噴油時(shí)刻對(duì)汽柴油雙燃料燃燒影響的模擬研究

張丹，任爍今，李騰騰，景曉軍，王建昕

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000；2.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300；3.清華大學(xué) 汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 前言

柴油車(chē)是機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放的主要來(lái)源，這與長(zhǎng)久以來(lái)我國(guó)貨物運(yùn)輸嚴(yán)重依賴公路密切相關(guān)。柴油車(chē)的污染物排放量，尤其是氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)占機(jī)動(dòng)車(chē)總排放量的比例較高。根據(jù)《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)(2021)》[1]，2020年我國(guó)柴油車(chē)CO、HC、NOx和PM排放量分別為124.9萬(wàn)t、19.6萬(wàn)t、544.9萬(wàn)t、6.4萬(wàn)t，分別占機(jī)動(dòng)車(chē)各污染物總排放量的 18.0%、11.4%、88.8%和99.0%以上。因此，為了改善柴油車(chē)污染物的排放，雙燃料燃燒模式越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的關(guān)注。

汽柴油雙燃料燃燒模式能夠同時(shí)融合汽油和柴油的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效低排放燃燒。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外圍繞汽柴油雙燃料燃燒模式已有大量研究。KOKJOHN等[2]提出活性控制壓燃模式(RCCI)，采用進(jìn)氣道噴射低活性燃料組分，并及時(shí)在缸內(nèi)直噴高活性燃料組分，同時(shí)采用多次噴射的方法，能夠靈活控制缸內(nèi)混合氣充量，從而達(dá)到優(yōu)化燃燒的目的。KOKJOHN等[3]對(duì)比了RCCI和傳統(tǒng)柴油燃燒模式，結(jié)果表明RCCI燃燒能夠顯著降低NOx和PM排放，并且能夠提高熱效率。SPLITTER等[4]發(fā)現(xiàn)，RCCI燃燒的總熱效率能夠超過(guò)60%。

王建昕等[5]提出了汽油均質(zhì)混合氣柴油引燃(HCII)的燃燒方式。這種燃燒模式采用進(jìn)氣道噴射易揮發(fā)燃料(汽油)形成均質(zhì)混合氣，在上止點(diǎn)附近向缸內(nèi)直噴高著火性燃料(柴油)來(lái)引燃。研究表明，HCII燃燒能夠大幅度提高汽油機(jī)的熱效率，達(dá)到甚至超過(guò)柴油機(jī)的熱效率。與純柴油模式相比，HCII燃燒模式的NOx排放量有了明顯下降，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)炭煙的近零排放。于超[6]研究了HCII燃燒的3種放熱模式，發(fā)現(xiàn)HCII燃燒的快速兩階段放熱模式能夠?qū)崿F(xiàn)更高的熱效率、更低的NOx和PM排放。任爍今[7]在重型多缸柴油機(jī)上對(duì)HCII燃燒在全工況范圍內(nèi)的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)循環(huán)中僅用簡(jiǎn)單后處理裝置就達(dá)標(biāo)國(guó)五排放法規(guī)，同時(shí)燃油耗不增加的目標(biāo)。

汪洋等[8]為了降低柴油機(jī)排放，提出雙燃料準(zhǔn)均質(zhì)燃燒過(guò)程(QHCCI)，即在進(jìn)氣道噴入汽油，在壓縮上止點(diǎn)附近噴入少量柴油，點(diǎn)燃汽油混合氣。QHCCI燃燒是受火焰?zhèn)鞑タ刂频南”【|(zhì)混合氣燃燒，可以實(shí)現(xiàn)較低的炭煙排放，但NOx排放依然較高，并存在粗暴燃燒現(xiàn)象。

YANG等[9]使用試驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法對(duì)比了汽柴油雙燃料高預(yù)混壓燃(HPCC)和汽柴油混合燃料低溫燃燒(LTC)2種燃燒模式。研究表明，早噴HPCC模式的缸內(nèi)混合氣濃度和活性更為均勻，而晚噴HPCC和LTC模式則均存在混合氣的分層現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒不充分。HPCC模式中著火開(kāi)始于燃燒室中心位置，而LTC模式中著火開(kāi)始于燃燒室表面。與LTC模式相比，HPCC模式會(huì)產(chǎn)生更多的不完全燃燒產(chǎn)物，導(dǎo)致燃燒效率下降，這種情況可通過(guò)增加汽油比例來(lái)改善。

