早噴耦合EGR 率對雙燃料發(fā)動機性能的影響

張光德，謝昆鵬，雷 鵬，彭春萌

（武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430065）

1 引言

反應(yīng)活性控制壓燃（RCCI）在克服均質(zhì)壓燃（HCCI）著火時刻和燃燒反應(yīng)速率難以控制及運行工況狹窄的難題[1]上具有顯著優(yōu)勢。柴油-天然氣雙燃料是繼柴油-汽油、柴油-甲醇、二甲醚-甲醇后實現(xiàn)RCCI 燃燒又一理想燃料組合。對現(xiàn)有柴油機進行稍微改造[2]，運用柴油（高活性燃料）和天然氣（低活性燃料）的活性差異，雙燃料RCCI 與純柴油相比可在柴油機上獲得較好的經(jīng)濟性與排放性[3]。

但是，柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機RCCI 燃燒也面臨著兩方面的困難：在較高負荷下對進氣參數(shù)有顯著的敏感性而不能平穩(wěn)運行（爆震）；在低負荷下由于燃料自身性質(zhì)而引起較高的點火延遲，導(dǎo)致燃燒效率、熱效率降低和HC、CO 排放較高[4]。這些不利因素限制了柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機實用化，因此擴展其工況成為國內(nèi)外學者的研究熱點之一[5-8]。研究表明，柴油的噴油策略和EGR 率控制策略等技術(shù)在中高負荷下對燃燒與排放的影響顯著，合理的組合可使動力性與經(jīng)濟性得到改善。

為了改善低負荷工況下柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機燃燒狀況，本著節(jié)約不可再生資源并充分發(fā)掘雙燃料燃燒潛力的原則，柴油早噴耦合EGR 率的研究策略孕育而生。針對柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機在低負荷工況下燃燒不穩(wěn)定、熱效率低和HC、CO 的排放升高等難題，運用數(shù)值模擬的方法，研究了柴油早噴耦合EGR 率對該工況下發(fā)動機性能的影響，期望擴寬其運行工況，并為柴油-天然氣雙燃料RCCI 發(fā)動機的實用化提供技術(shù)支持。

2 模型建立與驗證

2.1 計算模型的建立

研究所用發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。根據(jù)發(fā)動機的參數(shù)，利用三維作圖軟件CATIA 得出氣缸的幾何模型?？紤]到原發(fā)動機柴油的噴射采用的是6 孔噴油器，燃燒室為中心對稱的ω 型，并且為了提高計算效率，將氣缸簡化為角度為60°的1/6 扇形氣缸模型，如圖1 所示。

表1 發(fā)動機參數(shù)Tab.1 Engine Parameters

圖1 上止點時的氣缸模型與自適應(yīng)網(wǎng)格剖面圖Fig.1 Cylinder Model and Adaptive Mesh Refinement at Top Dead Center

柴油-天然氣雙燃料RCCI 的數(shù)值模擬是在發(fā)動機仿真專用CFD 軟件CONVERGE 上進行的。天然氣因采用進氣道噴射而在進氣門關(guān)閉的時候被認為是與空氣均勻混合和汽化，柴油采用缸內(nèi)直噴的方式其噴射過程使用標準的DDM（液滴離散模型）來模擬。液滴破碎模型及液滴碰撞模型分別選用的是KH-RT 模型和NTC 碰撞模型，湍流模型選用的是RNG K-ε 湍流模型，燃燒模型選用的是詳細的化學求解器SAGE。在對雙燃料的數(shù)值計算過程中，使用正庚烷（C7H16）和甲烷（CH4）來分別代替柴油與天然氣，模擬使用的柴油-天然氣雙燃料RCCI 反應(yīng)機理包含有76 種組分和464 個基元反應(yīng)[9]。

2.2 模型的驗證

模型驗證時的具體工況參數(shù)，如表2 所示。仿真的起始時刻分別定在進氣門的關(guān)閉時刻和排氣門的開啟時刻。1/6 氣缸計算模型的活塞、氣缸蓋和氣缸壁邊界條件分別設(shè)為550K、525K 和450K[10]。

