噴水對(duì)氬氣循環(huán)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)爆震及熱效率的影響分析

楊豪，梁興湖，鄧俊，金少也，丁偉奇，李理光

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

我國(guó)承諾力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，使內(nèi)燃機(jī)可持續(xù)發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。氬氣動(dòng)力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)搭配碳中性燃料或氫燃料便可以實(shí)現(xiàn)高效、零碳和零污染排放，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

氬氣動(dòng)力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種以氬氣（Ar）為循環(huán)工質(zhì)的閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。由于使用氬氣代替氮?dú)?，從根本上杜絕了NO的生成。根據(jù)奧托循環(huán)效率公式可知，高比熱比的循環(huán)工質(zhì)可以獲得更高的熱效率。而氬氣作為單原子分子，其比熱容比為1.67，能顯著提高循環(huán)工質(zhì)的比熱容比，實(shí)現(xiàn)更高的熱力循環(huán)效率。氬氣動(dòng)力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用天然氣和氫氣作為燃料。其中，天然氣易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，已經(jīng)是當(dāng)前的主要可供燃料，其主要成分是甲烷，碳強(qiáng)度相對(duì)較低，具有良好的抗爆性，可以實(shí)現(xiàn)更高的壓縮比。配合二氧化碳捕集裝置，氬氣動(dòng)力循環(huán)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)亦可實(shí)現(xiàn)零碳和近零排放。

根據(jù)KILLINGSWORTH等的研究，由于受到爆震的影響，氬氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率在壓縮比為5.5的時(shí)候即達(dá)到最優(yōu)。因此，有必要嘗試采用抑制爆震的方法來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。常見的抑制爆震的方式有EGR、噴水、改變配氣相位等。目前，噴水技術(shù)應(yīng)用于汽油機(jī)減緩爆震已得到廣泛的研究。水作為惰性工質(zhì)，可以通過(guò)稀釋可燃混合氣和降低缸內(nèi)溫度抑制末端混合氣自燃，從而緩和爆震。BERNI等分析了噴水作為燃油加濃的替代手段對(duì)爆震的影響，分析表明，在某些條件下，噴水能抑制爆震，從而能改善燃油消耗率。NETZER等用CFD耦合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方法，仿真分析噴水對(duì)汽油機(jī)燃燒和熱力學(xué)過(guò)程的影響。結(jié)果表明噴水會(huì)降低層流火焰速度、引入汽化潛熱、影響化學(xué)平衡、引入水蒸氣熱容等。其中層流火焰速度對(duì)爆震影響最大，其次是汽化潛熱，緊接著是化學(xué)平衡和水蒸氣熱容。

結(jié)合氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和噴水技術(shù)，從效率的角度看，水的汽化潛熱和水蒸氣的高比熱容可以降低缸內(nèi)溫度而具有減少傳熱損失和抑制爆震的潛力，但是水蒸氣的低比熱比又會(huì)降低理論熱效率，由此噴水對(duì)于氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的影響過(guò)程。噴水對(duì)于氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震及熱效率的影響值得進(jìn)一步探索和分析。

本文將基于氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用甲烷作為燃料，結(jié)合噴水技術(shù)，通過(guò)仿真研究噴水對(duì)抑制氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震、改善熱效率的潛力，同時(shí)關(guān)注噴水的影響機(jī)理。

1 臺(tái)架設(shè)置

試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)是基于一臺(tái)汽油/天然氣兩用燃料的渦輪增壓三缸發(fā)動(dòng)機(jī)改造而來(lái)的，天然氣和汽油均為進(jìn)氣道噴射，原機(jī)基本參數(shù)見表1。主要改動(dòng)是將原來(lái)的進(jìn)氣管路改造為氬氧供給系統(tǒng)，對(duì)排氣系統(tǒng)的一些管路重新布置，為燃料供給系統(tǒng)新增了一套甲烷供給管路，將點(diǎn)火系統(tǒng)中中間氣缸的火花塞改為了火花塞式缸壓傳感器；對(duì)于冷卻系統(tǒng)，將節(jié)溫器旁通，改為試驗(yàn)室內(nèi)冷卻恒溫系統(tǒng)控制冷卻水溫度，將渦輪增壓器旁通，將原機(jī)ECU改為自主開發(fā)的可變參數(shù)控制系統(tǒng)，并增加了各種傳感器和自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖1為準(zhǔn)氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置示意圖。此外，也進(jìn)行了部分進(jìn)氣為空氣的試驗(yàn)，此時(shí)則是把氬氧混合氣斷開，直接流進(jìn)空氣。

