直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀綜述

宋廣舒 劉世通 蘇東超 李旭

摘要：隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究的不斷深入，受制于石油資源和排放法規(guī)的影響，傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已逐漸被淘汰，新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展前景良好。而直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的動(dòng)力性和排放性，并能大大減少對(duì)傳統(tǒng)燃油的使用，已經(jīng)成為了當(dāng)下新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本文主要介紹了直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，展望了該發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，為其后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，以期促進(jìn)今后該技術(shù)的發(fā)展。

Abstract： With the deepening of the research on engine technology， the traditional fuel engine has been gradually phased out due to the influence of petroleum resources and emission regulations， and the new fuel engine has a good development prospect. The direct injection natural gas engine has better power performance and emission performance， and can greatly reduce the use of traditional fuel， which has become the current new engine technology research hotspot. This paper mainly introduces the research status of direct injection natural gas engines at home and abroad， looks forward to the development trend of the engine， to provide a reference for its subsequent optimization design， to promote the future development of the technology.

關(guān)鍵詞：直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī);研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

Key words： direct injection natural gas engine;research status;development trend

中圖分類號(hào)：TK411.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0045-02

0? 引言

目前，汽車的排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，傳統(tǒng)燃油也十分緊缺。天然氣因排氣污染小、單位熱值高、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，完全可以成為汽車的替代燃料，已成為全球車用清潔燃料的發(fā)展趨勢(shì)，越來越多地應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以天然氣為主要燃料（有壓縮天然氣CNG和液化天然氣LNG），應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，如城市公交、重型卡車、船舶、陸用和船用發(fā)電機(jī)組等。本文主要對(duì)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)作了介紹，分析了直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出了直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)指導(dǎo)今后直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1? 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的分類

針對(duì)各個(gè)行業(yè)的不同需求，全球眾多發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)和研究所紛紛開發(fā)出不同種類的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，可按照燃料類型、燃料供給方式、空燃比和點(diǎn)火方式等的不同對(duì)其進(jìn)行分類。按照燃料供給方式的不同，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為缸外供氣天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和缸內(nèi)直接噴射天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于缸內(nèi)供氣天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，按照噴射壓力和噴射時(shí)刻的不同，可分為缸內(nèi)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和缸內(nèi)低壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

①缸內(nèi)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)：高壓直噴的技術(shù)最早由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)提出[2]，此類發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不受爆震的限制[3]，與同等動(dòng)力性下的柴油機(jī)相比，其經(jīng)濟(jì)性和排放性有所提升。發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了同心雙軸針噴射器，在壓縮沖程后期，先噴入微量柴油（一般占總?cè)剂系?-10%）在氣缸內(nèi)形成火核，接著噴入高壓天然氣（噴射壓力一般為12-30MPa），天然氣被火核引燃，觸發(fā)燃燒。該技術(shù)僅使用微量柴油引燃，比原柴油機(jī)碳煙、NOX和溫室氣體的排放都要低[4]。

②缸內(nèi)低壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)：在發(fā)動(dòng)機(jī)處于掃氣行程時(shí)，氣缸內(nèi)壓力較低，則天然氣的噴射壓力也較低（一般小于16bar）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞越過掃氣口時(shí)，天然氣開始噴射，逐漸與空氣形成均勻混合氣，最終被微量柴油引燃。此類發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)成本低，工作可靠;可實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，減少NOX的排放，增大燃燒效率。但因內(nèi)部易出現(xiàn)天然氣逃逸的現(xiàn)象，會(huì)加劇HC的排放。

2? 直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 缸內(nèi)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究

為進(jìn)一步提高缸內(nèi)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)（HPDI）的熱效率，降低其排放，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過軟件模擬和試驗(yàn)的方法研究了它的燃燒特性、燃燒模型和排放特性等，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

