缸內(nèi)直噴雙燃料發(fā)動機(jī)噴孔數(shù)對性能影響研究*

張宇寬 王 謙 帥志杰 芮 璐

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

引言

近年來環(huán)境污染問題和能源緊缺問題日益嚴(yán)重，天然氣因其綠色環(huán)保、安全可靠、儲量豐富的特點(diǎn)，成為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)最具潛力的替代燃料之一[1-2]。常規(guī)的天然氣發(fā)動機(jī)采用火花塞點(diǎn)火、天然氣進(jìn)氣道或進(jìn)氣歧管噴射的方式，存在壓縮比低、充氣效率差的問題，而缸內(nèi)直噴雙燃料發(fā)動機(jī)采用微量柴油引燃模式和天然氣缸內(nèi)高壓直噴進(jìn)氣模式，利用微量柴油壓燃產(chǎn)生的高溫和自由基引燃直接被高壓噴射進(jìn)入缸內(nèi)的天然氣。因此能夠使用與柴油機(jī)相仿的壓縮比，并且天然氣進(jìn)氣完全不影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣，這使得缸內(nèi)直噴雙燃料發(fā)動機(jī)相比于常規(guī)天然氣發(fā)動機(jī)具有燃燒效率高、動力性強(qiáng)的優(yōu)勢[3-6]。

天然氣的主要成分為甲烷，分子式為CH4，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為0.717g/L，是一種低密度氣體燃料，這就造成了燃料在缸內(nèi)的擴(kuò)散不利，而且天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^慢[7]，并且直噴雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)主要發(fā)生擴(kuò)散燃燒，所以天然氣發(fā)動機(jī)噴射器參數(shù)對缸內(nèi)燃燒具有重大影響。許多學(xué)者都對其進(jìn)行了深入的研究，但都集中于進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)，哈爾濱工程大學(xué)Enzhe Song，Zhenting Liu[8]研究發(fā)現(xiàn)采用交叉多孔氣體噴嘴結(jié)構(gòu)有助于形成更均勻的氣體混合物，有利于缸內(nèi)燃燒。濟(jì)南大學(xué)蔡少娌等[9]用數(shù)值模擬和實驗方法研究了噴射壓力和噴孔數(shù)對天然氣射流貫穿距的影響，并對天然氣射流在進(jìn)氣歧管內(nèi)的發(fā)展過程進(jìn)行了模擬研究。在柴油引燃天然氣高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)方面目前國內(nèi)只有江蘇大學(xué)韓丹等人[10]研究了柴油噴孔和天然氣噴孔間幾何關(guān)系對缸內(nèi)燃燒的影響，研究結(jié)果表明噴孔間幾何關(guān)系會對發(fā)動機(jī)性能造成顯著影響。不列顛哥倫比亞大學(xué)的SILVRJ DUMITRESCU[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)，天然氣孔數(shù)對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性有影響，但是該實驗結(jié)論是建立在實驗采用的西港公司開發(fā)的雙燃料噴射器（US application patent：US005996558A）的特性基礎(chǔ)之上：該噴射器的前端會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使柴油噴孔和天然氣噴孔相對夾角發(fā)生周期性變化。不同的天然氣噴孔在旋轉(zhuǎn)時與柴油噴孔的平均夾角不同造成了發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性的差異。

高壓直噴雙燃料發(fā)動機(jī)的燃料全部都由噴射器射入缸內(nèi)，噴射器參數(shù)直接影響缸內(nèi)燃料分布和著火情況，燃燒室內(nèi)的燃燒既與火花塞點(diǎn)火的傳統(tǒng)汽油機(jī)不同，也與柴油機(jī)有很大差距。本文利用converge 軟件建立直噴雙燃料發(fā)動機(jī)模型，模擬研究天然氣噴孔孔數(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響。

1 發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)

本文基于一臺由康明斯ISX 車用發(fā)動機(jī)改造而成的天然氣缸內(nèi)直噴雙燃料發(fā)動機(jī)建立模型，發(fā)動機(jī)與噴射器參數(shù)如表1 所示。原機(jī)燃燒室為ω 形，為了節(jié)約計算成本，不考慮進(jìn)排氣過程，計算區(qū)域僅包括燃燒室和氣缸，不包括進(jìn)排氣道，如圖1 所示。

圖1 上止點(diǎn)時燃燒室模型剖視圖

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

進(jìn)氣造成的流場影響以渦流比方式修正，渦流比定義為1.3。計算時間由進(jìn)氣門關(guān)閉時刻-172°CA ATDC 持續(xù)到排氣門開啟時刻142°CA ATDC。天然氣與柴油采用雙燃料同軸噴射器噴射入缸內(nèi)，原機(jī)孔數(shù)均為8 孔且柴油噴孔與天然氣噴孔夾角為0°，如圖2 所示。

