陳書(shū)郅,張光德,張鼎成

(武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院,湖北 武漢,430065)

降低內(nèi)燃機(jī)污染物排放量以及減少對(duì)石油基燃料的依賴一直是內(nèi)燃機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。天然氣具有環(huán)保性好、儲(chǔ)量豐富、使用成本低、辛烷值較高等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛作為汽車(chē)代用燃料。與其他種類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)相比較,天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是使用燃料靈活、碳煙顆粒物和NOx排放有所減少、熱效率較高以及燃燒噪聲小,但它在中低負(fù)荷時(shí)也存在THC及CO排放高的問(wèn)題[1-3]。雖然通過(guò)優(yōu)化噴射正時(shí)[4-5]、噴射壓力[6-7]、廢氣再循環(huán)(EGR)[8-9]和天然氣替代率[10-11]等策略可以改善雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性,但上述問(wèn)題仍限制了天然氣替代率的提高。中低負(fù)荷時(shí),天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中混合氣過(guò)稀,甲烷較低的層流燃燒速度和擴(kuò)散率使得燃燒穩(wěn)定性變差,導(dǎo)致THC及CO排放升高。Ogawa等[12]研究了當(dāng)量比對(duì)一臺(tái)由單缸柴油機(jī)改裝成的天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放的影響,結(jié)果表明:低負(fù)荷時(shí),增大天然氣當(dāng)量比到0.5左右可以降低THC及CO排放量,提高熱效率;高負(fù)荷時(shí),增大進(jìn)氣壓力可以延緩燃燒速率,降低NOx排放量,但會(huì)增加THC及CO排放量。Shim等[13]研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)節(jié)氣門(mén)節(jié)流和進(jìn)氣加熱來(lái)提高當(dāng)量比和進(jìn)氣溫度,不但可以改善雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率及燃燒穩(wěn)定性,還可以將THC和CO排放量分別降低38.3%和34.7%,但同時(shí)會(huì)使NOx排放量略微升高。Li等[14]通過(guò)試驗(yàn)研究了當(dāng)量比對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響,結(jié)果表明,隨著當(dāng)量比的升高,CA10遠(yuǎn)離上止點(diǎn),THC排放量顯著減少,NOx排放量先增加后減少。

發(fā)動(dòng)機(jī)引燃燃料的著火性能對(duì)提高天然氣替代率起著關(guān)鍵作用。聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers, PODEn)是一種新型的柴油代用燃料,PODEn較高的十六烷值使得采用極少的引燃燃料就可以控制燃燒相位,從而緩解天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的失火傾向。Song等[15]進(jìn)行了PODEn與柴油分別作為天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃燃料的對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)與柴油相比,PODEn實(shí)現(xiàn)了更低的THC、CO、NOx和碳煙排放以及更高的熱效率,這說(shuō)明PODEn是一種很有前途的天然氣引燃燃料。

目前國(guó)內(nèi)外研究新型燃料引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的相關(guān)文獻(xiàn)較少。當(dāng)量比和引燃燃料的噴油時(shí)刻對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)的燃燒過(guò)程、熱效率及排放特性有很大影響,為此,針對(duì)天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)THC及CO排放高、燃燒效率低和燃油經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)題,本文將高活性引燃燃料PODEn作為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的直噴燃料,通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣壓力來(lái)調(diào)節(jié)缸內(nèi)的總當(dāng)量比,利用仿真軟件CONVERGE分析不同當(dāng)量比和PODEn噴射時(shí)刻對(duì)低負(fù)荷工況下天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響。

1 模型的建立與驗(yàn)證

1.1 模型的建立

本文以東風(fēng)DCI11發(fā)動(dòng)機(jī)為建模對(duì)象,發(fā)動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)如表1所示[15]。該發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器為8孔等間距設(shè)計(jì),燃燒室是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。為了提高計(jì)算效率,本文以燃燒室的1/8為基準(zhǔn)建立模型,計(jì)算區(qū)域采用45°的扇形區(qū)域,計(jì)算中忽略進(jìn)排氣過(guò)程,只模擬進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻至排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻。燃燒室模型如圖1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 燃燒室模型

