柴油機進氣摻混甲醇重整氣燃燒過程及排放特性

陳明山,賈和坤,王葭澤

（212013 江蘇省 鎮(zhèn)江市 江蘇大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

內燃機的使用推動了科技進步、社會發(fā)展，但在使人們享受現(xiàn)代文明的同時也造成能源供需矛盾和嚴重的環(huán)境污染[1]，急需清潔代用燃料替代傳統(tǒng)化石燃料，其中氫燃料作為高效潔凈可永久再生的清潔能源，被認為是最有潛力的內燃機燃料[2]。

氫氣具有點火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、擴散系數(shù)大等優(yōu)點，在內燃機進氣中摻混少量氫氣，可以改善燃油霧化蒸發(fā)，促進燃油與空氣的混合，改善缸內燃燒[3-4]。DEB[5]等人的研究證實，柴油機摻混氫氣后，缸內燃燒峰值壓力和放熱率均增加，指示功率增加，且隨著氫氣量增加而增加；CINIVIZ[6]等人的研究發(fā)現(xiàn)，通過進氣歧管引入氫氣實現(xiàn)柴油機摻氫燃燒雖然能夠改善油氣混合，提升熱效率，降低燃油消耗、HC、CO 以及顆粒排放，但NOX排放有所上升，且過高的氫氣摻混比還會導致回火、爆震等不正常燃燒現(xiàn)象。實際上，柴油機摻氫氣燃燒產(chǎn)生的回火、早燃和爆震等不正常燃燒現(xiàn)象嚴重制約了氫氣在柴油機上的推廣應用[7]。國內外學者進一步研究了富氫燃料。杜聰[8]等人研究煤層氣組分對內燃機燃燒過程的影響，發(fā)現(xiàn)含有氫氣和烷烴的煤層氣與柴油中的物質間相互化學作用，對燃燒過程起促進作用，但煤層氣現(xiàn)階段無法推廣使用；曹博[9]等人對富氫燃料焦爐氣發(fā)動機進行研究，發(fā)現(xiàn)摻燒焦爐氣后，油耗降低3%～4%，經(jīng)濟性提升明顯，但動力性略有下降；梅梓晗[10]等人對甲醇裂解氣進行了研究，發(fā)現(xiàn)摻燒甲醇裂解氣燃燒更接近奧拓循環(huán)，熱效率提高，但裂解氣的含量增加時，發(fā)動機的做功能力降低。裂解氣促進混合氣的燃燒速度，放熱重心不斷前移，多數(shù)燃料在上止點前燃燒，造成嚴重的壓縮負功，通過點火提前角的調整保證做功能力；文鑫[11]等人研究發(fā)現(xiàn)裂解氣中的稀釋氣體氮氣含量增加時，裂解氣的著火延遲時間會顯著增加。證實了富氫燃料好處是能夠利用氫氣燃燒點火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、熄時間短的優(yōu)勢，也能解決純氫氣摻燒帶來的回火、早燃和爆震等不正常燃燒現(xiàn)象。

近年來，基于尾氣余熱利用的甲醇裂解和重整制氫摻混燃燒因具有即產(chǎn)即用，余熱利用綜合熱效率提升量大的優(yōu)勢，成為內燃摻氫燃燒最具潛力的技術方案[12-13]。甲醇重整氣，其主要成分為H2和CO2混合氣[14]。實現(xiàn)柴油機甲醇重整氣摻燒，不但能夠利用H2點火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣榷?，焠熄時間短等特性，還利用重整氣中CO2實現(xiàn)缸內小比例EGR，協(xié)調高負荷下缸內燃料的C/H 比，實現(xiàn)清潔燃燒、提升發(fā)動機熱效率及改善排放性能。因此，本文以四缸柴油機為研究對象，采用數(shù)值模擬計算的方法，研究柴油機進氣摻混甲醇重整氣燃燒過程中，重整氣摻混比和噴油正時間對缸內壓力、燃燒放熱過程、Soot 排放和NOX排放的影響。