圖1 準(zhǔn)氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)［11］

2 GT-Power仿真模型驗(yàn)證

2.1 熱力學(xué)仿真模型介紹

熱力學(xué)仿真是基于GT-Power開展，仿真模型見圖2所示。圖中左側(cè)對(duì)應(yīng)進(jìn)氣管路，右側(cè)對(duì)應(yīng)排氣管路，中間為氣缸和曲柄連桿部分。與流動(dòng)/流量相關(guān)的包括甲烷噴嘴、進(jìn)氣管路和排氣管路等，與燃燒放熱相關(guān)的是氣缸，與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的包括氣缸和曲柄連桿部分。GT-Power模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用與試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的參數(shù)，邊界條件也是采用試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集程序的實(shí)測(cè)值，包括進(jìn)氣流量、進(jìn)氣溫度和壓力、排氣溫度和壓力、甲烷溫度、過(guò)量氧氣系數(shù)等。此外，模型中采取節(jié)氣門閉環(huán)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，將模型中的進(jìn)氣流量控制在與試驗(yàn)值0.5%相對(duì)誤差范圍內(nèi)。

圖2 GT-Power熱力學(xué)仿真模型

本文還標(biāo)定了爆震模型，爆震模型的判斷依據(jù)為誘導(dǎo)時(shí)間積分。爆震通常被認(rèn)為是末端混合氣在火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)前自燃的結(jié)果，描述自燃過(guò)程的模型為誘導(dǎo)時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式，如式（1）所示。

式中：（）為誘導(dǎo)時(shí)間積分；為末端混合氣從開始被壓縮到當(dāng)前時(shí)刻所經(jīng)過(guò)的時(shí)間；為混合氣在瞬時(shí)溫度和壓力下的誘導(dǎo)時(shí)間（也是末端混合氣發(fā)生自燃所需要的時(shí)間），通常表示為Arrhenius公式，如式（2）所示。

式中：、、為與燃料相關(guān)的參數(shù)，其也能表示為：

式中：ON為燃料的辛烷值；為絕對(duì)壓力；為開爾文溫度。

2.2 GT-Power仿真模型驗(yàn)證

如表2所示，選用了兩種試驗(yàn)工況進(jìn)行標(biāo)定，其中氬氧混合氣的體積比例為（85%∶15%），兩種氛圍對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)速相同、制動(dòng)平均有效壓力接近。由于空氣氛圍中試驗(yàn)不受爆震限制，所以空氣氛圍對(duì)應(yīng)的GT-Power模型未標(biāo)定爆震模型。而在氬氧氛圍中，所標(biāo)定的工況為試驗(yàn)確定的臨界爆震點(diǎn)，爆震模型標(biāo)定是將對(duì)應(yīng)工況的誘導(dǎo)時(shí)間積分標(biāo)定至1附近，作為爆震臨界判據(jù)。

表2 兩種試驗(yàn)工況

圖3分別為GT-Power仿真模型在空氣氛圍和氬氧氛圍中的缸壓對(duì)比，由圖可知，試驗(yàn)和仿真的缸壓總體上較為吻合。相應(yīng)的，如表3所示，IMEP（指示平均有效壓力）、ITE（指示熱效率）、BMEP（制動(dòng)平均有效壓力）、BTE（有效熱效率）的試驗(yàn)和仿真誤差都在5%以內(nèi)。因此，認(rèn)為模型正確，可以進(jìn)入仿真計(jì)算階段。