EGR 率[7]定義為：

式中：mEGR—廢氣質(zhì)量；mi—總進氣質(zhì)量（新鮮空氣質(zhì)量+廢氣質(zhì)量+進氣道噴射的燃料質(zhì)量）。

表2 模型驗證的工況參數(shù)Tab.2 Working Condition Parameters of Model Verification

為驗證模型的可靠性，將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比并得出驗證結(jié)果圖，如圖2 所示。缸壓曲線在壓縮行程和做功行程等方面擬合度較高且最大誤差在5%以內(nèi)，放熱率曲線在放熱始點和曲線形狀上也吻合的較好。由于所建立的模型是簡化的氣缸模型，并且EGR 模型采用的是廢氣中只含N2、H2O 和CO2的簡化模型，使得計算結(jié)果存在一定的偏差。總體看來，模型的建立和邊界條件的設(shè)置是合理的，滿足模擬研究的要求。

圖2 模型驗證結(jié)果Fig.2 Model Verification Results

3 結(jié)果與討論

3.1 柴油早噴對燃燒和排放的影響

柴油的早噴可以提高柴油在氣缸內(nèi)混合質(zhì)量，有利于雙燃料的燃燒和排放。在低速低負荷工況下，將柴油的噴射方式改為單次早噴，保持EGR 率為5%，選用靠近原第一次噴油時刻的-45℃A ATDC、-55℃A ATDC 和-65℃A ATDC 三組噴油定時（SOI）進行對比研究。

不同噴油時刻下的缸壓和放熱率變化曲線，如圖3 所示。由圖3 可知，噴油時刻為-55℃A ATDC 時，缸內(nèi)壓力升高率大于其它兩組，缸壓和放熱率曲線的相位明顯提前，但缸壓峰值和放熱峰值的變化不大。三者的放熱率曲線在-22℃A ATDC 左右時都會出現(xiàn)一段較小的放熱波峰（焰前反應(yīng)所致），隨著噴油定時的提前，放熱率主峰從類單峰狀過度到單峰狀。當柴油噴油時刻的提前，柴油與缸內(nèi)預(yù)混天然氣的混合質(zhì)量提高，柴油的預(yù)混壓燃和柴油引燃預(yù)混天然氣之間燃燒時間間隔縮短，或者認為是無間隔燃燒，這樣使得放熱率曲線呈現(xiàn)前移地單峰狀，較為集中地放熱又會導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力升高率的增大。但由于低負荷工況下柴油的油量自身較少，過早地噴射會因柴油過度混合而使缸內(nèi)當量比降低，滯燃期增加，燃燒相位又會推遲。

圖3 不同噴油時刻下的缸壓和放熱率曲線Fig.3 Cylinder Pressure and Heat Release Rate Curves at Different Injection Timing

不同噴油時刻對IMEP、指示熱效率及燃燒效率的影響，如圖4 所示。圖4 表明，隨著柴油的早噴，IMEP、指示熱效率及燃燒效率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。早噴定在-55℃A ATDC 時，IMEP、指示熱效率及燃燒效率比在-45℃A ATDC 時分別降低了17.2%、17.2%和15.7%。這是因為前者的燃燒相位過于提前，導(dǎo)致燃燒效率下降，指示熱效率和IMEP 也隨之降低。當噴油提前角改為-65℃A ATDC 時燃燒相位適當推遲，動力性和經(jīng)濟性又有所恢復(fù)。

圖4 噴油時刻對IMEP、指示熱效率及燃燒效率的影響Fig.4 Effect of Injection Timing on IMEP，Indicated Thermal Efficiency and Combustion Efficiency

噴油時刻對NOX、Soot、HC 及CO 排放的影響規(guī)律，如圖5所示。由5（a）可知，NOX的排放隨柴油的早噴經(jīng)歷了先增加后減小的變化趨勢，而Soot 的排放則一直降低。由于燃燒相位過于提前，達到NOX的生成溫度提前到來且燃燒持續(xù)時間長，產(chǎn)生較高的NOX排放；而過早噴射會使燃燒相位推遲后，燃油混合質(zhì)量的提高減少局部高溫區(qū)的產(chǎn)生，NOX生成量減少。Soot 的排放隨噴油時刻的提前而減少了49%，主要是由低負荷下柴油量較小且早噴減少缸內(nèi)燃料過濃所致。圖5（b）表明，HC、CO 的排放隨早噴的提前先增加后減少，最終總體排放量有小幅度增加。其主要原因是在-55℃A ATDC 時燃燒相位過于前移，燃燒效率下降，HC、CO的排放增加；在-65℃A ATDC 時的燃燒狀況相對-55℃A ATDC時較好，導(dǎo)致HC、CO 的排放又開始減少。