1 數(shù)值模型建立及驗證

1.1 樣機參數(shù)和模型建立

本文以四缸柴油機為研究對象，其基本技術參數(shù)如表1 所示。

表1 樣機參數(shù)Tab.1 Parameters of diesel engine

本文所用樣機燃燒室為深坑形，燃燒室為對稱設計，噴油器噴孔數(shù)為7。根據(jù)樣機結構參數(shù)，通過AVL 軟件workflow manager 模塊建立燃燒室三維模型，上止點時計算網(wǎng)格如圖1 所示。

圖1 燃燒室上止點時計算網(wǎng)格Fig.1 Calculation mesh at the top dead center of combustion chamber

1.2 計算模型選取及模型驗證

利用AVL FIRE 軟件進行柴油機摻燒甲醇重整氣數(shù)值模擬計算研究，在軟件中通過建立湍流模型、噴霧蒸發(fā)模型、噴霧破碎模型、燃燒模型以及排放模型對柴油機摻燒重整氣缸內壓力、溫度、放熱率、累計放熱量等熱力學參數(shù)及Soot、NOX等排放污染物進行模擬，本文所用的模型如表2 所示。

表2 模擬中用到的數(shù)學模型Tab.2 Mathematical models used in the simulation

計算工況為1 600 r/min，75%負荷，計算過程為從進氣門關閉正時（下止點后44°）到排氣門開啟正時（上止點前54°）范圍缸內燃燒過程及排放特性模擬計算。本文溫度邊界通過AVL BOOST 軟件計算為活塞頂面溫度593 K、缸套溫度500 K、缸蓋溫度553 K。根據(jù)實驗值設置進氣溫度為355 K，初始壓力為0.15 MPa。柴油機噴油正時為-10°CA BTDC。為驗證計算模型的準確性，將模擬計算得到的缸內壓力與實驗結果進行對比，如圖2 所示。結果表明，模擬計算與試驗測試結果基本一致，誤差在5%之內，滿足研究需求。

圖2 計算結果與試驗結果對比Fig.2 Pressure comparison of calculation and experiment

依據(jù)柴油機尾氣余熱甲醇重整制氫實驗結果，數(shù)值模擬計算中所摻混的甲醇重整氣由體積分數(shù)為75%的H2和體積分數(shù)為25%的CO2組成，假設甲醇重整氣與空氣完全混合，計算中采用等熱值的方法，將一部分柴油替代成熱值相等的甲醇重整氣或氫氣，摻混比為

在進行燃燒特征參數(shù)對比分析的過程中，滯燃期定義為著火始點與燃油噴射始點之間的間隔角度，著火始點為開始放熱始點對應的曲軸轉角，燃燒終點為累計放熱為最大放熱量的95%時對應曲軸轉角，燃燒持續(xù)期為著火始點到燃燒終點對應的曲軸轉角。

2 仿真結果分析

2.1 甲醇重整氣及氫氣對燃燒過程影響

在1 600 r/min，75%負荷工況，純柴油燃燒、甲醇重整氣及純氫氣摻燒（摻混比為10%）條件下的燃燒過程和排放性能對比如圖3 所示。由圖3（a）和圖3（b）可知，與原機相比，摻燒甲醇重整氣和氫氣后，缸內燃燒壓力峰值、燃燒溫度均升高，其對應的曲軸轉角略有提前，燃燒溫度升溫幅度和壓力增長幅度提高。甲醇重整氣摻燒缸內壓力峰值為9.88 MPa，低于H2的壓力峰值10.07 MPa，對應的曲軸轉角與氫氣摻燒相比滯后0.3°CA。這是因為，氫氣具有氣流擴散率高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、燃燒溫度較柴油高的特性，當氫氣被柴油壓燃的火核點燃后快速燃燒，氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣葟娀變扔蜌饣旌?，提升放熱速度和燃燒等容度，缸內壓力和溫度均會有所上升。甲醇重整氣缸內壓力峰值、溫度峰值較低于純氫氣，這是因為重整氣中蘊含CO2惰性氣體，在缸內實現(xiàn)小比例EGR 作用，但在低替代率下，CO2的量較少，EGR 的作用較小。

圖3 1 600 r/min，75%負荷工況，純柴油燃燒、甲醇重整氣及氫氣摻燒條件下燃燒過程和排放性能對比Fig.3 Comparison of combustion process and emission performance of pure diesel fuel,methanol reforming gas and hydrogen mixed combustion conditions at 1 600 r/min,75% load condition

