羅修超，吳強

（四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都610100）

0 引言

天然氣發(fā)動機主要排放是 CO、非甲烷HC（NMHC）、 CH4、 NOx。 其中 CO、 NMHC由于自身理化特性比較容易在發(fā)動機尾氣后處理中被氧化，CH4由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易被氧化，而NOx的處理則需要通過還原反應(yīng)；同時，在優(yōu)化燃空比的時候，CH4和NOx的生成關(guān)系相互矛盾，所以天然氣發(fā)動機排放控制的難點在于平衡CH4和NOx排放[1]。出于成本和技術(shù)方面的原因，當前天然氣發(fā)動機大多采用稀薄燃燒+氧化催化后處理的技術(shù)方案來滿足排放要求。其利用稀薄燃燒的方式在發(fā)動機缸內(nèi)降低NOx排放，結(jié)合氧化催化器對CH4、NMHC、CO進行機外凈化，從而達到當前的國家排放要求[2-3]。

為改善稀薄燃燒的發(fā)動機功率輸出，部分廠商采用稀薄燃燒+低比例廢氣再循環(huán) （EGR）燃燒模式，在保證NOx低排放的情況下，適度提高混合氣的燃空比。這樣可以在依然只采用氧化催化后處理技術(shù)條件下達到國Ⅴ排放，并在滿足國Ⅴ排放前提下，一定程度上改善發(fā)動機的功率輸出。然而這種稀薄燃燒+低比例EGR燃燒模式的排放潛力依然不夠，不能滿足更高的排放要求[4-5]。為此，本研究對采用稀薄燃燒+低比例EGR的燃燒模式和當量燃燒+高比例EGR的燃燒模式的2種發(fā)動機性能進行數(shù)值模擬，旨在研究這2種燃燒模式下的發(fā)動機的性能潛力。

1 發(fā)動機燃燒模型建立

用AVL-Fire軟件對天然氣發(fā)動機的燃燒過程進行模擬研究。模擬研究對象為中國重型汽車集團有限公司某直列6缸增壓中冷天然氣發(fā)動機 （以下稱為原機），主要參數(shù)如表1所示。用AVL-Fire軟件建立發(fā)動機燃燒模型，以進氣上止點180°曲軸轉(zhuǎn)角 （°CA）為初始時刻，對進氣和做功沖程進行動網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

圖1 燃燒模型動網(wǎng)格劃分

本次模擬忽略進氣道和氣門結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)混合氣運動影響，及活塞頂部、燃燒室頂部、缸套內(nèi)表面的溫度變化。計算初始條件和邊界條件如表2所示。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

表2 計算參數(shù)和邊界條件

2 發(fā)動機燃燒模型校正

在發(fā)動機1 400 r/min、100%節(jié)氣門開度（100%負荷）的試驗工況點對發(fā)動機燃燒模型進行模擬校正。以原機的臺架試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，發(fā)動機燃燒模型選擇正確的點火模型、燃燒模式等，并調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使發(fā)動機燃燒模型的缸內(nèi)壓力曲線與臺架試驗的缸內(nèi)壓力曲線相匹配。校正結(jié)果如圖2所示。從圖2中可見，急燃期內(nèi)，發(fā)動機燃燒模型的缸內(nèi)壓力曲線和缸內(nèi)最高壓力與試驗值略有差異，但相對誤差在5%以內(nèi)，滿足工程應(yīng)用要求。因此，可以認為發(fā)動機燃燒模型對試驗工況點的模擬是可靠的。

圖2 缸內(nèi)壓力模擬曲線和試驗曲線對比

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 稀薄燃燒+低比例EGR燃燒模式

利用燃燒仿真模型，在1 400 r/min、100%負荷工況點，分別研究3種稀燃燃空比 （燃空比為0.708、0.688和0.668）在不同EGR率下的發(fā)動機性能，并與同工況下的原機性能 （采用稀燃模式，優(yōu)化燃空比和點火提前角，輔以氧化催化后處理技術(shù)來滿足國Ⅴ排放要求）進行比較，結(jié)果如圖3所示。 圖3a） ～3d） 中9.5 MPa、 376.2°CA、10.2 E-02%及2E-02%四條直線分別表示原機的缸內(nèi)最高壓力、燃燒重心位置、CH4排放和NOx排放。由圖3可見，隨著EGR率的上升，參與再循環(huán)的廢氣量逐漸增多，缸內(nèi)氣體比熱容逐漸增大，滯燃期和急燃期被延長，缸內(nèi)壓力峰值逐漸降低，如圖3a）所示；燃燒重心不斷后移，但后移速度在EGR率達到某個值后加快，如圖3b）所示；CH4排放隨著EGR率的增大不斷增加，當EGR率增大到一定值后，CH4排放急劇上升，且隨著燃空比的減少，EGR率稍增加，CH4排放增加就很大，如圖3c）所示；NOx排放隨著EGR率的上升先急劇下降然后趨于平緩，且燃空比越大，EGR對NOx的遏制作用越明顯，如圖3d）所示。

