秦文瑾,石晶晶,徐禮輝,張振東,孫躍東
(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)
如今環(huán)境污染以及能源消耗問(wèn)題日益嚴(yán)重,為了解決現(xiàn)有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有害物排放以及能源消耗等問(wèn)題,針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)特燃燒方式,研究人員決定從改善油氣混合效果和降低缸內(nèi)燃燒溫度兩個(gè)角度入手解決此問(wèn)題。研究者們開(kāi)發(fā)了一種基于雙燃料燃燒的新型低溫燃燒模式,即反應(yīng)活性控制壓燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)。該燃燒模式最早由威斯康星大學(xué)的Kokjohn 等[1-2]提出,它的出現(xiàn)解決了燃燒相位可控性差和燃燒負(fù)荷范圍窄兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前,在RCCI 模式下,針對(duì)天然氣和柴油雙燃料燃燒特性的研究居多[3-4]。
由于氫氣具有寬的可燃極限、稀薄燃燒能力強(qiáng)、火焰?zhèn)鞑ニ俾矢叩葍?yōu)點(diǎn),可以彌補(bǔ)天然氣燃燒速率低、點(diǎn)火能量高等缺陷[5-6],Belkebirsm 等[7]對(duì)摻氫天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果表明天然氣摻氫能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率,改善天然氣的稀燃極限,降低CO 和HC 的排放。冷先銀等[8]在一臺(tái)6ACD320 型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上,對(duì)氫氣體積分?jǐn)?shù)為0~30%的天然氣-氫氣混合燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究結(jié)果表明,在天然氣燃料中添加氫氣加速了缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑?,發(fā)動(dòng)機(jī)的指示燃?xì)庀穆氏陆?、指示熱效率提高,CO、THC 和非甲烷碳?xì)浠衔铮∟HMC)排放下降,NOx排放上升。同時(shí)氫氣的添加有望提升柴油/天然氣RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。國(guó)內(nèi)外研究者將氫氣納入研究范疇,添加進(jìn)柴油/天然氣RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)形成三燃料RCCI 混合燃燒。天津大學(xué)的劉世文等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著氫氣比例的增加,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力升高,放熱大幅增加,THC 和CO排放隨著氫氣比例的增大而降低。Alrazen 等[10]通過(guò)FLUENT 建立單缸柴油機(jī)CFD 模型,對(duì)比了不同混合比的天然氣和氫氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的影響。結(jié)果表明,氫氣比例越大,缸內(nèi)峰值壓力越高,并且氫氣可以增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?,天然氣又可以使得氫氣燃燒更平穩(wěn),二者相輔相成。昆明理工大學(xué)的張韋等[11]在三燃料燃燒機(jī)理方面做了一些工作,他們構(gòu)建了一套含有79 種組分244 步反應(yīng)的柴油/天然氣/氫氣(DNH)三燃料燃燒反應(yīng)機(jī)理,其能在不同當(dāng)量比下準(zhǔn)確預(yù)測(cè)柴油、天然氣和氫氣三者的缸內(nèi)燃燒和污染物生成特性。此外,還有一部分工作集中在船用發(fā)動(dòng)機(jī)上,例如趙睿等[12]通過(guò)搭建柴油-天然氣-氫氣三燃料混燒發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,研究了在船用背景下不同摻氫比例對(duì)柴油/天然氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(LNG)尾氣排放的影響。結(jié)果表明,摻氫后對(duì)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的改善不明顯,但由于氫氣不含碳原子,能夠顯著減少CO、CO2排放,且THC 和PM 排放也適當(dāng)減少。
