秦文瑾，石晶晶，徐禮輝，張振東，孫躍東

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

前言

如今環(huán)境污染以及能源消耗問題日益嚴重，為了解決現(xiàn)有柴油發(fā)動機有害物排放以及能源消耗等問題，針對柴油發(fā)動機的獨特燃燒方式，研究人員決定從改善油氣混合效果和降低缸內(nèi)燃燒溫度兩個角度入手解決此問題。研究者們開發(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荷范圍窄兩個關(guān)鍵問題。目前，在RCCI 模式下，針對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、火焰?zhèn)鞑ニ俾矢叩葍?yōu)點，可以彌補天然氣燃燒速率低、點火能量高等缺陷［5-6］，Belkebirsm 等［7］對摻氫天然氣發(fā)動機進行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明天然氣摻氫能夠提高發(fā)動機熱效率，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6ACD320 型天然氣發(fā)動機上，對氫氣體積分數(shù)為0～30%的天然氣-氫氣混合燃料的燃燒過程進行了數(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)動機的指示燃氣消耗率下降、指示熱效率提高，CO、THC 和非甲烷碳氫化合物（NHMC）排放下降，NOx排放上升。同時氫氣的添加有望提升柴油/天然氣RCCI 發(fā)動機的性能。國內(nèi)外研究者將氫氣納入研究范疇，添加進柴油/天然氣RCCI 發(fā)動機形成三燃料RCCI 混合燃燒。天津大學的劉世文等［9］通過實驗發(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FLUENT 建立單缸柴油機CFD 模型，對比了不同混合比的天然氣和氫氣對發(fā)動機缸內(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。昆明理工大學的張韋等［11］在三燃料燃燒機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)機理，其能在不同當量比下準確預(yù)測柴油、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)動機上，例如趙睿等［12］通過搭建柴油-天然氣-氫氣三燃料混燒發(fā)動機實驗臺架，研究了在船用背景下不同摻氫比例對柴油/天然氣動力發(fā)動機（LNG）尾氣排放的影響。結(jié)果表明，摻氫后對LNG發(fā)動機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 排放也適當減少。

通過上述研究可知缸內(nèi)燃燒過程與發(fā)動機排放特性成為目前RCCI 發(fā)動機的研究重點。為了進一步探究在RCCI 新型燃燒技術(shù)下不同氫氣添加比例對發(fā)動機整機性能的影響，本文以基于柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI 發(fā)動機為研究對象，采用大渦數(shù)值模擬方法LES（large eddy simulation），從發(fā)動機的動力特性、經(jīng)濟特性、抗爆震特性和排放特性等方面，探究不同氫氣添加比例對發(fā)動機整機性能的影響。

1 研究對象

芬蘭阿爾托大學的Cheng 等［13-14］針對一臺改進的單缸四沖程柴油發(fā)動機開展了一系列的實驗工作，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)動機燃燒特性。該發(fā)動機采用博世NGI2雙端口噴油器，允許天然氣和氫氣與進氣歧管中的空氣混合，采用兩個質(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。本文研究基于該實驗展開，運用數(shù)值模擬方法進行發(fā)動機缸內(nèi)燃燒計算，發(fā)動機幾何模型如圖1 所示，發(fā)動機技術(shù)參數(shù)和噴油參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)與噴油參數(shù)

圖1 發(fā)動機幾何模型

由于天然氣和柴油組成成分復雜，種類較多，想要準確模擬真實燃料特性較為困難且耗費時間，故通常選擇適當?shù)谋碚魅剂蟻泶嬲鎸嵦烊粴夂筒裼?。甲烷在天然氣中所占比例高達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，噴油時刻為壓縮上止點前7°，保持恒定。