圖3 不同EGR率對稀薄燃燒的影響

與原機各性能參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，由于缸內(nèi)存在少量EGR，所以只有當燃空比取較大值時，才能在滿足排放優(yōu)于稀薄燃燒的情況下，發(fā)動機動力性能同時得到提升，但選取匹配稀薄燃燒的EGR率范圍狹窄。當燃空比取0.708，EGR率取0.16時，缸內(nèi)最高壓力提高8.4%，CH4下降18.7%，NOx下降26.2%。

3.2 當量燃燒+高比例EGR燃燒模式

為達到較好的排放目標和發(fā)動機動力性能，當量燃燒+EGR燃燒模式需要采用比稀薄燃燒+ERG燃燒模式更高的EGR率。對當量燃燒以及2個低一點的燃空比 （燃空比為0.9和0.8）在不同EGR率下的發(fā)動機性能進行模擬研究，并與在同工況下的原機性能進行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同EGR率對當量燃燒的影響

由圖4可知，當量燃燒+EGR燃燒模式下的缸內(nèi)壓力峰值隨EGR率的上升而下降，變化趨勢與稀薄燃燒+低比例EGR的情況相似，但壓力峰值隨EGR率的變化更明顯，如圖4a）所示；燃燒重心隨EGR率的上升而上升，在EGR率達到一定值后，上升趨勢加快，且隨著燃空比增大，這個值越大，如圖4b）所示；CH4排放與稀薄燃燒+低比例EGR燃燒模式的變化一致，但是，由于當量燃燒時前期火焰發(fā)展快速，且缸內(nèi)氧氣含量更少，導(dǎo)致后期部分混合氣燃燒不太充分，使CH4排放在EGR率較低時就略高于燃空比為0.9時的CH4排放，如圖4c）所示；NOx排放隨EGR的變化趨勢同樣與稀燃+低比例EGR燃燒模式的變化一致，但是，由于當量燃燒時缸內(nèi)混合氣氧含量降低，遏制了NOx的產(chǎn)生，使當量燃燒的NOx排放比燃空比為0.8的還低，如圖4d）所示。

與原機性能參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，當燃空比取0.8和0.9時，雖然能通過選取合適的EGR率獲得發(fā)動機排放和動力性能共同提升，且在滿足最高燃燒壓力和NOx排放要求后，CH4的排放有所降低，但是NOx和CH4均處于開始急劇上升階段。當燃空比取值為1時，通過匹配不同的EGR率，可找到排放和動力性能都優(yōu)于稀薄燃燒的EGR率區(qū)域，且EGR率的優(yōu)選范圍較大，而且NOx和CH4排放變化均緩慢。當燃空比取1，EGR率取0.3時，發(fā)動機最高壓力提高34.7%，CH4下降67.6%，NOx下降66.7%。

4 結(jié)論

（1）稀薄燃燒+低比例EGR的燃燒模式需要采用比稀薄燃燒模式更大的燃空比，才能在滿足排放優(yōu)于稀薄燃燒的情況下，發(fā)動機動力性能同時得到提升，但是適合稀薄燃燒的EGR率范圍狹窄。

（2）采用當量燃燒+高比例EGR燃燒模式，通過匹配不同的EGR率，可找到排放和動力性能都優(yōu)于稀薄燃燒模式的EGR率區(qū)域，且EGR率的選配范圍較大。

（3）對比稀薄燃燒+低比例EGR和當量燃燒+高比例EGR兩種不同的燃燒模式發(fā)現(xiàn)，在模擬工況下，當量燃燒+高比例EGR燃燒模式能使發(fā)動機在滿足更好的排放性能的同時獲得更好的動力提升。