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,混合氣在缸內(nèi)會(huì)進(jìn)行強(qiáng)烈且復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng),因此選擇合適的數(shù)理模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性十分重要。本文湍流模型選用RNGκ-ε模型,液滴破碎模型選用KH-RT模型,液滴相互碰撞和聚集模型選用NTC模型,碰壁模型選用Rebound/Slide模型,碳煙模型選用Hiroyasu Soot模型,燃燒模型選用SAGE模型。文中用甲烷(CH4)表征天然氣,用PODE3表征聚甲氧基二甲醚。計(jì)算時(shí)缸內(nèi)燃燒采用Huang等[16]開(kāi)發(fā)的PODE3/NG化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,包含了124種組分及650步反應(yīng)。網(wǎng)格的基本尺寸設(shè)為4 mm,氣缸蓋、活塞以及噴霧區(qū)域采用2級(jí)嵌入式加密,在整個(gè)模擬過(guò)程中對(duì)氣缸內(nèi)部溫度和流速進(jìn)行2級(jí)自適應(yīng)加密,運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)的氣缸網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 上止點(diǎn)時(shí)的氣缸網(wǎng)格

1.2 模型的驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用的數(shù)據(jù)為Song等[15]提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),模擬工況參數(shù)設(shè)置保持和實(shí)驗(yàn)一致,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,平均指示壓力(IMEP)約為0.4 MPa。模擬實(shí)驗(yàn)中天然氣由進(jìn)氣道噴射進(jìn)入燃燒室,PODEn噴射壓力固定在100 MPa,通過(guò)噴油器直接噴射到燃燒室內(nèi),具體的工況參數(shù)如表2所示。

表2 模型驗(yàn)證的工況參數(shù)

將模擬得到的氣缸平均壓力和放熱率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。從圖3可以看出,氣缸平均壓力模擬值和實(shí)驗(yàn)值的一致性比較好,同時(shí),模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了燃燒放熱階段的相位和放熱率峰值,放熱率曲線與實(shí)驗(yàn)值的整體吻合度也較高。以上結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖3 模型驗(yàn)證結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)通常是處于稀薄燃燒狀態(tài),總?cè)伎债?dāng)量比則決定了稀薄燃燒的效果。初始缸內(nèi)狀態(tài)影響缸內(nèi)混合氣的濃度分布,還影響缸內(nèi)燃料的著火時(shí)刻、燃燒速率和污染物的生成。下面通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)研究燃空當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響。在RCCI燃燒模式下,天然氣混合氣在缸內(nèi)均勻分布,缸內(nèi)初始?jí)毫εc進(jìn)氣壓力相近,缸內(nèi)初始?jí)毫统跏紲囟裙餐瑳Q定了進(jìn)氣量,通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力來(lái)改變?nèi)伎债?dāng)量比。在低負(fù)荷工況下,設(shè)置天然氣替代率為80%,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,IMEP為0.4 MPa,調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力使PODEn和天然氣總當(dāng)量比從0.38變化到0.70,對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能進(jìn)行對(duì)比研究。

當(dāng)量比對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率、滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響如圖4～圖6所示。由圖4可知,隨著當(dāng)量比的升高,缸內(nèi)壓力整體降低,燃燒相位推遲。由圖5可知,隨著當(dāng)量比的升高,放熱率峰值先升高后降低,缸內(nèi)著火時(shí)刻推遲。這是因?yàn)楫?dāng)量比升高意味著燃燒室內(nèi)混合氣濃度升高,從而使混合氣燃燒做功增加,放熱率峰值升高;而在當(dāng)量比從0.50增加到0.70時(shí),缸內(nèi)較低的初始?jí)毫?dǎo)致燃燒相位遠(yuǎn)離上止點(diǎn),放熱率峰值反而下降。由圖6可知,隨著當(dāng)量比的升高,滯燃期延長(zhǎng),著火時(shí)刻推遲,當(dāng)量比升高到0.63時(shí),燃燒持續(xù)期降低較多,這是因?yàn)楦變?nèi)總?cè)伎债?dāng)量比明顯升高,滯燃期延長(zhǎng)使得天然氣與空氣混合更加均勻,天然氣預(yù)混燃燒的比例增加,燃燒速率加快導(dǎo)致燃燒持續(xù)期減少;當(dāng)量比升高到0.70時(shí),雖然缸內(nèi)油氣混合更加均勻,但缸內(nèi)初始?jí)毫^低,滯燃期明顯延長(zhǎng),著火時(shí)刻滯后,天然氣后期燃燒速率變慢,燃燒持續(xù)期也在延長(zhǎng)。