圖3 GT-Power缸壓標(biāo)定結(jié)果

表3 主要參數(shù)的試驗(yàn)和GT-Power仿真誤差單位：%

3 噴水對(duì)氬氣動(dòng)力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

3.1 低負(fù)荷工況下噴水對(duì)熱效率的影響分析

本文將基于標(biāo)定模型時(shí)所使用的氬氧氛圍工況對(duì)噴水所帶來(lái)的影響進(jìn)行研究，計(jì)算工況為：轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，氬氧體積比例為85%∶15%。通過(guò)改變水氣比，點(diǎn)火時(shí)刻從溫度、壓力、做工、熱效率等角度分析噴水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。其中，水氣比為水與甲烷的質(zhì)量比。

3.1.1 噴水對(duì)缸內(nèi)壓力和溫度的影響

圖4為氬氧氛圍中水氣比對(duì)缸內(nèi)壓力和溫度的影響。對(duì)于缸內(nèi)壓力，水氣比的影響主要集中在壓縮上止點(diǎn)附近，提高水氣比能顯著降低缸內(nèi)峰值壓力。而對(duì)于缸內(nèi)溫度，從噴水時(shí)刻（-180°ATDC）起至該循環(huán)結(jié)束，噴水都能顯著降低缸內(nèi)溫度。

圖4 噴水對(duì)缸內(nèi)壓力和溫度的影響

3.1.2 噴水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)能量分布的影響

如圖5所示，水的加入勢(shì)必會(huì)引起循環(huán)工質(zhì)比熱比的減小。根據(jù)奧托循環(huán)效率公式，比熱比的減小會(huì)導(dǎo)致熱效率的降低，所以水的加入會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率變低。但由于實(shí)際狀況中，發(fā)動(dòng)機(jī)并非是絕熱的，即一般都存在傳熱損失，且存在排氣損失，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)還需要從具體的能量分布來(lái)判斷。在能量分布上，燃料化學(xué)能的去向?yàn)橹甘竟?、傳熱和排氣。噴水后，水汽化吸熱，水蒸氣也是做功工質(zhì)，根據(jù)3.1.1，缸內(nèi)燃燒溫度也發(fā)生了變化，最終影響燃料化學(xué)能的去向。

圖5噴水對(duì)比熱比的影響

圖6為氬氧氛圍中的傳熱損失和排氣損失隨水氣比和點(diǎn)火時(shí)刻的變化。傳熱損失與排氣損失的變化規(guī)律相反，增大水氣比和推遲點(diǎn)火使得傳熱損失減少但使得排氣損失增加。噴水會(huì)降低缸內(nèi)溫度而減少傳熱損失，但水蒸氣作為工質(zhì)會(huì)攜帶部分能量成為排氣損失的一部分。因此，合適的噴水量和對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火時(shí)刻則是十分重要。

圖6 噴水對(duì)傳熱損失和排氣損失的影響

3.1.3 噴水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響

由3.1.2可以得出，應(yīng)該存在最優(yōu)的噴水量和點(diǎn)火時(shí)刻使得熱效率最高。圖7為氬氧氛圍中的指示平均有效壓力IMEP和指示熱效率ITE隨水氣比和點(diǎn)火時(shí)刻的變化。圖7b中黑色方框代表不噴水工況的最高指示熱效率，藍(lán)色方框?yàn)樽顑?yōu)水氣比下的最高指示熱效率，虛線為不噴水工況最高指示熱效率的等值線。由此可知，存在較寬的水氣比范圍（約為0～1.2）會(huì)使指示熱效率不受三原子工質(zhì)水蒸氣的負(fù)面影響。與氬氧氛圍不噴水工況相比，最高指示熱效率最高提高了0.2%，與標(biāo)定模型的空氣氛圍不噴水工況相比，最高指示熱效率最高提高了9%。

