黃英杰，王 謙，芮 璐，康佳明

（江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

化石能源危機和環(huán)境問題的日益加劇，使得研發(fā)清潔高效的發(fā)動機成為目前內燃機研發(fā)的熱點。天然氣作為世界上繼煤和石油之后的第三大天然能源，擁有儲量豐富、價格低廉等特點，且排放污染物較少，被認為是最具有潛力的替代能源。于是，天然氣發(fā)動機越來越受到關注[1]。

為了減少天然氣發(fā)動機的排放，目前稀薄燃燒技術成為天然氣發(fā)動機的研究重點。許多學者對此進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)在稀燃條件下，在一定范圍內增加過量空氣系數(shù)，燃燒溫度更低，可以有效改善發(fā)動機的經濟性和排放性[2]。上述單燃料天然氣發(fā)動機多采用進氣道噴射的方式，無疑會導致發(fā)動機充量系數(shù)和發(fā)動機功率下降，存在著很大的提升空間。而缸內直噴天然氣由于不占據進氣體積且能良好地控制空燃比，動力性能好，成為當前的研究熱點。對此，國內外學者也做了一些研究。研究發(fā)現(xiàn)，對于缸內直噴式天然氣發(fā)動機進行稀薄燃燒，可以有效控制火焰?zhèn)鞑ニ俣龋岣呷紵€(wěn)定性，進而抑制NOx的生成[3]。

上述天然氣發(fā)動機點火方式多為火花塞點火，燃燒方式主要是預混燃燒。過量空氣系數(shù)被限制在1.5以內，否則會有爆震和失火的現(xiàn)象發(fā)生?；鸹ㄈc火性能由附近混合氣的比例決定[4]，點燃可靠性差。柴油引燃天然氣發(fā)動機，引燃可靠性高，燃燒方式以擴散燃燒為主，過量空氣系數(shù)可以到2甚至更大，但是相關研究略顯不足。所以，本文針對一臺廢氣渦輪增壓柴油引燃缸內直噴天然氣發(fā)動機，以轉速和過量空氣系數(shù)為變量，探究稀薄燃燒對發(fā)動機燃燒和排放的影響。

1 發(fā)動機相關參數(shù)

本文基于1臺Cummins ISX天然氣發(fā)動機建立了同軸噴射柴油引燃天然氣的模型。發(fā)動機具體參數(shù)如表1所示。為了節(jié)約模擬計算資源，同時柴油和天然氣噴嘴均為中心對稱設計，所以選擇計算區(qū)域為1/8的燃燒室，模擬發(fā)動機的壓縮做工過程。繪制如圖1所示的燃燒室?guī)缀文Ｐ?。采用的噴嘴模型為西港公司研發(fā)的天然氣/柴油同軸噴射器，實物模型如圖2所示。天然氣和柴油噴射參數(shù)如表2所示。

2 計算模型與驗證

2.1 計算模型

在進行模擬計算前，先對網格無關性進行驗證，確定基礎網格尺寸為2 mm。根據溫度場和速度場進行3級自適應加密，對柴油噴霧和天然氣射流區(qū)域進行3級加密，最小網格尺寸為0.25 mm。當活塞運動至上止點時，活塞網格數(shù)約為18萬。缸內初始溫度為303 K，缸內初始剪切動能為1 m2/s2。缸內初始氣體為空氣，不考慮廢氣的影響，氣缸壁和氣缸頭靜止，初始溫度分別為433 K和523 K。圖3是下止點時燃燒室的網格模型。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

圖1 燃燒室模型

圖2 同軸噴射器示意圖

表2 燃料系統(tǒng)噴射參數(shù)

圖3 網格模型

數(shù)值模擬計算采用CONVERGE軟件，其中湍流模型采用普遍適用于發(fā)動機的RNG k-模型。由于柴油噴射速度較大，噴霧油滴在噴霧錐空間上的分布采用Distribute parcels evenly throughout cone模型。O'Rourke model模型描述湍流對柴油液滴運動的影響。油滴蒸發(fā)模型采用Frossling模型。油滴破碎模型采用了KH-RT模型，歸因于柴油噴射壓力較高，噴射速度較大，油滴受氣動力，發(fā)生破碎的可能性較大。柴油在上止點前附近噴射，存在撞壁的可能，故采用Wall fi lm撞壁模型。燃燒模型采用SAGE模型，化學反應機理為正庚烷與甲烷的反應機理。排放模型中，NOx生成化學機理選用Extended Zeldovich模型，soot生成氧化模型選用Hiroyasu soot模型[5]。