汽油和柴油都是由石油煉制而成的，是目前應(yīng)用范圍最廣、使用量最大的2種燃料。因此，提高汽油和柴油的能量利用率具有顯著的節(jié)能減排效益。此外，汽油和柴油中均含有一定比例的芳香烴，在燃燒過(guò)程中更容易生成炭煙，相對(duì)于天然氣、醇類(lèi)等燃料，汽油和柴油是更具挑戰(zhàn)性的雙燃料組合。本文對(duì)某臺(tái)重型柴油機(jī)上的汽柴油雙燃料燃燒模式進(jìn)行了策略優(yōu)化，通過(guò)三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，研究了噴油時(shí)刻對(duì)雙燃料燃燒模式下的燃燒效果和排放特性的影響。

1 構(gòu)建模型

1.1 模擬方法

采用Convergent Science公司的三維CFD軟件Converge進(jìn)行汽柴油燃燒模式的噴霧、混合氣形成和燃燒等過(guò)程的數(shù)值模擬。以某重型6缸柴油機(jī)為模擬對(duì)象，該柴油機(jī)缸徑為108 mm，行程為136 mm，排量為7.47 L，壓縮比為18，采用噴孔均勻布置的8孔噴油器。柴油噴射方式采用缸內(nèi)直噴，噴射壓力為180.0 MPa，汽油噴射方式采用進(jìn)氣道噴射，噴射壓力為0.6 MPa。

為了縮短計(jì)算時(shí)間，使用45°扇形計(jì)算網(wǎng)格。燃燒室計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖1所示，最大網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為1 000 000，基本網(wǎng)格尺寸的長(zhǎng)、寬、高均為4 mm。Converge軟件采用網(wǎng)格自適應(yīng)加密技術(shù)，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)為長(zhǎng)、寬、高均為1 mm。采用余隙補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢⑷紵抑械目p隙簡(jiǎn)化為補(bǔ)償體積，附加在活塞上。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文只計(jì)算從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉到排氣門(mén)打開(kāi)這一段時(shí)間內(nèi)的缸內(nèi)工作過(guò)程，未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣工作過(guò)程。

圖1 燃燒室計(jì)算網(wǎng)格劃分

假設(shè)汽油混合氣在缸內(nèi)均勻分布，根據(jù)實(shí)測(cè)的汽油消耗率計(jì)算汽油混合氣的初始濃度。初始條件設(shè)定主要包括缸內(nèi)初始?jí)毫?、缸?nèi)初始溫度等，邊界條件設(shè)定包括燃燒室頂溫度、氣缸壁面溫度等，邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 CFD模擬初始條件和邊界條件

1.2 模型設(shè)置

CFD模擬中使用的各模型如表2所示。柴油和汽油的化學(xué)特性分別用正庚烷和異辛烷來(lái)表征，模擬采用文獻(xiàn)[10]中的簡(jiǎn)化基礎(chǔ)燃料(PRF)機(jī)理(45組分，142步反應(yīng))作為表征汽柴油著火過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，并耦合SAGE燃燒模型。破碎模型使用KH-RT模型，炭煙模型采用Hiroyasu-NSC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，NOx模型采用拓展Zel’dovich模型。

表2 CFD模擬模型

1.3 模型驗(yàn)證

模擬計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)工況如下：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 736 r/min，每循環(huán)供油量56 mg，汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在50%，柴油噴射時(shí)刻的變化范圍為曲軸轉(zhuǎn)角(上止點(diǎn)后，下同)-9°～3°。在平均有效壓力(IMEP)為0.86 MPa的運(yùn)行工況下，純柴油燃燒試驗(yàn)和模擬計(jì)算的示功圖如圖2所示。在壓縮和膨脹做功的整個(gè)工作過(guò)程中，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。所建立的數(shù)值模型能夠較好得反映出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的基本特征，可以為直噴壓燃的工作過(guò)程進(jìn)行模擬和分析提供參考。

圖2 純柴油燃燒情況下柴油機(jī)示功圖

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性

噴油時(shí)刻對(duì)HCII燃燒的示功圖和放熱率的影響如圖3所示。在重型柴油機(jī)上的汽柴油雙燃料燃燒呈現(xiàn)出先預(yù)混后擴(kuò)散的兩階段放熱特征。隨著噴油時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)壓力峰值不斷下降，而放熱率峰值先減小后增大。噴油時(shí)刻為曲軸轉(zhuǎn)角-9°時(shí)，缸內(nèi)壓力和溫度都較低，導(dǎo)致滯燃期較長(zhǎng)，預(yù)混燃燒比例增加，因此燃燒開(kāi)始階段的放熱率較高。隨著噴油時(shí)刻的推遲，滯燃期縮短，放熱率峰值降低。當(dāng)噴油時(shí)刻在上止點(diǎn)之后時(shí)，繼續(xù)推遲噴油時(shí)刻，滯燃期有所延長(zhǎng)，放熱率峰值開(kāi)始增大。