表2 三燃料燃燒算例設(shè)置

2 計算模型建立

LES 是基于空間過濾思想，對大尺度的渦團直接進行數(shù)值模擬，而小尺度的渦團則是套入模型中，其能夠?qū)ν牧髁鲌鼋Y(jié)構(gòu)的空間分布進行更有效的模擬，可以高質(zhì)量地捕捉大小渦團［15］。不管是從計算效率，還是從數(shù)值計算結(jié)果來講，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、動態(tài)Smagoringsky 模型、WALE 模型、動態(tài)結(jié)構(gòu)模型等。動態(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)力寫成了一個與張量系數(shù)和亞網(wǎng)格湍動能相關(guān)的函數(shù)表達式，該模型可以有效避免因不當黏性系數(shù)對數(shù)值模擬造成的影響。因此，本文使用基于動態(tài)結(jié)構(gòu)的LES 方法來模擬湍流場。在該模型中，速度和其他熱力學變量用Favre形式表示，而密度和壓力用Reynolds 形式表示。通過對N-S 方程進行濾波處理，即可得到LES控制方程。

動量方程：

發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程涉及到復雜的湍流燃燒現(xiàn)象，直接決定發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性［17］。本文燃燒模型為詳細化學反應(yīng)動力學模型，采用KH-RT［18］模型來模擬噴霧的破碎過程，選擇Rahimi等［19］提出的76種組分、464步反應(yīng)的正庚烷-天然氣化學動力學機理。由于氫氣的化學反應(yīng)機理已作為子機理包含在其中，故該機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)值計算采用CONVERGE 軟件，為了平衡計算時間和精度要求，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，計算域最大網(wǎng)格數(shù)量約為200 萬。計算域初始條件和邊界條件主要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)來設(shè)定，如表3所示。

表3 初始條件和邊界條件

3 結(jié)果分析與討論

3.1 動力特性分析

（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)角的變化曲線對比，此時壓力曲線呈現(xiàn)雙峰值的特點，第1 個峰值出現(xiàn)在壓縮上止點，是由于壓縮沖程產(chǎn)生的峰值，第2 個峰值則在壓縮上止點后活塞下行過程中，此時，由于缸內(nèi)低活性燃料被點燃，缸內(nèi)熱量增加，壓力上升，隨后由于活塞下行膨脹做功，當燃料燃燒放出的熱量不足以抵消其影響時，壓力開始下降，由此形成第2 個峰值。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)動機所測得的缸壓的實驗數(shù)據(jù)，缸壓數(shù)據(jù)吻合較好，進一步說明了該模型的準確性。

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)角的變化曲線對比?？梢钥闯觯趬嚎s上止點之前溫度分布差別不大，因為燃燒前期，氣流運動主導燃燒過程，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，著火時刻提前，由此導致峰值溫度出現(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。著火時刻提前，可知燃燒質(zhì)心越靠近壓縮上止點，燃燒質(zhì)心CA50可用于表征發(fā)動機能耗，燃燒質(zhì)心離壓縮上止點越遠，發(fā)動機能耗越高［20］。故可以看出氫氣的添加降低了發(fā)動機的能耗，發(fā)動機效率增加。

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)火焰擴散過程以及不同時刻的溫度分布情況。由圖可以看出，如前文所述在壓縮上止點之前缸內(nèi)溫度分布差別不大，到達壓縮上止點后，溫度開始發(fā)生變化，在4°CA 時刻，可以發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)開始出現(xiàn)多處著火點，隨后，火焰開始向周圍擴展，燃燒過程開始受火焰?zhèn)鞑ニ俾视绊?。可以發(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?，火焰擴展區(qū)域增加，燃燒溫度上升。在20°CA 時刻，40%氫氣添加比例下的火焰幾乎充滿整個燃燒室。同時由圖可以看出，從50°CA 時刻開始，缸內(nèi)溫度變化與先前呈現(xiàn)相反的趨勢，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

3.2 經(jīng)濟性分析

發(fā)動機燃燒過程中，所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，而表征二者能量轉(zhuǎn)換比例的參數(shù)即為發(fā)動機指示熱效率，是發(fā)動機最重要的性能指標之一。本文中燃料為混合燃料，故先須計算3 種燃料燃燒的總熱值，然后結(jié)合發(fā)動機輸出的指示功從而得出發(fā)動機指示熱效率。計算公式如下：