發(fā)動機中過量空氣系數(shù)的公式計算如下：

式中，mair、mdiesel和mCNG分別為空氣流量、柴油質量和天然氣質量；Ldiesel和LCNG分別為柴油和天然氣的理論空燃比，其值分別為14.3和16.8。

根據引燃柴油量和天然氣噴射量，天然氣主要成分是甲烷，其燃燒化學反應式為2H2O。

計算所需要的氧氣質量，根據氧氣占空氣中的比例算出空氣質量，再根據理想氣體方程：

在進氣溫度不變的情況下，計算進氣所需壓力。在哥倫比亞大學柴油引燃高壓直噴天然氣發(fā)動機的試驗研究中，采用過量空氣系數(shù)為2和3.3的工況。本文綜合考慮環(huán)境壓力和渦輪增壓極限的情況，選取參數(shù)具體如表3所示。在原發(fā)動機最常使用1 200 r/m轉速下，模擬直噴式天然氣發(fā)動機燃燒過程。根據哥倫比亞大學柴油引燃高壓直噴天然氣發(fā)動機參數(shù)，天然氣的噴射壓力設定為19 MPa，柴油的噴射壓力為21 MPa，噴射參數(shù)之間的相互關系如圖4所示。

表3 模擬參數(shù)

圖4 噴射參數(shù)關系示意圖

2.2 模型驗證

為了驗證燃燒模型計算的有效性，對燃燒模型進行驗證。將加拿大哥倫比亞大學柴油引燃天然氣發(fā)動機實驗與本文模擬結果進行對比，此時工況為1 200 r/m、過量空氣系數(shù)為2。由圖5（a）試驗與模擬得到的缸內平均壓力曲線的對比可以看出，模擬結果與試驗結果吻合較好。由圖5（b）放熱率的比較看出，仿真曲線略高于試驗曲線，誤差在10%內。因此，可以基于該計算模型進一步開展研究。

圖5 模擬結果和試驗數(shù)據的對比

3 模擬結果與分析

為了研究不同過量空氣系數(shù)對燃燒和排放的影響，在1 200 r/m的轉速下，從缸內平均壓力、缸內平均溫度、放熱率以及排放污染物幾方面展開研究。從圖6可以看出，缸內平均壓力曲線存在兩個峰值，一個是壓縮產生的峰值，一個天然氣燃燒產生的峰值。隨著過量空氣系數(shù)的增加，缸內平均壓力的峰值逐漸增加，壓力升高率逐漸下降。當過量空氣系數(shù)從1.5增加到3.5時，缸內平均壓力峰值達到約17 MPa。因為過量空氣系數(shù)較大，缸內初始壓力較大，同時導致了壓縮和燃燒峰值的差異。從缸內平均溫度圖可以看出，缸內平均溫度有兩次明顯的上升過程：第一次為柴油燃燒放熱，因為柴油量較少，溫度上升幅度較??；第二次為天然氣燃燒放熱，產生大量熱量，缸內平均溫度大幅上升。

圖6 過量空氣系數(shù)對缸內平均壓力和缸內平均溫度的影響

從圖7可以看出，存在兩個放熱率峰值，一個柴油燃燒放熱產生的峰值，一個是天然氣燃燒放熱產生的峰值。隨著過量空氣系數(shù)的增加，柴油的放熱提前，放熱率峰值變化不大。這是因為當過量空氣系數(shù)增加時，缸內初始壓力較大，柴油著火臨界點提前，燃燒放熱時刻也提前。之后噴入的天然氣被柴油引燃，隨著過量空氣系數(shù)的增加，天然氣燃燒放熱率峰值下降，尤其在過量空氣系數(shù)達到3以上時，峰值大幅下降，降低了約50%，且燃燒放熱率曲線變得相對平緩。這是因為過量空氣系數(shù)越大，空氣濃度越大，空燃比越大，天然氣燃燒火焰前鋒面?zhèn)鞑ニ俣仍铰?，燃燒速率因此變慢?/p>

