhì)量。為了改善大氣環(huán)境，環(huán)境法規(guī)日益嚴(yán)格，專家們開始重視尋求更加清潔的能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油以達(dá)到降低排放的目的。

天然氣的主要成分為甲烷，C/H比值小，熱值高，以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在獲得和傳統(tǒng)柴油機(jī)相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性的同時(shí)，排放更低、經(jīng)濟(jì)性更好，因此天然氣作為傳統(tǒng)燃料的替代燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。但是天然氣自燃溫度比柴油高，在沒有外部的點(diǎn)火源或者缸內(nèi)高溫條件下，天然氣的點(diǎn)燃是個(gè)問題。

柴油引燃是解決天然氣點(diǎn)火困難的一種方法，但是傳統(tǒng)的火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)使用預(yù)混合天然氣進(jìn)行燃燒，受爆震的限制，導(dǎo)致熱效率下降而熱負(fù)荷增加。為了在使用天然氣的同時(shí)，能夠匹配柴油機(jī)的熱效率和動(dòng)力性，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)[2]提出了柴油引燃高壓直噴天然氣技術(shù)（HPDI），在上止點(diǎn)附近噴射少量引燃柴油（5-10%燃油能量），形成多點(diǎn)火核，隨后高壓噴射天然氣，非預(yù)混天然氣會(huì)被火核引燃，開始擴(kuò)散燃燒。研究發(fā)現(xiàn)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)不受爆震的限制，可以獲得與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性，同時(shí)NOx排放減少40%，PM排放減少65%。通過調(diào)節(jié)噴射參數(shù)靈活的改變?nèi)紵Ｊ?，還可以進(jìn)一步優(yōu)化整體性能，所以HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)是未來天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)可靠選擇。

2? 噴射策略

HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)的早期研究主要集中于擴(kuò)散燃燒模式下不同測點(diǎn)的性能比較和噴射參數(shù)的優(yōu)化方面，Douville[3]利用六缸兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行13工況點(diǎn)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)能夠得到與柴油機(jī)相似的動(dòng)力性，而所有工況點(diǎn)下的NOx和PM排放均有所下降，燃燒速率更加平緩，峰值溫度更低，所以最高溫度的降低可能是NOx排放下降的主要原因。McTaggart-Cowan[4]為了降低NOx排放，嘗試采用添加EGR和調(diào)節(jié)噴射參數(shù)的方法，結(jié)果表明可以采用推遲噴射時(shí)刻、降低噴射壓力和提高EGR率等方法降低NOx的排放，但是PM、CO和HC排放會(huì)相應(yīng)的增加;而在高EGR率下，縮短柴油/天然氣噴射間隔可以減緩EGR對(duì)PM和CO排放的負(fù)面影響。

近年來為了進(jìn)一步減少排放，學(xué)者們的研究重心逐漸轉(zhuǎn)到新的噴射策略上。Faghani[5]在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究中等轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下HPDI后噴策略對(duì)排放和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)后噴比例為15-20%，天然氣主-后噴射間隔為1.5-2.5ms時(shí)，PM排放可以降低80%，CH4排放減少25%，而NOx排放和油耗量只是略微增加，這些結(jié)果表明合適的主-后噴射間隔可以分開主、后噴射所引起的燃燒，使燃燒室內(nèi)的空氣得到充分利用，但噴射間隔過大時(shí)，兩次噴射的燃燒產(chǎn)物之間的相互作用將會(huì)減弱，后噴燃燒引起的溫升也不會(huì)促進(jìn)主燃燒階段產(chǎn)生的PM氧化。隨后Faghani[6]在之前的試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開研究，以燃油消耗量的增加<1%而PM下降最大為基準(zhǔn)，找到試驗(yàn)工況下的最優(yōu)后噴比例和噴射間隔，同時(shí)指出燃油主噴射量的減少是PM排放降低的主要原因。但是關(guān)于HPDI后噴策略的研究還有一些不足，試驗(yàn)僅在單缸機(jī)上進(jìn)行，研究結(jié)果的合理性還需要在渦輪增壓多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，而且PM排放減少的詳細(xì)原因也沒有給出合理的解釋。

Zoldak[7]為了減少峰值壓力升高率，實(shí)現(xiàn)NOx和PM的低排放，首次提出了DI-NG燃燒模式，其通過將柴油在壓縮沖程進(jìn)行分段噴射，兩次柴油噴射分別位于天然氣噴射前后，在避免過度預(yù)混合的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火源和活性反應(yīng)的梯度分布。模型計(jì)算結(jié)果表明在沒有引起缸內(nèi)壓力峰值和壓力升高率增大的情況下，PM和NOx的排放降低，但是HC和CO排放仍然很高，而且因?yàn)橐疾裼蛧娚浯螖?shù)增加，為了保證穩(wěn)定點(diǎn)火，引燃柴油比例不應(yīng)低于5%。

