噴射器位置對天然氣發(fā)動機燃燒特性的影響

芮璐，王謙

（212013 江蘇省 鎮(zhèn)江市 江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院）

0 引言

面對日益嚴(yán)峻的能源危機與環(huán)境污染問題，柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機因其良好的動力性和經(jīng)濟性，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[1]。20世紀(jì)末，Philip 教授[2]首次提出柴油微引燃天然氣缸內(nèi)高壓直噴（High Pressure Direct Injection,HPDI）技術(shù)。在上止點前噴入少量柴油，柴油壓燃后形成的多點著火區(qū)引燃，隨后噴入缸內(nèi)的高壓天然氣，天然氣以擴散燃燒為主；Douville[3]等研究發(fā)現(xiàn)，采用天然氣缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)能夠在保持原柴油機動力性能的同時降低CO2和NOx排放；Kalam[4]等通過試驗發(fā)現(xiàn)，直噴天然氣發(fā)動機輸出功率略低于汽油機，但明顯高于傳統(tǒng)雙燃料發(fā)動機，且HC 和CO 均降低。HPDI 技術(shù)的實現(xiàn)主要依靠一種特殊的雙燃料同軸噴射器，該噴射器由加拿大西港公司研發(fā)而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，控制難度大，且由于國外技術(shù)封鎖，也在一定程度上限制了我國天然氣直噴技術(shù)的發(fā)展。德國MAN公司在ME-GI 系列二沖程雙燃料發(fā)動機上新增燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)（GI-ECS），經(jīng)由燃?xì)鈬娚溟y將高壓燃?xì)庵苯訃娙霘飧?，得到了良好的發(fā)動機動力性能和排放性能[5]；范新雨[6]采用缸蓋中心布置柴油噴射器，周向上布置4 個天然氣噴射器，設(shè)計并探究了2 種不同噴射器布置方式下缸內(nèi)燃燒過程；Bj?rn Henke[7]在一臺中速四沖程船用天然氣發(fā)動機上研究了中置噴油器和偏置噴油器對不同負(fù)荷下發(fā)動機性能的影響。由此可見，對于大缸徑發(fā)動機在缸蓋上分散布置噴射器是實現(xiàn)雙燃料高壓直噴的另一有效手段，噴射器位置影響混合氣形成和火焰發(fā)展，合理的噴射器布局對于改善缸內(nèi)燃燒特性具有重要意義。

本文研究中，柴油、天然氣分別通過缸蓋上布置的4 個獨立噴射器實現(xiàn)缸內(nèi)高壓直噴，基于三維仿真軟件探究雙燃料噴射器相對位置對發(fā)動機燃燒及排放性能的影響。

1 模型建立及驗證

1.1 計算模型

研究所用雙燃料發(fā)動機由一臺直列五缸增壓水冷柴油機開發(fā)而成，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine technical parameters

噴射器布置如圖1 所示。圖1（a）和（b）分別展示了左右對稱和中心對稱方案下雙燃料噴射器的分布情況，并通過改變d 的值（25，35，45，55，65 mm），探究兩種布置方案下噴射器距離對發(fā)動機性能的影響。兩種燃料在同一豎直面內(nèi)相對噴射，且均與缸蓋所在平面成30°夾角，如圖1（c）所示。

本文選取75%負(fù)載工況探究缸內(nèi)燃燒及排放特性，參考不同柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機噴射參數(shù)[6-7]確定燃料噴射策略，如表2 所示。

表2 燃料噴射策略Tab.2 Fuel injection strategy

圖1 噴射器布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of injector arrangement

本文借助CONVERGE 軟件開展數(shù)值模擬工作，計算從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻至排氣門開啟時刻，模擬缸內(nèi)雙燃料噴射、混合、燃燒過程。計算中選用的物理模型如表3 所示，采用SAGE 詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)求解器直接耦合CFD 模擬湍流燃燒，燃燒反應(yīng)機理[8]包含76 個組分，464 個反應(yīng)。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終確定基礎(chǔ)網(wǎng)格為4 mm，根據(jù)溫度、速度、濃度梯度進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格加密，并對燃料噴射過程進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。