圖4 不同當(dāng)量比下的缸內(nèi)壓力曲線

圖5 不同當(dāng)量比下的放熱率曲線

圖6 當(dāng)量比對(duì)滯燃期和燃燒持續(xù)期的影響

圖7是不同當(dāng)量比下位于不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的缸內(nèi)溫度分布云圖。隨著當(dāng)量比從0.38增至0.63,PODEn周?chē)嗟幕旌蠚鈪⑴c了燃燒,15°CA ATDC時(shí)缸內(nèi)產(chǎn)生更多的燃燒高溫區(qū)域。當(dāng)量比從0.63增至0.70時(shí),由10°CA ATDC到15°CA ATDC的缸內(nèi)溫度變化可以看出,燃燒室高溫分布區(qū)域面積減少,缸內(nèi)燃燒持續(xù)期變長(zhǎng),缸內(nèi)溫度降低。當(dāng)量比為0.70時(shí),燃燒室內(nèi)的低溫區(qū)域較多,且主要集中在燃燒室中心。

圖7 不同當(dāng)量比下的缸內(nèi)溫度分布

圖8、圖9為不同當(dāng)量比下的缸內(nèi)平均溫度和累計(jì)放熱量變化曲線。隨著當(dāng)量比的升高,缸內(nèi)平均溫度峰值呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),總?cè)伎债?dāng)量比為0.63時(shí),缸內(nèi)平均溫度最高?？?cè)伎债?dāng)量比升高越快,缸內(nèi)平均溫度升高也越快,這是因?yàn)楫?dāng)量比越高,混合氣就越濃,滯燃期增加,燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾噬?天然氣燃燒更完全,使得溫度峰值更高。當(dāng)量比為0.70時(shí),缸內(nèi)初始?jí)毫^小,燃燒持續(xù)期變長(zhǎng),化學(xué)反應(yīng)速率較慢,放熱緩慢,缸內(nèi)溫度下降。隨著當(dāng)量比的升高,總放熱量增加,當(dāng)量比從0.63增至0.70時(shí),累計(jì)放熱量沒(méi)有明顯變化,燃燒效率接近,這是因?yàn)槿紵艧徇h(yuǎn)離上止點(diǎn),燃燒速率降低,放熱速率減慢,缸溫上升也減慢。

圖8 不同當(dāng)量比下的缸內(nèi)平均溫度變化曲線

圖9 不同當(dāng)量比下的累計(jì)放熱量曲線

圖10為不同當(dāng)量比下的發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率。由圖10可知,指示熱效率隨著當(dāng)量比的增加整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì);當(dāng)量比為0.63時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率最高;當(dāng)量比由0.38增加到0.43時(shí),指示熱效率增加約13%,上升速率最快。這是因?yàn)?隨著缸內(nèi)總?cè)伎债?dāng)量比的增大,缸內(nèi)局部高當(dāng)量比區(qū)域增多,著火點(diǎn)增多,天然氣初期預(yù)混合燃燒量增大。同時(shí),進(jìn)氣量的減少導(dǎo)致缸內(nèi)空氣熱容降低,缸內(nèi)平均溫度有所升高,有助于火焰的傳播,使得未完全燃燒產(chǎn)物減少,燃燒效率進(jìn)一步升高,指示熱效率隨之升高。當(dāng)量比從0.63增加到0.70時(shí),指示熱效率反而下降,這是由于初始缸壓較低,滯燃期延長(zhǎng),發(fā)動(dòng)機(jī)做功不均勻,導(dǎo)致指示熱效率降低。