從圖3（c）和圖3（d）看出，與原機相比，摻燒甲醇重整氣和純氫燃料后，發(fā)動機的放熱率峰值上升，燃燒持續(xù)期縮短，放熱始點提前，放熱過程整體上更加靠近上止點。摻混甲醇重整氣，放熱曲線略滯后于純氫燃料且放熱率峰值較高于純氫燃料。摻燒甲醇重整氣后，柴油機的累計放熱量較原機有所提高，替代率為30%時，累計放熱量較原機提升6.6%。這是因為摻燒甲醇重整氣中含有大量的H2，H2對缸內燃料與空氣混合狀況得到改善，使得預混燃燒部分增加，擴散燃燒部分相應減少，燃燒等容度提高，從而縮短了燃燒持續(xù)期，放熱率的峰值也相應提高。累計放熱量提升是因為，一方面甲醇重整氣中含有H2燃料快速燃燒，提升燃燒等容度；另一方面是因為甲醇重整氣是由甲醇和水經(jīng)過重整反應得到的，重整的過程是吸熱過程，燃料的總熱值得到提升。因此甲醇重整氣通入到缸內燃料的總能量較原柴油機有所提升，進而提升柴油機熱效率。

圖3（e）和圖3（f）為原機與摻燒甲醇重整氣、氫氣時柴油機NOX和Soot 的排放曲線對比圖。從Soot 生成可以看出，油束噴射到氣缸內與空氣進行混合后燃燒，在燃燒初期生成大量Soot。在噴油過程中，在油束附近區(qū)域的柴油濃度相對高，在這區(qū)域氧含量相對不足，不完全燃燒程度提高生成大量Soot；隨著混合質量的提升和燃燒過程的進行，Soot 得到充分氧化，使得排放量降低。柴油機摻混甲醇重整氣、H2后燃燒質量得到改善，缸內的不完全燃燒程度降低，Soot 生成量下降且摻燒甲醇重整氣的Soot 生成度也低于純氫氣。原因：一是柴油噴射量減少使得Soot 的生成減少；二是摻混甲醇重整氣或氫氣后改善缸內的油氣混合質量。摻混甲醇重整氣及H2后，H2被引燃產(chǎn)生快速湍流火焰?zhèn)鞑?，進一步促進柴油擴散燃燒程度，提升缸內的燃燒質量，使得Soot 生成量減少。從NOX曲線看出，摻混甲醇重整氣或氫氣后NOx 的生成量均高于原機，且甲醇重整氣較低于氫燃料。這是由于摻燒甲醇重整氣能充分利用氫燃料的特性，使柴油機缸內燃燒溫度以及燃燒速度都得到提升，同時缸內的C/H 比例得到改善，并改善缸內缺氧的環(huán)境，在相對富氧環(huán)境下促使NOX的生成。

2.2 重整氣摻混比對燃燒過程影響

圖4 為純柴油燃燒和甲醇重整氣替代率為10%、20%、30%條件下的燃燒過程和排放性能對比。如圖4（a）所示，隨著甲醇重整氣摻混比的提升，摻燒甲醇重整氣后缸內燃燒壓力峰值較原機提高3.84%、9.01%和14.52%，其對應的曲軸轉角略有提前。缸內燃燒溫度峰值也隨著上升，缸內溫度曲線升溫段逐漸變陡，溫度峰值對應的曲軸轉角也相應略有提前。這是因為隨著摻混比的提升，摻燒甲醇重整氣量增加，缸內預混燃燒部分隨之增加，整個燃燒過程更加靠近上止點，等容度燃燒提高。圖4（b）為不同甲醇重整氣摻混比下缸內放熱率和累計放熱量曲線圖。隨著摻混比的提升，放熱率曲線前移，放熱率峰值增加其對應的曲軸轉角前移，燃燒持續(xù)期繼續(xù)縮短，累計放熱量隨著摻混比的增加繼續(xù)增加。隨著摻混比的提升，缸內的氫氣量增加，對缸內混合氣混合速度進一步提升，燃燒更靠近上止點，燃燒狀況改善程度挺高，做功能力加強。隨著摻混比的提升，柴油機摻燒甲醇重整氣對應的Soot 及NOX排放如圖4（c）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，摻混比的提升，Soot 排放進一步降低且重整氣的Soot 排放。這是因為摻混比提升，缸內的氫含量增加，柴油量減少，缸內氧含量相對提高，促進了燃燒狀態(tài)的改善，反應程度較高，因此Soot排放較低。而NOX排放產(chǎn)生的條件是“高溫富氧”。隨著摻混比的提升，燃燒溫度提高及缸內相對氧含量較高，NOX排放進一步升高。