McTaggart-Cowan[8]為了減少高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的PM排放，提出了微預(yù)混燃燒（SPC）模式，并通過試驗(yàn)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明在給定的EGR率下，天然氣略微提前于柴油噴射，在降低30%PM排放的同時(shí)會(huì)伴隨著NOx和CH4排放的增加;而將SPC模式、降低引燃柴油量和優(yōu)化EGR率三種措施相互配合，卻能夠不以NOx為代價(jià)降低20-30%的PM排放，或者在NOx排放的增加小于25%條件下，降低40%的PM排放。Faghani[9]將SPC模式應(yīng)用于HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)，研究發(fā)現(xiàn)在合適的EGR率和EQR下，微預(yù)混燃燒能夠明顯降低PM排放，而NOx和CH4排放不會(huì)惡化;而且通過調(diào)節(jié)柴油/天然氣的噴射間隔、EGR率和EQR，可以找到最佳微預(yù)混燃燒工況點(diǎn)，此時(shí)PM排放下降90%，NOx和CH4排放只是略微增加。但是該燃燒模式的主要缺點(diǎn)就是引燃柴油和天然氣的相互作用，導(dǎo)致循環(huán)波動(dòng)和峰值壓力升高率很大，從而產(chǎn)生更高的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。

Munshi10]在直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了擴(kuò)散燃燒、部分預(yù)混合燃燒和均質(zhì)預(yù)混合燃燒三種燃燒模式的聯(lián)合使用，研究發(fā)現(xiàn)在怠速、低負(fù)荷工況下只有擴(kuò)散燃燒模式可以保證可靠的點(diǎn)火和穩(wěn)定的燃燒，但是該模式下NOx和PM排放很高;在25-50%負(fù)荷下均質(zhì)預(yù)混合燃燒匹配合適的EGR率，可以實(shí)現(xiàn)NOx和PM幾近零排放，且熱效率獲得較大的提高，但是缸內(nèi)峰值壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)爆震是限制該燃燒模式高負(fù)荷運(yùn)行的重要因素，同時(shí)CO和CH4排放問題仍沒有得到有效解決;部分預(yù)混合燃燒是均質(zhì)預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒的折中模式，不僅削弱了缸內(nèi)峰值壓力和爆震的影響，還拓展了負(fù)荷的運(yùn)行范圍，在高負(fù)荷下NOx排放很低而熱效率可以超過40%，但是PM排放較高是該燃燒模式的一大缺點(diǎn)，可能是預(yù)混比例和噴射時(shí)刻不合適的原因。與Munshi的研究不同的是，Li[11]的數(shù)值模擬把研究重點(diǎn)放在了部分預(yù)混合燃燒模式的噴射參數(shù)研究上，如圖1-圖3所示，模擬發(fā)現(xiàn)提高天然氣預(yù)噴射比例可以減少soot和CO排放，并且提高指示熱效率，但是NOx排放會(huì)增加;而天然氣預(yù)噴射時(shí)間對(duì)熱效率的影響在不同預(yù)噴射比例下卻是不同的，這應(yīng)該是天然氣的噴束特性和缸內(nèi)流場相互作用的結(jié)果;通過協(xié)調(diào)天然氣預(yù)噴射比例、預(yù)噴射時(shí)刻和EGR率，可以在NOx排放和熱效率不惡化的基礎(chǔ)上明顯降低Soot和CO的排放。

3? 總結(jié)

①主后噴射方式通過將少量柴油進(jìn)行二次噴射，減少燃燒時(shí)混合氣的局部濃度和燃燒強(qiáng)度，從而降低PM的排放，并且實(shí)現(xiàn)NOx的有效控制。

②微量預(yù)混合噴射通過天然氣的略微提前噴射，形成少量的預(yù)混合氣，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放。研究表明該噴射策略以NOx為代價(jià)降低PM排放，但是NOx的惡化可以通過添加EGR進(jìn)行調(diào)節(jié)。

③DI-NG噴射和部分預(yù)混合噴射都是通過天然氣提前噴射的方式，形成小部分的預(yù)混合天然氣，從而減小天然氣的擴(kuò)散時(shí)間，增加燃燒速度。

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