圖10 當(dāng)量比對(duì)指示熱效率的影響

圖11所示為當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)CO和HC排放的影響,可以看到,隨著當(dāng)量比的升高,CO和HC排放逐漸降低。當(dāng)量比由0.38增至0.50時(shí),CO和HC排放大幅減少,這是因?yàn)楫?dāng)量比增加使得缸內(nèi)燃燒溫度升高,促進(jìn)了缸內(nèi)油氣分子的化學(xué)反應(yīng),加快了CO和HC的氧化。這期間缸內(nèi)的燃燒過(guò)程大部分都是在上止點(diǎn)附近完成的,在低負(fù)荷工況下,天然氣處于稀薄燃燒狀態(tài),大部分低當(dāng)量比區(qū)域的空氣含量減少,天然氣濃度增加,燃燒速率變快,CO排放減少明顯。同時(shí),缸內(nèi)溫度增加有利于火焰?zhèn)鞅檎麄€(gè)燃燒室,溫度較低區(qū)域的氣缸蓋與氣缸壁面處可燃混合氣淬熄現(xiàn)象減少,使得未燃天然氣和HC排放減少。由此可見(jiàn),進(jìn)氣節(jié)流可以有效改善HC和CO的排放。

圖11 當(dāng)量比對(duì)HC和CO排放的影響

圖12為當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和soot排放的影響。隨著當(dāng)量比升高,soot排放降低,NOx排放呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。這是由于NOx生成的基本條件是高溫、富氧,當(dāng)量比從0.38增加到0.63時(shí),天然氣仍然是富氧燃燒,缸內(nèi)溫度上升,進(jìn)氣節(jié)流促進(jìn)了高溫區(qū)域生成,因此NOx生成區(qū)域增加。隨著當(dāng)量比從0.63增加到0.70,缸內(nèi)溫度降低,NOx排放減少。

圖12 當(dāng)量比對(duì)NOx和soot排放的影響

如圖13為曲軸轉(zhuǎn)角為30°CA ATDC時(shí)不同當(dāng)量比下缸內(nèi)CH4分布云圖。當(dāng)量比從0.38增加到0.63時(shí),缸內(nèi)剩余CH4的燃燒越來(lái)越完全,未燃CH4排放減少,且主要分布在靠近燃燒室喉口處以及活塞與燃燒室壁面的余隙中。當(dāng)量比越低,燃燒室內(nèi)溫度越低,燃燒室喉口附近CH4燃燒較慢,存在少量CH4。當(dāng)量比為0.7時(shí),因?yàn)樘烊粴馊紵掷m(xù)期延長(zhǎng),CA90出現(xiàn)時(shí)刻較晚,CH4由喉口處向燃燒室中心和氣缸壁處擴(kuò)散燃燒。

圖13 上止點(diǎn)后30°時(shí)不同當(dāng)量比下的CH4分布

2.2 噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響

為了優(yōu)化天然氣的燃燒狀況,下面探究PODEn噴射時(shí)刻對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能的影響。模擬工況:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min,IMEP為0.4 MPa,天然氣替代率為80%,進(jìn)氣溫度為310 K,進(jìn)氣壓力為0.1 MPa,PODEn的噴射時(shí)刻(start of injection, SOI)從-18°CA ATDC到0°CA ATDC變化。

圖14為PODEn噴射時(shí)刻不同時(shí)的缸內(nèi)壓力及放熱率變化情況。隨著SOI的提前,燃料著火時(shí)刻提前,燃燒相位前移,缸內(nèi)壓力和放熱率峰值均先升高后降低,放熱率曲線呈現(xiàn)兩階段放熱現(xiàn)象,第一個(gè)階段是PODEn預(yù)混合燃燒形成的,第二個(gè)階段是由PODEn點(diǎn)燃預(yù)混合天然氣燃燒形成的。這是因?yàn)?PODEn具有更高的十六烷值,其著火滯燃期較短,引燃燃料的燃燒和CH4的燃燒有明顯的區(qū)分。SOI為-10°CA ATDC時(shí),放熱率峰值最高,隨著噴射時(shí)刻的進(jìn)一步提前,放熱率峰值降低,這是因?yàn)?在低負(fù)荷工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較低,噴射時(shí)刻過(guò)早導(dǎo)致引燃燃料擴(kuò)散,點(diǎn)火能量較微弱,故而放熱率峰值降低。