McTaggart-Cowan[5]通過試驗(yàn)分析了燃料噴射壓力和噴射速率對(duì)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響，結(jié)果表明更高的噴射壓力，合理控制燃料噴射速率可促進(jìn)燃燒，提升熱效率，減少顆粒物排放。Munshi[6]采用試驗(yàn)研究了HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)在不同燃燒模式下的燃燒和排放狀況，結(jié)果表明高負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)了高熱效率和低NOX排放，但顆粒物排放增加，低負(fù)荷下出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)物。Patychuk[7]通過試驗(yàn)分析了HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能在多種負(fù)荷下受配氣相位的影響程度，結(jié)果表明負(fù)荷低于50%時(shí)的甲烷排放量將減少70%，75%負(fù)荷時(shí)的NOX排放減少19%，10%負(fù)荷時(shí)的排放良好，但排溫增加。Mabson[8]通過模擬分析了配對(duì)天然氣噴嘴對(duì)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，結(jié)果表明配對(duì)噴嘴增加了顆粒物和CO的排放。Faghani[9]采用數(shù)值模擬研究了噴射策略對(duì)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，結(jié)果表明微預(yù)混燃燒模式減少了碳煙排放，但增加了NOX排放。

陳長(zhǎng)軍[10]采用STAR-CD軟件模擬了HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的噴射過程和燃燒過程，分析了噴氣定時(shí)與噴氣壓力對(duì)排放的影響，結(jié)果表明噴氣定時(shí)的延后改善了NOX排放，但加劇了CO、HC和顆粒物的排放;增大噴氣壓力可減少HC的排放，但增加了NO排放。李孟涵[11]通過試驗(yàn)分析了燃料噴射間隔對(duì)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，結(jié)果表明噴射間隔不變時(shí)的HC排放隨引燃柴油量的增加而降低，CO排放變化不大;噴射間隔的增加會(huì)加劇HC和NOX的排放，減小CO的排放。

2.2 缸內(nèi)低壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究

對(duì)于缸內(nèi)低壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了雙燃料模式下的反應(yīng)機(jī)理、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的火焰射流以及發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震狀況。

Maghbouli[12]將化學(xué)求解器與KIVA-3V軟件相結(jié)合，根據(jù)雙燃料的反應(yīng)機(jī)理，搭建出了低壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震燃燒過程，總結(jié)了當(dāng)量比對(duì)燃燒的影響，結(jié)果表明采用EGR可減輕爆震程度。Hockett[13]假設(shè)柴油的模型為正庚烷，天然氣的模型為甲烷、乙烷和丙烷的混合物，仿真建立了雙燃料模型，模擬了低壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，并對(duì)雙燃料反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了改進(jìn)，證實(shí)了高壓層流火焰速度、柴油噴霧的點(diǎn)火延遲和放熱速率等參數(shù)。Singh[14]通過KIVA-3V仿真軟件搭建模型，研究了低壓噴射雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性，分析了此模型用于模擬空氣和天然氣預(yù)混合燃燒的能力與局限性，結(jié)果表明天然氣代替柴油可降低NOX的排放。Rahimi[15]通過均質(zhì)壓縮點(diǎn)火模型驗(yàn)證了雙燃料反應(yīng)機(jī)理的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用遺傳算法優(yōu)化了雙燃料混合組分，提出了最佳的正庚烷-天然氣混合物化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。Lounici[16]主要研究了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震特性，分析了該現(xiàn)象的周期性變化，提出了一種基于缸內(nèi)壓力分析的爆震指標(biāo)，用于爆震的評(píng)估。同時(shí)，還研究了爆震對(duì)熱釋放、缸壁溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，提高引燃柴油的噴射量有助于減緩發(fā)動(dòng)機(jī)爆震程度。

葉映[17]通過仿真搭建出了一臺(tái)低壓直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的三維CFD模型，根據(jù)不同的通孔結(jié)構(gòu)，制定了多種預(yù)燃室系統(tǒng)方案，模擬分析了各個(gè)方案下的火焰射流及排放狀況，總結(jié)出一種最優(yōu)的預(yù)燃室系統(tǒng)方案，研究表明火焰射流接觸壁面或射向活塞頂面將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，增加排放。同時(shí)，分析了不同的噴油策略和EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響，研究表明改善預(yù)燃室內(nèi)的預(yù)噴射可減弱柴油分層度，降低NOX排放，但會(huì)降低主燃室的燃燒速率;在天然氣非稀薄燃燒的條件下，EGR有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放。