圖4 1 600 r/min，75%負荷工況不同重整氣摻混比的燃燒過程和排放性能對比Fig.4 Comparison of combustion process and emission performance of reforming gas with different mixing ratios at 1 600 r/min,75% load condition

2.3 噴油正時對摻燒重整氣燃燒影響

柴油機的油氣混合以及燃燒放熱過程受噴油參數(shù)的影響，進而影響柴油機的工作性能，因此柴油機摻混燃燒也不例外。本節(jié)以甲醇重整氣替代率為20%為例，保證噴油壓力、進氣壓力和進氣溫度等邊界參數(shù)不變，調整噴油正時，研究不同噴油正時下柴油機摻燒甲醇重整氣工作過程影響。

圖5（a）—圖5（d）所示為不同噴油正時下純柴油燃燒和甲醇重整氣的燃燒過程和排放性能對比圖。可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴油正時提前，缸內壓力峰值愈來愈高。柴油機摻燒甲醇重整氣較原機相比壓力高且隨噴油正時提前增長幅度逐漸增加。缸內溫度隨噴油正時的提前而不斷增加，并且摻混甲醇重整氣后的燃燒溫度也高于純柴油條件下。放熱率隨噴油正時的提前，缸內燃燒始點和放熱重心也相應提前，且摻燒甲醇重整氣提前幅度較快于柴油條件下，同樣摻混甲醇重整氣的累計放熱量較柴油條件高。這是因為噴油正時提前，柴油機摻混甲醇重整氣的燃燒始點提前，滯燃期和燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動機等容度燃燒得到強化，做功能力加強，熱效率也得到提高。但隨著正時繼續(xù)提前，燃燒在上止點之前開始燃燒，燃燒重心愈來愈前，壓縮負功提升，弱化重整氣帶來的熱效率提升的優(yōu)勢。如圖5（e）和5（f）所示為柴油機摻燒甲醇重整氣隨噴油正時變化的NOX和Soot 排放曲線圖。隨正時的提前，NOX排放增加，且摻燒甲醇重整氣的NOX排放增加程度高于柴油。Soot 排放隨著正時的提前，原機呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，甲醇重整氣Soot 排放均低于柴油，處于非常低的水平。這是因為摻燒甲醇重整氣后缸內溫度升高，Soot 得到充分氧化燃燒。

圖5 1 600 r/min，75%負荷工況不同噴油正時下燃燒過程和排放性能對比Fig.5 Comparison of combustion process and emission performance of diesel engines under different fuel injection periods at 1 600 r/min,75% load condition

3 結論

（1）柴油機摻燒甲醇重整氣后缸內燃燒質量得到改善，缸內壓力及溫度均升高，滯燃期和燃燒持續(xù)期均縮短，放熱速度更快，提高燃燒等容度，提升熱效率。與純氫氣相比，壓力峰值以及溫度峰值均低于純氫氣，放熱略滯后于純氫氣。

（2）摻混甲醇重整氣后，缸內不完全燃燒程度降低，Soot 排放下降。在甲醇重整氣替代率分別為10%、20%和30%時，柴油機摻混重整氣后Soot 排放較原機下降27.6%、52.4%和70.1%。同樣NOX的排放因為燃燒質量的改善而增加。隨著重整氣替代率的提高，NOx 排放較原機增加16.8%、38.1%和59.5%。

（3）通過噴油正時的推遲，柴油機摻燒甲醇重整氣后缸內燃燒重心后移，后燃比重增加，燃燒等容度下降，Soot 排放降低，NOX排放降低，柴油機功率降低。