圖7 過量空氣系數(shù)對放熱率的影響

從圖8可以看出，在曲軸轉角為6°CA ATDC時，隨著空氣過量系數(shù)的增加，燃燒室的高溫區(qū)域逐漸減少，并向天然氣射流靠近。究其原因，一方面，空氣過量系數(shù)的增加初始壓力增加，柴油自燃著火的空間位置提前，逐漸靠近天然氣射流；另一方面，過量空氣系數(shù)增加，天然氣射流在燃燒室內擴散速度減慢，在天然氣射流外圍形成火焰。在曲軸轉角為12°CA ATDC時，火焰一直保持類似的形狀，且由于缺少混合，燃空當量較大，天然氣燃燒的速率相對穩(wěn)定。當曲軸轉角為18°CA ATDC時，只在天然氣射流區(qū)域外存在小部分高溫區(qū)域。當量比為1.5時，天然氣主要引燃區(qū)域位于燃燒室壁面附近，天然氣與空氣混合時間長，充滿整個燃燒室，形成預混燃燒，接近最佳空燃比，燃燒劇烈，如圖7所示，放熱率最高。

從圖9的溫度云圖和NOx濃度云圖可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的增加，缸內的高溫區(qū)域范圍逐漸減少，靠近噴嘴的區(qū)域溫度和NOx濃度逐漸增加。這是因為由于進氣量增多，燃料噴入缸內時環(huán)境壓力大，天然氣射流未能充分擴散到整個燃燒內燃燒，燃燒范圍逐漸減小，是過量空氣系數(shù)到達3以上后NOx排放降低的原因之一。

圖8 不同過量空氣系數(shù)和不同缸內時刻溫度分布云圖

圖9 下曲軸轉角為18°CA ATDC時缸內水平截面溫度分布云圖和NOx濃度云圖

從圖10中可以看出，在引燃柴油燃燒時，NOx生成速率較慢，因為引燃柴油較少，燃燒溫度較低，當天然氣被引燃開始大量燃燒，燃燒溫度高，燃燒速率快，生成大量NOx。隨著空氣過量系數(shù)的增加，NOx排放質量先增加后減少。當過量空氣系數(shù)為2時最高；當過量空氣系數(shù)為3.5時最低，NOx排放質量降低了15%。當過量空氣系數(shù)從1.5增加到2時，NOx排放質量增加是因為過量空氣系數(shù)越大，燃燒速率越慢，燃燒持續(xù)期越長，高溫持續(xù)時間也變長，同時燃料燃燒處于富氧狀態(tài)，所以生成量增加。但是，隨著空氣過量系數(shù)繼續(xù)增大，燃燒過程趨于穩(wěn)定，燃燒溫度也在不斷降低，過量的空氣吸收了大量熱量，NOx生成量相應減少。所以，當過量空氣系數(shù)到達3以上時，NOx的排放反而降低了15%。

從圖11可以看出，soot質量曲線存在兩個峰值。已知soot生成的條件主要是高溫缺氧環(huán)境，且soot的生成同時伴隨著氧化。曲線的第一次峰值是引燃柴油燃燒產生的，生成了少量soot。第一個峰值較低是由于引燃柴油量較少，燃燒持續(xù)期較短，燃燒速度較快。隨著過量空氣系數(shù)的增加，soot質量峰值逐漸減小。這是因為環(huán)境背壓增加，雖然對引燃柴油擴散燃燒存在不利影響，生成的soot質量些許增加，但由于存在過量的氧氣，生成的soot很快被氧化。第二次峰值是天然氣燃燒產生的，天然氣大量燃燒，soot生成量較多，天然氣燃燒后期soot質量逐漸減少，且隨著過量空氣系數(shù)的增加，soot最后的生成質量越少。這是因為過量空氣系數(shù)越大，天然氣燃燒時缸內平均溫度越低，且在燃燒后期氧氣也越充足，形成富氧燃燒，導致soot的氧化速率遠遠大于生成速率。隨著過量空氣系數(shù)從1.5增加到3.5，燃燒后期soot排放質量急劇減少，降低了74%。

圖10 過量空氣系數(shù)對NOx質量的影響

圖11 下過量空氣系數(shù)對soot質量的影響

4 結 論

（1）當空氣過量系數(shù)從1.5增加到3.5時，由于進氣量的增加，缸內平均壓力峰值升高，但是缸內平均溫度和放熱率峰值因過量空氣大幅下降，天然氣的燃燒速率變慢，燃燒平穩(wěn)。

（2）增大過量空氣系數(shù)，由于燃燒溫度的降低，減少了天然氣發(fā)動機的排放。當過量空氣系數(shù)為3.5時，soot排放減少了74%，NOx排放質量降低了15%。

（3）對于同軸噴射柴油引燃天然氣發(fā)動機，可以通過渦輪增壓器改變進氣的壓力改善天然氣發(fā)動機燃燒和排放。