圖14 PODEn噴射時(shí)刻不同時(shí)的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線

圖15為PODEn噴射時(shí)刻不同時(shí)的缸內(nèi)平均溫度變化情況。隨著SOI的提前,缸內(nèi)平均溫度峰值先升高后降低,總體來(lái)看與缸壓變化趨勢(shì)相同。噴射越早,缸內(nèi)平均溫度提升越快;噴射時(shí)刻為-10°CA ATDC時(shí)的缸內(nèi)平均溫度峰值最高,天然氣燃燒更完全。

圖16所示為PODEn噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)CO和HC排放的影響。隨著SOI的提前,CO排放增加,HC排放呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)。CO和HC在SOI=-10°CA ATDC時(shí)的排放量均較低,主要原因是,此條件下缸內(nèi)溫度最高,燃燒狀況最好。過(guò)早或推遲噴射PODEn時(shí),燃燒相位推遲,缸內(nèi)溫度有所下降,使得未燃HC和CO的氧化減弱。引燃燃料適當(dāng)?shù)耐韲娪欣跍p少HC和CO的排放,噴射過(guò)早和過(guò)晚都會(huì)使缸內(nèi)殘余燃料過(guò)多,HC排放升高,這從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明燃燒溫度和來(lái)自余隙中的殘余燃料是影響HC排放的主要因素。

圖16 SOI對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)HC和CO排放的影響

圖17所示為PODEn噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和soot排放的影響。隨著SOI的提前,soot排放上升,NOx排放呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)?以SOI=-10°CA ATDC左右為臨界點(diǎn),提前和推遲噴射PODEn都會(huì)造成缸內(nèi)溫度和壓力的下降,燃燒變得柔和,NOx排放降低。由于PODEn的十六烷值較高,隨著SOI的提前,放熱率峰值升高,放熱集中,放熱率曲線逐漸由雙峰變?yōu)閱畏?見(jiàn)圖14),缸內(nèi)壓力提高過(guò)快不利于碳煙的氧化,使碳煙的生成速率升高。同時(shí),噴射時(shí)刻過(guò)分提前會(huì)使混合氣過(guò)稀,燃燒溫度下降,也導(dǎo)致碳煙排放上升。

圖17 SOI對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和soot排放的影響

3 結(jié)論

(1)PODEn引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下,隨著總?cè)伎债?dāng)量比的增加,滯燃期延長(zhǎng),瞬時(shí)放熱率峰值先增大后減小,發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率先升高后降低,當(dāng)量比為0.63時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率最高。適當(dāng)進(jìn)氣節(jié)流可以有效降低HC、CO和soot的排放,延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期可以兼顧NOx排放。

(2)隨著PODEn噴射時(shí)刻的提前,燃料的燃燒相位提前,瞬時(shí)放熱率峰值先增大后減小,SOI=-10°CA ATDC時(shí),缸壓和放熱率峰值均較高,CO和HC排放均較低。NOx排放隨著PODEn噴射時(shí)刻的提前呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),而soot排放則隨之升高。過(guò)早和過(guò)晚的噴射時(shí)刻都不利于缸內(nèi)天然氣燃燒。

(3)低負(fù)荷時(shí),用高十六烷值和高含氧量的PODEn引燃天然氣有望實(shí)現(xiàn)天然氣高替代率,緩解天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的失火傾向。優(yōu)化進(jìn)氣條件,提升當(dāng)量比,可以促進(jìn)天然氣的完全燃燒,減少HC和CO排放,提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率,并能兼顧碳煙和NOx排放。