圖7 噴水對(duì)IMEP和ITE的影響

從指示功到有效功之間，存在摩擦損失。圖8為摩擦損失和有效熱效率隨水氣比和點(diǎn)火時(shí)刻的變化。噴水能降低缸內(nèi)壓力從而能降低摩擦損失。有效熱效率的變化規(guī)律類似于指示熱效率，但由于摩擦損失的緣故，有效熱效率的最佳點(diǎn)火時(shí)刻更為滯后。圖中黑色方框代表不噴水工況的最高有效熱效率，藍(lán)色方框?yàn)樽顑?yōu)水氣比下的最高有效熱效率，虛線為不噴水工況最高有效熱效率的等值線。由此可知，亦存在較寬的水氣比范圍（約為0～1.1）使得有效熱效率不受水蒸氣的負(fù)面影響。與氬氧氛圍不噴水工況相比，最高有效熱效率最高提高了0.1%，與標(biāo)定模型的空氣氛圍不噴水工況相比，最高有效熱效率最高提高了7.9%。

盡管本節(jié)的計(jì)算工況均未發(fā)生爆震（除了部分點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)度提前的工況），但也能通過(guò)分析未燃區(qū)溫度和誘導(dǎo)時(shí)間積分來(lái)分析爆震傾向。圖9為氬氧氛圍中未燃區(qū)溫度和誘導(dǎo)時(shí)間積分隨水氣比和點(diǎn)火時(shí)刻的變化。由圖可知，噴水能夠有效降低未燃區(qū)溫度并減小誘導(dǎo)時(shí)間積分，有利于抑制爆震。也就是說(shuō)，噴水能在很寬的水氣比范圍內(nèi)抑制爆震，且不影響指示熱效率。

圖9 噴水對(duì)未燃區(qū)溫度和誘導(dǎo)時(shí)間積分的影響

3.2 高負(fù)荷工況下噴水對(duì)爆震抑制和熱效率提升的影響

在3.1中，基于氬氧氛圍下低負(fù)荷狀況，分析得出一定的噴水量有利于抑制爆震且不降低熱效率的結(jié)論。本節(jié)將對(duì)比不同負(fù)荷下，即當(dāng)爆震發(fā)生時(shí)，噴水對(duì)改善氬氣循環(huán)天然氣機(jī)的潛力。

圖8噴水對(duì)FMEP和BTE的影響

圖10為不同負(fù)荷下，未噴水工況的未燃區(qū)溫度和誘導(dǎo)時(shí)間積分隨點(diǎn)火時(shí)刻的變化。圖中的0.6 MPa、0.8 MPa和1.2 MPa分別表示對(duì)應(yīng)的制動(dòng)平均有效壓力BMEP約為0.6 MPa、0.8 MPa和1.2 MPa，后續(xù)圖中的含義與此相同，同時(shí)本節(jié)計(jì)算中的轉(zhuǎn)速依然保持為1 000 r/min。在點(diǎn)火時(shí)刻為0°CA ATDC之前，未燃區(qū)溫度隨著負(fù)荷增大而增大。然而在點(diǎn)火時(shí)刻為0°CA ATDC之后，0.8 MPa工況的未燃區(qū)溫度最大。誘導(dǎo)時(shí)間積分隨著負(fù)荷增大而單調(diào)增大。對(duì)于1.2 MPa工況，即使點(diǎn)火時(shí)刻推遲至5°CA ATDC，誘導(dǎo)時(shí)間積分值仍大于1，也就是在大負(fù)荷工況下需采取爆震抑制措施。

圖10 不同負(fù)荷下未噴水工況的未燃區(qū)溫度（柱狀圖）和誘導(dǎo)時(shí)間積分（點(diǎn)線圖）隨點(diǎn)火時(shí)刻的變化

圖11分別為氬氧氛圍中BMEP約為0.8 MPa和1.2 MPa工況中的誘導(dǎo)時(shí)間積分隨水氣比和點(diǎn)火時(shí)刻的變化。由于0.6 MPa工況不受爆震影響，所以僅展示0.8 MPa和1.2 MPa工況的誘導(dǎo)時(shí)間積分。由圖可知，推遲點(diǎn)火能減小誘導(dǎo)時(shí)間積分而有利于抑制爆震。在相同的點(diǎn)火時(shí)刻下，從不噴水到逐漸增大水氣比，誘導(dǎo)時(shí)間積分顯著減小，這說(shuō)明噴水也有利于抑制爆震。負(fù)荷增大會(huì)使得誘導(dǎo)時(shí)間積分增大。當(dāng)負(fù)荷從0.8 MPa到1.2 MPa，要想抑制爆震，其所需的水氣比更高。