圖2 噴孔位置示意圖

本研究保持柴油噴孔參數(shù)不變，改變天然氣噴孔孔數(shù)，研究其對發(fā)動機(jī)燃燒及排放特性的影響。為了控制不同孔數(shù)造成的2 種噴孔夾角變化，每次改變孔數(shù)時，均保持俯視角水平方向上總有一組噴孔相互對齊。

2 計算模型

計算所選用模型如表2 所示。

表2 計算模型

本文采用甲烷（CH4）作為天然氣的參比燃料，正庚烷（C7H16）作為柴油化學(xué)反應(yīng)替代物，用正十四烷（C14H30）模擬柴油物理特性。反應(yīng)機(jī)理選用Rahimi[11]基于CH4的GRI 3.0 機(jī)理與NC7H16的Valeri 機(jī)理整合的簡化柴油-天然氣雙燃料燃燒反應(yīng)機(jī)理，包含76 個組分，464 步反應(yīng)。

3 模型驗證

本文以加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)雙燃料發(fā)動機(jī)實驗數(shù)據(jù)[12]驗證模型的有效性，選用工況如表3 所示。圖3 為實驗和模擬缸壓及放熱率曲線，模擬結(jié)果與國外實驗結(jié)果基本吻合，圖4、5 為排放結(jié)果對比，可以看出NOx排放結(jié)果吻合得較好，soot 模擬生成量小于實驗生成量。為了控制模擬計算時間在較為合理的長度內(nèi)，采用單一組分正庚烷作為柴油化學(xué)反應(yīng)替代物，因此碳煙前驅(qū)物生成量較少，soot 模擬值與實際產(chǎn)生量相比較低，但誤差（小于18%）仍在可接受范圍內(nèi)，可以基于此模型進(jìn)行研究。

表3 驗證工況

圖3 缸壓和放熱率結(jié)果對比

圖4 NOx 排放結(jié)果對比

圖5 soot 排放結(jié)果對比

4 模擬結(jié)果及分析

為了研究不同天然氣噴孔孔數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響，設(shè)計了天然氣孔數(shù)為4～10 孔總計7 種方案，噴孔布置如圖6 所示，其中紅色代表柴油噴孔，藍(lán)色代表天然氣噴孔。所有方案天然氣和柴油噴射量均一致，天然氣噴嘴總面積不隨天然氣孔數(shù)變化而變化且與原機(jī)一致，具體燃料噴射參數(shù)如表4 所示。

表4 燃料噴射參數(shù)

圖6 模擬方案示意圖

4.1 天然氣噴孔孔數(shù)對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

圖7 顯示了不同天然氣噴孔數(shù)下缸內(nèi)壓力的變化。由圖可以看出，上止點(diǎn)后，各組方案均產(chǎn)生了顯著區(qū)別，特別是4、5 孔的壓力曲線與其他組差異明顯。上止點(diǎn)后6～10 孔缸內(nèi)壓力上升更早，峰值處較為平緩；且隨著孔數(shù)的增加，壓力上升率也隨之增加，壓力峰值均出現(xiàn)在10°CA ATDC。而4、5 孔在上止點(diǎn)后壓力上升明顯滯后，4 孔方案壓力峰值出現(xiàn)在13°CA ATDC，5 孔方案壓力峰值出現(xiàn)在9.2 °CA ATDC。

圖7 天然氣孔數(shù)對缸內(nèi)壓力的影響

圖8 為天然氣孔數(shù)對放熱率的影響。由圖8 也可發(fā)現(xiàn)，4、5 孔方案與其他方案差距明顯。-5 °CA ATDC 時每一組方案都出現(xiàn)了柴油燃燒峰值，與柴油噴射時刻相差5°CA，因為柴油噴射量僅3.6 mg/cycle，柴油與空氣混合形成混合氣比較稀薄不易著火。6～10 孔方案的放熱率曲線存在兩個明顯的峰值，第一個峰值是由被柴油引燃的天然氣多點(diǎn)預(yù)混燃燒引起的，放熱率峰值除8 孔外隨孔數(shù)增加而提高。6～10孔方案在10°CA 左右出現(xiàn)第二個天然氣放熱峰值，這是缸內(nèi)天然氣的擴(kuò)散燃燒，類似柴油機(jī)的緩燃期，其峰值與第一個放熱率峰值相反，隨孔數(shù)增加而降低。4、5 孔方案只存在一個天然氣放熱峰值，且出現(xiàn)在6～10 孔方案的第二個天然氣放熱峰值處，說明柴油對4、5 孔方案的引燃效果不佳，但是絕大多數(shù)天然氣都參與擴(kuò)散燃燒，使得這兩組方案的放熱率峰值更高。