表3 計算所用物理模型Tab.3 Physical model used in the calculation

1.2 模型驗證

目前還沒有該噴射系統(tǒng)在雙燃料發(fā)動機上的應(yīng)用，本文基于不列顛哥倫比亞大學(xué)柴油/天然氣同軸噴射試驗數(shù)據(jù)[9]驗證計算模型，工況如表4 所示，驗證結(jié)果如圖2、圖3 所示。

通過試驗與仿真結(jié)果對比可以看出，缸壓及放熱率曲線吻合較好，排放模型預(yù)測誤差（小于18%）在可接受范圍內(nèi)，因此所選模型可信度高，可用于進(jìn)一步研究工作。

表4 驗證工況Tab.4 Verified condition

圖2 缸壓和放熱率結(jié)果對比Fig.2 Comparison of pressure and heat release rate

圖3 NOX 和soot 排放對比Fig.3 Comparison of NOX and soot emission

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒特性

圖4 展示了-11°CA ATDC 時刻不同噴射器距離下的溫度分布，切片為過油束軸線并垂直于活塞頂面的平面。從圖中可以看出，噴射器距離直接影響柴油對天然氣的引燃方式。當(dāng)d=45 mm時，天然氣射流穿過柴油著火區(qū)，隨后柴油火焰從射流四周引燃天然氣。隨著距離的增大（d=55 mm）或減?。╠=35 mm），柴油火焰偏移到射流一側(cè)，并從上方或下方邊緣開始引燃天然氣。當(dāng)距離進(jìn)一步增大時，射流逐漸遠(yuǎn)離柴油著火區(qū)。

觀察放熱率曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩種布置方案下，放熱率隨噴射器距離變化趨勢相同，燃料燃燒過程大致可分為3 個階段：第1 階段為柴油自燃放熱，由于噴油量很少（柴油能量占比約為1%），放熱持續(xù)期短，放熱率峰值低。隨后，天然氣噴入氣缸內(nèi)，經(jīng)過短暫的滯燃期，柴油燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)域逐漸引燃天然氣；第2 階段放熱主要包括少量剩余柴油燃燒、天然氣預(yù)混燃燒和天然氣擴散燃燒，隨著噴射器距離增大，放熱率峰值先減小后增大，峰值相位先提前而后推遲。

圖4 -11°CA ATDC 時刻不同噴射器距離下溫度分布Fig.4 Temperature distribution at different injector distances of -11°CA ATDC

分析認(rèn)為，當(dāng)柴油火焰從周向上引燃天然氣（d=45 mm）時，氣體射流與高溫著火區(qū)域接觸面積大，天然氣燃燒速率較快。射流從引燃火焰區(qū)內(nèi)部穿過，對柴油粒子擾動較大，增強了柴油對周圍空氣的卷吸作用[10]，改善柴油燃燒效果，為天然氣提供更高的點火能量。同時，射流穿過著火區(qū)，會攜帶少量柴油粒子向前發(fā)展，進(jìn)一步擴大天然氣與引燃火焰接觸面積，提高天然氣燃燒速率，燃燒峰值相位靠前。

隨著距離的改變，柴油火焰逐漸遠(yuǎn)離射流區(qū)，引燃能量減小，天然氣燃燒速率減緩，峰值相位推遲。當(dāng)天然氣沖擊柴油區(qū)時，會導(dǎo)致氣體射流運動速率減小，天然氣對空氣的卷吸作用減弱。同時，引燃火焰與射流區(qū)距離越遠(yuǎn)，當(dāng)柴油火焰?zhèn)鞑サ缴淞鲄^(qū)時，天然氣預(yù)混燃燒所占比例增大，因此燃燒放熱率峰值增大。第3 階段以天然氣擴散燃燒為主，隨著燃燒的進(jìn)行，局部含氧量降低，燃燒放熱率開始下降，之后由于天然氣的持續(xù)噴入，放熱率有所上升，最終放熱率曲線隨著燃料的消耗殆盡而趨于平緩。