通過(guò)上述研究可知缸內(nèi)燃燒過(guò)程與發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性成為目前RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的研究重點(diǎn)。為了進(jìn)一步探究在RCCI 新型燃燒技術(shù)下不同氫氣添加比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的影響,本文以基于柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,采用大渦數(shù)值模擬方法LES(large eddy simulation),從發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性、經(jīng)濟(jì)特性、抗爆震特性和排放特性等方面,探究不同氫氣添加比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的影響。
芬蘭阿爾托大學(xué)的Cheng 等[13-14]針對(duì)一臺(tái)改進(jìn)的單缸四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了一系列的實(shí)驗(yàn)工作,研究了不同氫氣添加比例下,柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用博世NGI2雙端口噴油器,允許天然氣和氫氣與進(jìn)氣歧管中的空氣混合,采用兩個(gè)質(zhì)量流量控制器控制CH4和H2的質(zhì)量流量,而少量引燃柴油由安裝在氣缸蓋中心的6 孔壓電噴油器提供。本文研究基于該實(shí)驗(yàn)展開(kāi),運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒計(jì)算,發(fā)動(dòng)機(jī)幾何模型如圖1 所示,發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)和噴油參數(shù)如表1所示。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)與噴油參數(shù)
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)幾何模型
由于天然氣和柴油組成成分復(fù)雜,種類較多,想要準(zhǔn)確模擬真實(shí)燃料特性較為困難且耗費(fèi)時(shí)間,故通常選擇適當(dāng)?shù)谋碚魅剂蟻?lái)代替真實(shí)天然氣和柴油。甲烷在天然氣中所占比例高達(dá)95%左右,是最常用的天然氣表征燃料;正庚烷的十六烷值與柴油接近,可用于表征柴油。因此,本文選取甲烷和正庚烷來(lái)作為天然氣和柴油的表征燃料。本研究中,從燃料能量份額出發(fā)去控制變量。能量份額的計(jì)算公式如下:
在算例設(shè)置中,保持正庚烷的能量份額為5%不變。氫氣通過(guò)一定的體積比例去替代甲烷。由于控制了正庚烷的能量份額,所以氫氣添加比例的改變會(huì)引起正庚烷質(zhì)量略有變化。本文的算例設(shè)置如表2所示,噴油時(shí)刻為壓縮上止點(diǎn)前7°,保持恒定。
表2 三燃料燃燒算例設(shè)置
LES 是基于空間過(guò)濾思想,對(duì)大尺度的渦團(tuán)直接進(jìn)行數(shù)值模擬,而小尺度的渦團(tuán)則是套入模型中,其能夠?qū)ν牧髁鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)的空間分布進(jìn)行更有效的模擬,可以高質(zhì)量地捕捉大小渦團(tuán)[15]。不管是從計(jì)算效率,還是從數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)講,大渦模擬都有很好的表現(xiàn)。在LES 方法中,又有諸多的子模型:Smagorinsky 模型、動(dòng)態(tài)Smagoringsky 模型、WALE 模型、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型等。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型是由Rutland等[16]提出的未使用湍流黏性概念的模型,其將亞網(wǎng)格應(yīng)力寫(xiě)成了一個(gè)與張量系數(shù)和亞網(wǎng)格湍動(dòng)能相關(guān)的函數(shù)表達(dá)式,該模型可以有效避免因不當(dāng)黏性系數(shù)對(duì)數(shù)值模擬造成的影響。因此,本文使用基于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的LES 方法來(lái)模擬湍流場(chǎng)。在該模型中,速度和其他熱力學(xué)變量用Favre形式表示,而密度和壓力用Reynolds 形式表示。通過(guò)對(duì)N-S 方程進(jìn)行濾波處理,即可得到LES控制方程。
動(dòng)量方程:
發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程涉及到復(fù)雜的湍流燃燒現(xiàn)象,直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性[17]。本文燃燒模型為詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,采用KH-RT[18]模型來(lái)模擬噴霧的破碎過(guò)程,選擇Rahimi等[19]提出的76種組分、464步反應(yīng)的正庚烷-天然氣化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。由于氫氣的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理已作為子機(jī)理包含在其中,故該機(jī)理可用于模擬本文中的柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI 燃燒。數(shù)值計(jì)算采用CONVERGE 軟件,為了平衡計(jì)算時(shí)間和精度要求,網(wǎng)格采用局部固定加密和自適應(yīng)加密策略,局部最小網(wǎng)格尺寸為0.2 mm,計(jì)算域最大網(wǎng)格數(shù)量約為200 萬(wàn)。計(jì)算域初始條件和邊界條件主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定,如表3所示。
表3 初始條件和邊界條件
(1)缸內(nèi)壓力
圖2 顯示了3 種不同氫氣添加比例下三燃料RCCI燃燒的缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線對(duì)比,此時(shí)壓力曲線呈現(xiàn)雙峰值的特點(diǎn),第1 個(gè)峰值出現(xiàn)在壓縮上止點(diǎn),是由于壓縮沖程產(chǎn)生的峰值,第2 個(gè)峰值則在壓縮上止點(diǎn)后活塞下行過(guò)程中,此時(shí),由于缸內(nèi)低活性燃料被點(diǎn)燃,缸內(nèi)熱量增加,壓力上升,隨后由于活塞下行膨脹做功,當(dāng)燃料燃燒放出的熱量不足以抵消其影響時(shí),壓力開(kāi)始下降,由此形成第2 個(gè)峰值。觀察發(fā)現(xiàn),隨著氫氣添加比例的增加,缸內(nèi)壓力峰值也相應(yīng)增加。主要原因在于氫氣燃燒極限較寬且火焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^高,添加氫氣后,加快了缸內(nèi)燃料混合氣的燃燒速率,缸內(nèi)壓力進(jìn)一步升高,峰值壓力出現(xiàn)的相位也相應(yīng)提前。圖中還顯示了3 種情況下單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)所測(cè)得的缸壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),缸壓數(shù)據(jù)吻合較好,進(jìn)一步說(shuō)明了該模型的準(zhǔn)確性。
圖2 不同氫氣添加比例下的缸壓
(2)缸內(nèi)溫度
圖3 顯示了3 種不同氫氣添加比例下缸內(nèi)平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線對(duì)比??梢钥闯?,在壓縮上止點(diǎn)之前溫度分布差別不大,因?yàn)槿紵捌?,氣流運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)燃燒過(guò)程,隨著氫氣添加比例的增加,缸內(nèi)平均溫度越高,且峰值溫度出現(xiàn)的相位提前。添加氫氣后,燃料混合氣的燃燒速率顯著提升,燃燒更快速的發(fā)生,著火時(shí)刻提前,由此導(dǎo)致峰值溫度出現(xiàn)的相位提前。同樣的,由于燃燒速率的增加,使得缸內(nèi)壓力增加,故引起缸內(nèi)峰值溫度的上升。著火時(shí)刻提前,可知燃燒質(zhì)心越靠近壓縮上止點(diǎn),燃燒質(zhì)心CA50可用于表征發(fā)動(dòng)機(jī)能耗,燃燒質(zhì)心離壓縮上止點(diǎn)越遠(yuǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)能耗越高[20]。故可以看出氫氣的添加降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗,發(fā)動(dòng)機(jī)效率增加。
圖3 不同氫氣添加比例下的缸內(nèi)平均溫度
圖4 為不同氫氣添加比例下的缸內(nèi)溫度云圖分布,可以更加直觀地觀察到缸內(nèi)火焰擴(kuò)散過(guò)程以及不同時(shí)刻的溫度分布情況。由圖可以看出,如前文所述在壓縮上止點(diǎn)之前缸內(nèi)溫度分布差別不大,到達(dá)壓縮上止點(diǎn)后,溫度開(kāi)始發(fā)生變化,在4°CA 時(shí)刻,可以發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)多處著火點(diǎn),隨后,火焰開(kāi)始向周圍擴(kuò)展,燃燒過(guò)程開(kāi)始受火焰?zhèn)鞑ニ俾视绊憽?梢园l(fā)現(xiàn),隨著氫氣添加比例的增加,缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾?,火焰擴(kuò)展區(qū)域增加,燃燒溫度上升。在20°CA 時(shí)刻,40%氫氣添加比例下的火焰幾乎充滿整個(gè)燃燒室。同時(shí)由圖可以看出,從50°CA 時(shí)刻開(kāi)始,缸內(nèi)溫度變化與先前呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),氫氣添加比例越高,缸內(nèi)溫度反而越低。造成這一現(xiàn)象的原因是添加氫氣后,缸內(nèi)后燃現(xiàn)象得到抑制,因此溫度較低。