圖3 噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響

不同噴油時(shí)刻缸內(nèi)溫度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，噴油時(shí)刻為曲軸轉(zhuǎn)角-6°時(shí)，缸內(nèi)溫度峰值最大，達(dá)到1 700 K，此時(shí)燃燒放熱集中在上止點(diǎn)附近，更接近定容放熱，因此缸內(nèi)溫度更高。提前或推遲噴油時(shí)刻，缸內(nèi)溫度峰值都會(huì)降低。

圖4 不同噴油時(shí)刻缸內(nèi)溫度的變化

2.2 排放特性

分析研究NOx和炭煙排放的趨勢(shì)非常重要。由圖5可知，噴油時(shí)刻為曲軸轉(zhuǎn)角-6°時(shí)，NOx排放的質(zhì)量濃度達(dá)到峰值，而推遲或者提前噴油時(shí)刻，NOx排放的質(zhì)量濃度都有所降低。與之相反，HC、CO和炭煙排放的質(zhì)量濃度都在此噴油時(shí)刻達(dá)到最低值。

圖5 不同噴油時(shí)刻對(duì)污染物排放的影響

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為40°時(shí)，噴油時(shí)刻對(duì)NOx質(zhì)量濃度的影響如圖6所示。噴油時(shí)刻為曲軸轉(zhuǎn)角-6°時(shí)，NOx質(zhì)量濃度最大。較高的反應(yīng)溫度和氧含量，以及較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致NOx排放增加。

圖6 不同噴油時(shí)刻對(duì)NOx質(zhì)量濃度的影響

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為40°時(shí)，噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)溫度分布的影響如圖7所示。由圖7可知，溫度分布與NOx質(zhì)量濃度分布趨勢(shì)一致。局部高溫為NOx的生成提供了條件，同時(shí)高溫區(qū)域在不同噴油時(shí)刻的分布趨勢(shì)也不同，噴油時(shí)刻較早時(shí)缸內(nèi)高溫區(qū)主要集中在燃燒室中心，而噴油時(shí)刻較晚時(shí)，缸內(nèi)高溫區(qū)主要集中在燃燒室缸壁區(qū)域。高溫區(qū)域的分布情況主要由噴霧特性決定。

圖7 不同噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)溫度分布的影響

圖8給出了不同噴油時(shí)刻對(duì)炭煙分布的影響。當(dāng)噴油時(shí)刻為曲軸轉(zhuǎn)角-9°時(shí)，炭煙質(zhì)量濃度較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)上止點(diǎn)時(shí)刻溫度和壓力都最高，更易形成炭煙，而燃燒后期溫度較低，炭煙氧化較少。噴油時(shí)刻為曲軸轉(zhuǎn)角-6°時(shí)，炭煙質(zhì)量濃度較低，這是因?yàn)槿紵笃跍囟容^高，大部分炭煙得到了氧化。炭煙形成區(qū)域逐步從燃燒室中心轉(zhuǎn)移到燃燒室缸壁區(qū)域。

圖8 不同噴油時(shí)刻對(duì)炭煙分布的影響

3 結(jié)論

采用三維CFD模擬方法，通過(guò)分析柴油機(jī)噴油時(shí)刻的雙燃料燃燒模式下的燃燒和排放特性，對(duì)某重型柴油機(jī)汽柴油雙燃料燃燒模式進(jìn)行了策略優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

(1)在重型柴油機(jī)上的汽柴油雙燃料燃燒呈現(xiàn)先預(yù)混后擴(kuò)散的兩階段放熱特征。噴油時(shí)刻直接影響雙燃料燃燒模式的燃燒相位，噴油時(shí)刻過(guò)早或過(guò)晚都會(huì)使得預(yù)混燃燒比例的增加，導(dǎo)致汽柴油雙燃料燃燒模式的初期放熱率升高。

(2)在研究工況下，隨著柴油噴油時(shí)刻從曲軸轉(zhuǎn)角-9°移動(dòng)到3°，NOx質(zhì)量濃度先升高后降低，噴油時(shí)刻在曲軸轉(zhuǎn)角-6°時(shí)NOx質(zhì)量濃度達(dá)到峰值。主要原因是此時(shí)缸內(nèi)平均溫度峰值最高達(dá)到1 700 K左右，推遲或者提前噴油時(shí)刻缸內(nèi)平均溫度峰值都有所降低。

(3)炭煙質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)與NOx相反，噴油時(shí)刻在上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角-6°左右時(shí)，炭煙排放較低。這是因?yàn)榇藭r(shí)燃燒后期溫度較高，加速了炭煙的氧化過(guò)程。因此，在對(duì)汽柴油雙燃料燃燒的柴油噴油時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要根據(jù)具體的排放目標(biāo)和燃油耗優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行選擇。