針對柴油-天然氣-氫氣RCCI燃燒的燃油經(jīng)濟性，由于3 種燃料熱值各不相同，通常采取燃料低熱值進行轉(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)濟性。計算公式［21］如下：

圖5 顯示了3 種不同氫氣添加比例下的發(fā)動機p-V圖對比，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)動機完成一個循環(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 為計算得到的3 種不同氫氣添加比例下發(fā)動機指示熱效率和等效指示燃油消耗率?？梢钥闯?，隨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，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，接近最佳做功時刻，熱能與機械能的轉(zhuǎn)換效率提高，指示熱效率增加。當輸出指示功相同時，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)動機的燃油經(jīng)濟性。

圖5 p-V圖

圖6 指示熱效率及等效指示燃油消耗率

3.3 抗爆震特性分析

由于氫氣的燃燒速率較快，在燃燒時發(fā)動機產(chǎn)生爆震的幾率較大，這是氫氣燃燒的負面影響。故在分析氫氣添加的影響時應(yīng)重點關(guān)注發(fā)動機爆震的問題。壓力升高率可用于量化分析發(fā)動機爆震情形。相關(guān)文獻指出，對于RCCI 低溫燃燒策略，為了防止發(fā)動機爆震現(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)動機不會發(fā)生爆震現(xiàn)象。對比不同氫氣添加比例下的情況來看，在噴油時刻-7°CA時的壓力升高率無明顯差異，由微量引燃柴油的噴入導致的缸內(nèi)壓力波動基本一致。而在壓縮上止點后，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)壓力波動較大?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊目炻怯绊憠毫ι呗首钪匾脑蛑?，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾邮沟弥饡r刻提前，放熱量迅速增加，故在缸內(nèi)壓力波動較大。與前文所述的缸內(nèi)壓力的分布情況一致，在形成第2 個峰值以后，壓力開始下降。

圖7 壓力升高率

另一個分析發(fā)動機運行工況的指標是聲響強度（ring intensity，RI），目前已被廣泛用于衡量低溫燃燒發(fā)動機振動情形。圖8 顯示了不同氫氣添加比例下的聲響強度?？梢钥闯?，隨著氫氣添加比例的增加，聲響強度呈現(xiàn)上升趨勢，且氫氣添加比例越大，聲響強度上升越快，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?。由Eng［23］的研究可知，當聲響強度小于5 MW/m2時，發(fā)動機運行較為平穩(wěn)。因此，本文的氫氣添加比例仍可保證發(fā)動機在合理的范圍內(nèi)運行。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)動機聲響強度

3.4 排放特性分析

排氣溫度可用于表征發(fā)動機性能，并可反映排放特性。排氣溫度較低說明發(fā)動機燃料燃燒充分，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，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)動機整體排放也較低。

圖9 發(fā)動機排氣溫度

發(fā)動機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］通過分析實驗數(shù)據(jù)對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進行判定，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?，隨著氫氣添加比例的增加，廢氣能量占比呈現(xiàn)下降趨勢，表明添加氫氣后，缸內(nèi)燃燒過程得以改善，發(fā)動機燃燒效率增加，排氣損失變小，發(fā)動機運行狀態(tài)更好。

圖10 不同氫氣添加比例下的廢氣能量占比

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值計算，對比了體積分數(shù)為0、20%和40% 3種不同氫氣添加比例下對柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI發(fā)動機整機性能的影響，分別從動力特性、經(jīng)濟特性、抗爆震特性和排放特性4 個方面進行分析，發(fā)現(xiàn)將氫氣含量控制在合理范圍內(nèi)，能夠提高發(fā)動機的整機性能，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)動機的效率，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)動機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)動機燃油經(jīng)濟性得以提高。

（3）隨著氫氣含量的增加，缸內(nèi)壓力升高率和聲響強度均呈現(xiàn)上升趨勢，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度都在可允許的范圍內(nèi)，發(fā)動機的運行工況良好。

（4）氫氣含量的增加導致燃燒溫度較高，燃料充分燃燒，后燃現(xiàn)象得到抑制，進而使得排氣溫度降低，由于廢氣能量呈現(xiàn)降低趨勢，排氣損失變小。