圖4 不同氫氣添加比例下的缸內(nèi)溫度云圖分布
發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中,所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而表征二者能量轉(zhuǎn)換比例的參數(shù)即為發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率,是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一。本文中燃料為混合燃料,故先須計(jì)算3 種燃料燃燒的總熱值,然后結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的指示功從而得出發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率。計(jì)算公式如下:
針對(duì)柴油-天然氣-氫氣RCCI燃燒的燃油經(jīng)濟(jì)性,由于3 種燃料熱值各不相同,通常采取燃料低熱值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,即將甲烷和氫氣的消耗量轉(zhuǎn)化成正庚烷的消耗量。并提出了等效指示燃油消耗率(equivalent indicated specific fuel consumption,EISFC)的概念,用于分析燃油經(jīng)濟(jì)性。計(jì)算公式[21]如下:
圖5 顯示了3 種不同氫氣添加比例下的發(fā)動(dòng)機(jī)p-V圖對(duì)比,主要表現(xiàn)為缸內(nèi)壓力的升高,而p-V所包圍的面積即為發(fā)動(dòng)機(jī)完成一個(gè)循環(huán)內(nèi)所做的指示功,可知隨氫氣添加比例的增加,指示功隨之增加。圖6 為計(jì)算得到的3 種不同氫氣添加比例下發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率和等效指示燃油消耗率??梢钥闯觯S著氫氣添加比例的增加,指示熱效率和等效指示燃油消耗率呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),指示熱效率隨著氫氣添加比例的增加逐漸增加,而等效指示燃油消耗率逐漸減小??芍砑託錃夂?,火焰?zhèn)鞑ニ俾实脑黾邮沟没旌蠚獾娜紵俣认鄳?yīng)增加,缸內(nèi)峰值壓力出現(xiàn)的相位提前,接近最佳做功時(shí)刻,熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率提高,指示熱效率增加。當(dāng)輸出指示功相同時(shí),所需的燃料質(zhì)量減少,因此氣體燃料消耗量減少,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
圖5 p-V圖
圖6 指示熱效率及等效指示燃油消耗率
由于氫氣的燃燒速率較快,在燃燒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震的幾率較大,這是氫氣燃燒的負(fù)面影響。故在分析氫氣添加的影響時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的問(wèn)題。壓力升高率可用于量化分析發(fā)動(dòng)機(jī)爆震情形。相關(guān)文獻(xiàn)指出,對(duì)于RCCI 低溫燃燒策略,為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆震現(xiàn)象的發(fā)生,壓力升高率應(yīng)低于1.5 MPa/(°CA)[22]。
圖7 給出了3 種不同氫氣添加比例下的壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率即壓力升高率。從圖中可以看出,3種情況下的壓力升高率均低于1.5 MPa/(°CA),在允許范圍內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)發(fā)生爆震現(xiàn)象。對(duì)比不同氫氣添加比例下的情況來(lái)看,在噴油時(shí)刻-7°CA時(shí)的壓力升高率無(wú)明顯差異,由微量引燃柴油的噴入導(dǎo)致的缸內(nèi)壓力波動(dòng)基本一致。而在壓縮上止點(diǎn)后,隨著氫氣添加比例的增加,峰值壓力升高率逐漸增大并且缸內(nèi)壓力波動(dòng)較大?;鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊目炻怯绊憠毫ι呗首钪匾脑蛑唬鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾邮沟弥饡r(shí)刻提前,放熱量迅速增加,故在缸內(nèi)壓力波動(dòng)較大。與前文所述的缸內(nèi)壓力的分布情況一致,在形成第2 個(gè)峰值以后,壓力開(kāi)始下降。
圖7 壓力升高率