3? 總結(jié)

本文綜述了近幾年直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀，主要介紹了有關(guān)于缸內(nèi)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、燃燒模型和排放特性及缸內(nèi)低壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料的反應(yīng)機(jī)理、預(yù)燃室火焰射流和爆震的研究，對(duì)后續(xù)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義?；谀壳皩W(xué)者們對(duì)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，可以得出以下幾種發(fā)展趨勢(shì)：①在數(shù)值模擬研究中，進(jìn)一步細(xì)化分析發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程，優(yōu)化其排放模型;②加深對(duì)此類發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放狀況的研究，考慮燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)排放的影響，對(duì)生成顆粒物的尺寸分布作詳細(xì)分析;③增加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的研究，分析出發(fā)動(dòng)機(jī)爆震和失火的極限值，以防止爆震和失火現(xiàn)象的出現(xiàn)，改善缸內(nèi)的燃燒狀況，優(yōu)化排放。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪科任.CNG發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)低壓直噴控制研究[D].西華大學(xué)碩士論文，2014.

[2]陳長(zhǎng)軍.柴油微引缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程仿真研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[3]徐向.高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)部分預(yù)混燃燒模式數(shù)值研究[D].山東大學(xué)，2020.

[4]戴禮明.天然氣/柴油雙燃料噴射混合特性與燃燒模擬研究[D].江蘇大學(xué)碩士論文，2016.

[5]Mc Taggart-Cowan G， Mann K， Huang J， et al. Direct injection of natural gas at up to 600 Bar in a pilot-ignited heavy-duty engine[J]. SAE International Journal of Engines， 2015， 8（3）：981-996.

[6]Munshi S R， McTaggart-Cowan G P， Huang J， et al. Development of a partially-premixed combustion strategy for a low-emission， direct injection high efficiency natural gas engine[C]//Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. 2011， 44427： 515-528.

[7]Patychuk B， Wu N， McTaggart-Cowan G， et al. Intake and exhaust valve timing control on a heavy-duty， direct-injection natural gas engine[R]. SAE Technical Paper， 2015.

[8]Mabson C W J， Faghani E， Kheirkhah P， et al. Combustion and emissions of paired-nozzle jets in a pilot-ignited direct-injection natural gas engine[R]. SAE Technical Paper， 2016.

[9]Faghani E， Kheirkhah P， Mabson C W J， et al. Effect of injection strategies on emissions from a pilot-ignited direct-injection natural-gas engine-part I： Late post injection[R]. SAE Technical Paper， 2017.

[10]陳長(zhǎng)軍.柴油微引缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程仿真研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[11]李孟涵，張強(qiáng)，李國(guó)祥，等.引燃柴油量及噴射間隔對(duì)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（06）：95-100.

[12]Maghbouli A， Shafee S， Saray R K， et al. A multi-dimensional CFD-chemical kinetics approach in detection and reduction of knocking combustion in diesel-natural gas dual-fuel engines using local heat release analysis[J]. SAE International Journal of Engines， 2013， 6（2）： 777-787.

[13]Hockett A， Hampson G， Marchese A J. Development and validation of a reduced chemical kinetic mechanism for computational fluid dynamics simulations of natural gas/diesel dual-fuel engines[J]. Energy & Fuels， 2016， 30（3）： 2414-2427.

[14]Singh S， Kong S C， Reitz R D， et al. Modeling and experiments of dual-fuel engine combustion and emissions[J]. SAE transactions， 2004： 124-133.

[15]Rahimi A， Fatehifar E， Saray R K. Development of an optimized chemical kinetic mechanism for homogeneous charge compression ignition combustion of a fuel blend of n-heptane and natural gas using a genetic algorithm[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2010， 224（9）： 1141-1159.

[16]Lounici M S， Benbellil M A， Loubar K， et al. Knock characterization and development of a new knock indicator for dual-fuel engines[J]. Energy， 2017， 141： 2351-2361.

[17]葉映.大型低速船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究[D].天津大學(xué)，2018.