圖8 天然氣孔數(shù)對放熱率的影響

圖9 為不同天然氣孔數(shù)時CA10CA50CA90 與指示熱效率的比較，可以看出雖然4、5 孔的燃燒模式CA10 更晚，但燃燒持續(xù)期更短，天然氣擴(kuò)散燃燒更集中；6～10 孔的燃燒模式CA10 更提前，且隨天然氣孔數(shù)增加而提前，說明增加孔數(shù)將減短天然氣預(yù)混燃燒滯燃期。

圖9 天然氣孔數(shù)對CA10CA50CA90 及指示熱效率的影響

4.2 天然氣噴孔孔數(shù)對缸內(nèi)溫度場分布的影響

不同方案下缸內(nèi)溫度場分布對比如圖10 所示，圖中所選截面為沿天然氣噴孔中軸線的錐面，采用這種截面能更好地觀察天然氣在燃燒室內(nèi)燃燒的情況。1°CA ATDC 時，燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)域呈現(xiàn)八瓣的花瓣狀，這是由引燃柴油燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)域，圖中深藍(lán)色區(qū)域為天然氣射流，可以發(fā)現(xiàn)柴油產(chǎn)生的高溫區(qū)域受到缸內(nèi)渦流的影響，逆時針旋轉(zhuǎn)了一個角度，使原本與柴油噴孔重疊的噴孔產(chǎn)生了夾角，原本夾角較大的噴孔更加靠近。觀察1°CA ATDC、3°CA ATDC 與5°CA ATDC，可以發(fā)現(xiàn)隨著孔數(shù)的增加，高溫區(qū)域越多，其原因是天然氣射流的總表面積隨著孔數(shù)的增加而增加，擴(kuò)散燃燒面積增大。七組方案的天然氣射流總共有2 種著火位置，一種為頭部著火，如5 孔方案左上角、6 孔方案上方兩束射流，另一種為射流側(cè)壁著火，如4 孔方案的4 束射流、6 孔方案水平的兩束射流。結(jié)合圖6 可以發(fā)現(xiàn)，頭部著火的射流都是在高溫區(qū)域旋轉(zhuǎn)后與其夾角較小的，側(cè)壁著火的射流都是與兩邊高溫區(qū)域距離較遠(yuǎn)。上述發(fā)現(xiàn)解釋了4、5 孔與6～10 孔方案之間5°CA ATDC 前放熱率顯著不同的原因：4、5 孔的射流基本都是射流側(cè)壁著火，4 孔射流頭部在5°CA ATDC 完全未燃燒，5孔則只有一束射流頭部被引燃，這使得2 種方案前期的火焰燃燒并不理想。

圖10 缸內(nèi)溫度場分布

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為7°CA ATDC 時，可以看到天然氣射流頭部到達(dá)燃燒室壁面，且孔數(shù)越少到達(dá)壁面越早，原因是孔數(shù)少方案的噴孔孔徑更大，對射流的阻力較少。10°CA ATDC 時，可以看到射流撞壁后，天然氣沿燃燒室壁擴(kuò)散，火焰也已經(jīng)傳播至撞壁后擴(kuò)散的天然氣外側(cè)。當(dāng)活塞繼續(xù)下行至15°CA ATDC，比較不同方案的溫度云圖，可以看到天然氣撞壁后的火焰面積與天然氣噴孔孔數(shù)正相關(guān)。

4.3 天然氣噴孔孔數(shù)對當(dāng)量比分布的影響

由缸內(nèi)當(dāng)量比分布圖11 可以看出，天然氣在燃燒室內(nèi)擴(kuò)散速度比較緩慢，缸內(nèi)渦流對擴(kuò)散效果不理想。5°CA ATDC 時，天然氣射流左側(cè)當(dāng)量比梯度受渦流影響明顯小于右側(cè)。結(jié)合溫度分布可以發(fā)現(xiàn)這導(dǎo)致了左側(cè)的火焰厚度大于右側(cè)。比較10°CA ATDC與之后的曲軸轉(zhuǎn)角，發(fā)現(xiàn)天然氣射流撞壁后沿燃燒室壁面擴(kuò)散并形成渦流，相鄰射流產(chǎn)生的渦流在12°CA ATDC 時發(fā)生碰撞，使天然氣更靠近氣缸中心，且孔數(shù)越少，天然氣分布越靠近燃燒室中心。因為孔數(shù)越少，單個射流動能更大，渦流碰撞更劇烈，天然氣向中心擴(kuò)散得越多。天然氣分布靠近壁面對缸內(nèi)燃燒不利，會使火焰靠近壁面增加壁面熱損失，燃燒室中心的空氣利用率也會降低，從而降低發(fā)動機(jī)的熱效率。20°CA ATDC 時，燃燒室內(nèi)仍殘留大量天然氣，說明壁面作用也使孔數(shù)多的方案燃燒持續(xù)期增長。