另一個(gè)分析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的指標(biāo)是聲響強(qiáng)度(ring intensity,RI),目前已被廣泛用于衡量低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情形。圖8 顯示了不同氫氣添加比例下的聲響強(qiáng)度??梢钥闯觯S著氫氣添加比例的增加,聲響強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且氫氣添加比例越大,聲響強(qiáng)度上升越快,主要原因在于氫氣的添加增加了缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵俾省S蒃ng[23]的研究可知,當(dāng)聲響強(qiáng)度小于5 MW/m2時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行較為平穩(wěn)。因此,本文的氫氣添加比例仍可保證發(fā)動(dòng)機(jī)在合理的范圍內(nèi)運(yùn)行。但需要注意的是,氫氣添加比例越高,越容易發(fā)生爆震,故應(yīng)合理控制氫氣的添加比例。
圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)聲響強(qiáng)度
排氣溫度可用于表征發(fā)動(dòng)機(jī)性能,并可反映排放特性。排氣溫度較低說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒充分,不完全燃燒現(xiàn)象減少,故排放也相應(yīng)降低。圖9 顯示了3 種不同氫氣添加比例下的排氣溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。整體看來(lái),排氣溫度隨氫氣添加比例的增加而降低。結(jié)合前面的分析可知,添加氫氣后,缸內(nèi)燃燒溫度升高,燃料得以充分燃燒,后燃現(xiàn)象被抑制,后期缸內(nèi)溫度較低,所以排氣溫度降低。故可知發(fā)動(dòng)機(jī)整體排放也較低。
圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度
發(fā)動(dòng)機(jī)中的廢氣能量主要包括兩部分:由于廢氣和環(huán)境間的溫差所產(chǎn)生的顯熱和由于不完全燃燒而產(chǎn)生的氣體能量。Gharehghani 等[24]通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)廢氣能量做出了定義。為了便于比較3 種情況下的廢氣能量,定義廢氣能量占比來(lái)進(jìn)行判定,即為廢氣能量占燃料燃燒釋放總能量的比值。圖10 顯示了3 種不同氫氣添加比例下的廢氣能量占比??梢钥闯觯S著氫氣添加比例的增加,廢氣能量占比呈現(xiàn)下降趨勢(shì),表明添加氫氣后,缸內(nèi)燃燒過(guò)程得以改善,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率增加,排氣損失變小,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)更好。
圖10 不同氫氣添加比例下的廢氣能量占比
本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算,對(duì)比了體積分?jǐn)?shù)為0、20%和40% 3種不同氫氣添加比例下對(duì)柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的影響,分別從動(dòng)力特性、經(jīng)濟(jì)特性、抗爆震特性和排放特性4 個(gè)方面進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)將氫氣含量控制在合理范圍內(nèi),能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能,主要結(jié)論如下:
(1)隨著氫氣含量的增加,混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾始涌?,缸?nèi)的壓力峰值與平均溫度得到提高,有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率,并抑制缸內(nèi)后燃現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)隨著氫氣含量的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率得到有效提高,等效指示燃油消耗率降低,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性得以提高。
(3)隨著氫氣含量的增加,缸內(nèi)壓力升高率和聲響強(qiáng)度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且上升幅度增大,在這3 種氫氣添加比例下壓力升高率與聲響強(qiáng)度都在可允許的范圍內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況良好。
(4)氫氣含量的增加導(dǎo)致燃燒溫度較高,燃料充分燃燒,后燃現(xiàn)象得到抑制,進(jìn)而使得排氣溫度降低,由于廢氣能量呈現(xiàn)降低趨勢(shì),排氣損失變小。