從圖5、圖6 中可以看出，中心對稱布置下,缸內(nèi)壓力峰值隨噴射器距離的增大而減小，左右對稱布置下，則呈現(xiàn)相反的趨勢。

圖7 展示了-2 °CA ATDC 時刻不同噴射器布置下當(dāng)量比云圖和溫度云圖，周向切片平行于活塞頂面且距離缸蓋頂部20 mm。從圖中可以看出，左右對稱布置下，射流撞壁后，兩束火焰逐漸匯合，燃料主要集中在氣缸的半邊區(qū)域，噴射器距離越小，火焰匯合越早；中心對稱布置下，射流撞壁后受渦流作用火焰沿順時針方向傳播，燃料分布在整個氣缸內(nèi)，噴射器距離越大，近壁處燃料越多。燃燒中后期，燃燒速率主要取決于天然氣與空氣的混合速度，左右對稱布置下燃料積聚，加劇局部氧氣爭奪，燃料燃燒速率降低，瞬時放熱率降低，噴射器距離越小，富燃現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖5 中心對稱布置下缸壓和放熱率Fig.5 Cylinder pressure and heat release rate under centrosymmetric layout

圖6 左右對稱布置下缸壓和放熱率Fig.6 Cylinder pressure and heat release rate under symmetrical layout

圖7 -2°CA 時刻不同布局下當(dāng)量比和溫度分布Fig.7 Equivalent ratio and temperature distribution under different layouts at -2°CA

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)（MBF：mass burn fraction）表征不同燃燒階段。MBF 0-10%定義為火焰發(fā)展期，也稱滯燃期，表示柴油噴射時刻到累積放熱量占總放熱量10%的曲軸轉(zhuǎn)角。類似的，MBF 10%～90%定義為快速燃燒期。兩種布置方案下燃燒參數(shù)隨噴射器距離變化趨勢如圖8 所示。從圖中可以看出，兩種布置方案下滯燃期變化趨勢相同，均隨噴射器距離先減小后增大。由于引燃柴油能量占比很小，滯燃期主要取決于天然氣初始燃燒階段。當(dāng)d=45 mm 時，天然氣穿過點火源被快速引燃。隨著點火源與天然氣相對位置偏離，當(dāng)引燃火焰?zhèn)鞑サ缴淞鲄^(qū)時，更多可燃混合氣參與燃燒，燃燒速率加快。但相對位置太遠(yuǎn)也會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長，初始點燃能量低。

圖8 噴射器布置對燃燒參數(shù)的影響Fig.8 Effect of injector arrangement on combustion parameters

因此，當(dāng)d=45 mm 和55 mm 時，滯燃期較短。經(jīng)上述分析已知，天然氣反向噴入氣缸，有利于改善缸內(nèi)燃料分布；同向噴入的天然氣發(fā)展后期會形成富燃區(qū)，燃燒惡化，燃燒效率降低。對比放熱率曲線也能發(fā)現(xiàn)，達(dá)到放熱率峰值后，左右對稱布置下的燃燒放熱率迅速下降，后燃現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此相較于中心對稱布置快速燃燒期更長。

當(dāng)噴射器采用中心對稱布置時，隨距離增大，快速燃燒期總體呈上升趨勢。這是因為噴射器距離越小，更多燃料靠近氣缸軸線分布，燃料附壁現(xiàn)象得到改善，燃燒效率提高。左右對稱布置下，快速燃燒期變化趨勢不明顯。當(dāng)d=35 mm 時，快速燃燒期相對較長。當(dāng)d 減小為25 mm 時，燃燒期縮短。這是因為隨著噴射器距離減小，射流撞壁位置更靠近活塞碗底部側(cè)面凹坑處。

已有研究[11-12]表明，射流撞壁后動量大大衰減，燃料在壁面處附著堆積，附壁燃料幾乎不與空氣混合，隨著后續(xù)高動量氣體的持續(xù)推進(jìn)，燃料被迫沿壁面向周圍擴散，擴散過程中受到空氣阻力作用，射流頭部尖端處形成渦旋結(jié)構(gòu)。受燃燒室型線引導(dǎo)，射流上方近壁處形成逆時針方向附壁射流，撞壁位置越靠近凹坑處，附壁射流脫壁提前，射流頭部在擠流作用下向射流主體發(fā)展，促進(jìn)射流側(cè)面對空氣的卷吸作用，加快燃燒速率。

當(dāng)d=45 mm 時，柴油從周向上引燃天然氣，引燃能量高，燃燒速率快。隨著噴射器距離進(jìn)一步增大，點火源逐漸遠(yuǎn)離射流區(qū)，點火能量低，且燃料附壁現(xiàn)象嚴(yán)重，射流動能損失大，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，快速燃燒期延長。但同時，噴射器距離的增大緩解了因燃料積聚造成的富燃現(xiàn)象，因燃燒不完全進(jìn)入后燃期的燃料減少，因此，相比噴射器距離較短時，快速燃燒期并未明顯延長。