圖11誘導(dǎo)時(shí)間積分隨水氣比和點(diǎn)火時(shí)刻的變化

圖12為氬氧氛圍中不同負(fù)荷下的指示熱效率ITE隨水氣比的變化。點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)應(yīng)為使得指示熱效率最高或者是不爆震的時(shí)刻，灰色圓圈表示為該工況受爆震限制而將點(diǎn)火時(shí)刻推遲至使得誘導(dǎo)時(shí)間積分小于1。1.2 MPa工況下，在不噴水和水氣比為0.1的時(shí)候，盡管點(diǎn)火時(shí)刻推遲至5°CA ATDC仍然不能使誘導(dǎo)時(shí)間積分降至1以下，因此沒有展示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。不同負(fù)荷下，當(dāng)水氣比增大，指示熱效率先是逐漸升高，然后到達(dá)峰值，最后過(guò)多的水使得熱效率下降。與誘導(dǎo)時(shí)間積分變化趨勢(shì)類似，1.2 MPa工況的爆震更為嚴(yán)重，其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水氣比也比0.8 MPa工況的大。噴水后，0.6 MPa工況的最高指示熱效率提高了0.2%，0.8 MPa工況的最高指示熱效率提高了0.4%，1.2 MPa工況的最高指示熱效率提高了1.2%（水氣比1工況相對(duì)水氣比0.4）。由于0.6 MPa工況不受爆震限制，所以指示熱效率改善較小，而0.8 MPa和1.2 MPa工況最高指示熱效率得到了明顯的提升。

圖12不同負(fù)荷下ITE隨水氣比的變化

圖13為氬氧氛圍中不同負(fù)荷下的有效熱效率BTE隨水氣比的變化，點(diǎn)火時(shí)刻為使得有效熱效率最高或者是不爆震的時(shí)刻，灰色圓圈含義同上?？傮w上，有效熱效率與指示熱效率的變化趨勢(shì)較為類似，但是由于點(diǎn)火時(shí)刻會(huì)影響缸內(nèi)峰值壓力繼而影響摩擦平均有效壓力（Friction Mean Effective Pressure，F(xiàn)MEP）和BMEP，從而使BTE最優(yōu)的點(diǎn)火時(shí)刻偏離ITE的最優(yōu)點(diǎn)火時(shí)刻。噴水后，0.6 MPa工況的最高有效熱效率提高了0.1%，0.8 MPa工況的最高有效熱效率提高了0.2%，1.2 MPa工況的最高有效熱效率提高了0.8%（水氣比1工況相對(duì)水氣比0.4）。由此可知，當(dāng)爆震發(fā)生時(shí)，噴水有利于改善有效熱效率。

圖13 不同負(fù)荷下BTE隨水氣比的變化

4 結(jié)論

（1）噴水可以明顯降低氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向，結(jié)合合適的點(diǎn)火時(shí)刻，噴水還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

（2）低負(fù)荷工況下，噴水能夠顯著降低缸內(nèi)峰值壓力和缸內(nèi)溫度；增大水氣比和推遲點(diǎn)火，使傳熱損失減少但排氣損失增加；在一定水氣比下通過(guò)改變點(diǎn)火提前角不降低或提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率；相對(duì)于標(biāo)定模型時(shí)所使用的空氣不噴水工況，氬氧氛圍中的最高有效熱效率最高提升了7.9%，最高指示熱效率提升更大，最高可達(dá)9%。

（3）大負(fù)荷工況與氬氧氛圍不噴水工況相比，不發(fā)生爆震的前提下BMEP為0.6 MPa工況的最高指示熱效率提高0.2%、最高有效熱效率提高0.1%；0.8 MPa工況的最高指示熱效率提高0.4%、最高有效熱效率提高0.2%；1.2 MPa工況的最高指示熱效率提高1.2%、最高有效熱效率提高0.8%（水氣比為1的工況相對(duì)于水氣比為0.4的工況）。