圖5 噴油時刻對 NOX、Soot、HC 及 CO 排放的影響Fig.5 Effect of Injection Timing on NOX，Soot，HC and CO Emissions

3.2 EGR 對燃燒和排放的影響

為探究早噴時EGR 對低負荷工況下柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機RCCI 燃燒和排放的影響，固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速為800r/min，柴油噴油時刻為-65℃A ATDC，改變EGR 率分別為0、10%、20%和30%進行仿真對比研究。早噴策略下不同EGR 率對缸壓和放熱率的影響規(guī)律，如圖6 所示。可以看出，隨著EGR 率的增加，燃燒相位逐漸推遲，缸壓峰值和和放熱率峰值降低，放熱率主峰呈現(xiàn)單峰狀。EGR 引入量越大，缸內(nèi)氧濃度與燃燒時溫度下降程度越大，焰前反應(yīng)和主反應(yīng)的放熱量降低且燃燒相位后移。在柴油早噴下，雙燃料的混合質(zhì)量得到提高，使其燃燒出現(xiàn)近似單燃料均質(zhì)壓燃特性。增大EGR 率可明顯降低壓力升高率，但同時抑制燃燒，進而使得IMEP、燃燒效率和指示熱效率均呈現(xiàn)下降的變化趨勢，如圖7 所示。廢氣量從0 增至30%，IMEP、燃燒效率和指示熱效率分別下降了38.8%、36.9%和38.8%。

圖6 不同EGR 率下的缸壓和放熱率曲線Fig.6 Cylinder Pressure and Heat Release Rate Curves at Different EGR Rates

圖7 EGR 率對IMEP、指示熱效率及燃燒效率的影響Fig.7 Effect of EGR Rate on IMEP，Indicated Thermal Efficiency and Combustion Efficiency

早噴方式下不同 EGR 率對 NOX、Soot、HC 及 CO 排放的影響，如圖8 所示。圖8 表明，使用EGR 技術(shù)可有效降低NOX的排放，但Soot、HC 及CO 的排放會出現(xiàn)不同的速率的上升趨勢。其中，NOX下降了 95.4%，Soot、HC、CO 和分別增加了 100.7%、339.9%和267.9%。引入大量的廢氣，降低缸內(nèi)燃燒時的溫度和氧氣，NOX的生成環(huán)境遭到抑制，使其排放量急劇降低。盡管燃燒時溫度較低，但Soot 的排放量卻增幅較大，說明缺氧的影響在Soot 的生成中占主要因素。天然氣的燃燒速度本身較慢且在溫度的較低時進一步減緩，在氧濃度不足的情況下使得一部分天然氣燃燒不充分，甚至有一部分未經(jīng)燃燒直接排出缸外，從而加劇了HC 和CO的排放。綜合考慮四種污染物的排放量，發(fā)現(xiàn)在EGR 率在8%左右排放效果最優(yōu)，同時，這一點的動力性和經(jīng)濟性犧牲較少。

圖8 EGR 率對 NOX、Soot、HC 及 CO 排放的影響Fig.8 Effect of EGR Rate on NOX，Soot，HC and CO Emissions

4 結(jié)論

（1）低負荷工況下柴油-天然氣雙燃料RCCI 的燃燒相位并不隨著柴油噴油時刻的提前而一直提前，過早噴射會因缸內(nèi)當量比降低而使燃燒相位推遲。低負荷小EGR 率下，柴油噴油時刻為-65℃A ATDC 時，燃燒相位適宜，較高質(zhì)量的混合氣燃燒減少局部高溫的產(chǎn)生，NOX、Soot 的排放最優(yōu)，HC 及 CO 排放水平較低，燃燒效率、指示熱效率與平均指示壓力略有下降。

（2）引入EGR 會降低燃燒時的溫度和氧濃度，燃燒相位逐漸推遲，燃燒效率、指示熱效率及平均指示壓力最大下降程度均超過了35%。另外，NOX的排放大幅減少而Soot、HC 及CO 排放卻成倍增加。在低負荷早噴的情況下，EGR 率為8%時，總體排放效果最優(yōu)。

（3）柴油早噴和EGR 技術(shù)，可明顯改善NOX的排放，其適當?shù)慕M合亦可降低Soot 的排放，但在改善HC 及CO 的排放方面效果甚微。二者對減小壓力升高率有利，卻犧牲了部分動力性和經(jīng)濟性。