圖9 展示了噴射器布置方式對指示平均有效壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）和燃燒相位CA50 的影響。中心對稱布置下，隨著噴射器距離的增大，IMEP 先增大而后減小，CA50 向后推遲；左右對稱布置下，隨著噴射器距離的增大，IMEP 減小，CA50 提前。

圖9 噴射器布置對IMEP 和CA50 的影響Fig.9 Effects of inject arrangement on IMEP and CA50

對比兩種布置方式可以看出，采用中心對稱布置可以改善缸內(nèi)混合氣分布和火焰?zhèn)鞑ィ@得更高的IMEP，燃燒重心CA50 更靠近上止點，燃燒過程等容度高，有助于改善發(fā)動機動力性能，提高燃燒熱效率。

2.2 排放特性

觀察圖10可以發(fā)現(xiàn)，NOx和soot排放存在“此消彼長”的 tradeoff 關(guān)系。采用中心對稱布置方式可以有效改善缸內(nèi)燃料分布，局部過濃混合氣區(qū)域較少，燃燒過程放熱快，獲得更高的全局溫度，因此相較于左右對稱布置下，NOX排放較高，soot 排放較低。中心對稱布置下，NOX生成量隨噴射器距離增大呈下降趨勢。根據(jù)前文分析并結(jié)合圖10 可以看出，噴射器距離較小時，缸內(nèi)燃料分布更均勻，形成更多可燃混合氣，燃燒速率加快,燃燒形成的高溫區(qū)域面積大，因此NOX生成量增加。左右對稱布置方式下，NOX生成量相近，變化趨勢不明顯。這是因為噴射器距離較小時，燃料撞壁后在壁面引導(dǎo)和擠流作用下射流頭部卷吸空氣形成更多預(yù)混可燃?xì)猓浑S著噴射器距離增大，燃料主要積聚在活塞底面，幾乎不與空氣混合，另一方面增大噴射器距離可以改善兩束射流匯合造成的富燃現(xiàn)象。

圖10 噴射器布置對NOx 和soot 的影響Fig.10 Effects of inject arrangement on NOx and soot

在雙燃料發(fā)動機中，soot 排放主要取決于柴油燃燒[13]。當(dāng)d=45 mm 時，氣體射流穿過柴油著火區(qū)，引燃火焰受到?jīng)_擊后分裂，柴油噴霧受到較大擾動，柴油與空氣之間的卷吸作用加強，同時部分柴油粒子被射流夾帶向前發(fā)展，與空氣接觸面積增大，形成更多油氣混合氣。隨著距離的增大或減小，引燃火焰逐漸遠(yuǎn)離射流區(qū)，噴霧與射流間的相互作用減弱，柴油富燃現(xiàn)象加劇，soot 生成量增加。

3 結(jié)論

（1）改變噴射器距離會導(dǎo)致柴油著火區(qū)與射流的相對位置不同，進(jìn)而影響點火源對天然氣的引燃。當(dāng)d=45 mm 時，天然氣射流穿過柴油燃燒高溫區(qū)域，柴油火焰從射流周圍引燃天然氣；隨著噴射器距離的增大或減小,柴油火焰向天然氣射流側(cè)方偏移,從射流邊緣開始引燃天然氣，天然氣預(yù)混燃燒比例增加。

（2）左右對稱布置下，燃料集中分布于燃燒室一側(cè)，且隨著噴射器距離的減小，燃料富燃現(xiàn)象加?。恢行膶ΨQ布置下，燃料分布于缸內(nèi)兩側(cè)，當(dāng)噴射器距離較小時，燃料附壁現(xiàn)象得到緩解。對比兩種布置方式發(fā)現(xiàn)，采用中心對稱布置時，混合氣分布得到改善，燃燒持續(xù)期縮短，IMEP 提高，燃燒重心CA50 提前。

（3）對比兩種布置方式發(fā)現(xiàn)，中心對稱布置可以降低soot 排放，但是NOX排放會增加。兩種布置方式下的soot 排放隨噴射器距離增大均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。中心對稱布置下的NOX排放隨噴射器距離增大而減小，左右對稱布置下隨噴射器距離變化不明顯。