圖11 缸內(nèi)當(dāng)量比云圖

4.4 天然氣噴孔孔數(shù)對排放的影響

圖12 給出了天然氣噴孔孔數(shù)對排放的影響。可以發(fā)現(xiàn)NOx排放隨孔數(shù)的增加先減少后增加，soot排放隨孔數(shù)的增加而增加，其中soot 排放最低的4孔方案比最多的10 孔方案低了56.2%，而各組間NOx變化的幅度則相對較小，最低的7 孔方案與最高的10 孔方案僅相差25%。這并不符合內(nèi)燃機(jī)排放NOx和soot 的trade-off 關(guān)系，為了探究其中的原因，以下將從NOx和soot 在不同時刻的分布云圖進(jìn)行分析。

圖12 天然氣噴孔孔數(shù)對NOx 和soot 質(zhì)量的影響

圖13 為缸內(nèi)沿天然氣噴孔方向NOx與soot 分布云圖，左側(cè)為NOx，右側(cè)為soot。缸內(nèi)的NOx是在燃燒過程中氧原子和氮原子在高溫高壓下化合的結(jié)果，因此NOx的生成速率與溫度和當(dāng)量比的關(guān)系很大。10°CA ATDC 和15°CA ATDC 時，孔數(shù)多的方案NOx分布更廣、濃度更高，因為NOx主要在溫度高、當(dāng)量比適中的區(qū)域生成。而根據(jù)之前兩小節(jié)的發(fā)現(xiàn)，孔數(shù)的增加使得天然氣在缸內(nèi)分布更加均勻，著火區(qū)域也更多，這對NOx排放不利，但較少的孔數(shù)也會使天然氣更集中，高溫區(qū)域平均溫度更高，也不利于減少NOx生成。這2 種因素使NOx排放隨孔數(shù)增加呈先減后增的趨勢。觀察soot 分布云圖的10 °CA ATDC 時刻，發(fā)現(xiàn)4 孔方案soot 生成較少，5 孔方案在左上產(chǎn)生了大量soot，6～10 孔方案在射流撞壁處及兩側(cè)都有大量soot 生成，說明火焰發(fā)生淬熄導(dǎo)致大量碳煙生成。15°CA ATDC，soot 在天然氣射流間渦流相撞處大量生成，這是因為渦流碰撞使局部混合氣濃度過高，這些區(qū)域的燃燒不充分，導(dǎo)致soot 大量生成。

圖13 缸內(nèi)NOx 和soot 分布

5 結(jié)論

1）天然氣噴孔孔數(shù)的增加使得柴油射流和天然氣射流相對夾角發(fā)生變化，而且缸內(nèi)渦流也會改變引燃柴油高溫區(qū)域位置。因此為了獲得更好的引燃效果，可以選擇增加噴孔孔數(shù)并根據(jù)缸內(nèi)渦流調(diào)整角度。

2）根據(jù)天然氣噴孔孔數(shù)的不同，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒存在2 種燃燒模式：孔數(shù)多時類似柴油燃燒模式，首先生成一個預(yù)混燃燒的峰值，隨后產(chǎn)生天然氣擴(kuò)散燃燒峰值；孔數(shù)少時類似于奧托循環(huán)，但主要燃燒階段是天然氣擴(kuò)散燃燒。第二種燃燒模式燃燒更集中，發(fā)動機(jī)動力性能更好。

3）增加天然氣噴孔孔數(shù)可使天然氣在缸內(nèi)分布更廣，增加擴(kuò)散燃燒反應(yīng)區(qū)域，導(dǎo)致NOx生成增加，射流間相互干涉加劇，局部過濃區(qū)域增加，導(dǎo)致soot生成量也增加。

要強(qiáng)化研究型大學(xué)建設(shè)同國家戰(zhàn)略目標(biāo)、戰(zhàn)略任務(wù)的對接，加強(qiáng)基礎(chǔ)前沿探索和關(guān)鍵技術(shù)突破，努力構(gòu)建中國特色、中國風(fēng)格、中國氣派的學(xué)科體系、學(xué)術(shù)體系、話語體系，為培養(yǎng)更多杰出人才作出貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上的講話