陳貴升，魏 峰，李 冰，王震江，黃 震，羅 贏

（1.昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；2.解放軍31638 部隊(duì)，昆明 650051）

0 概述

面對(duì)日趨苛刻的排放法規(guī)和日益嚴(yán)峻的能源緊缺問(wèn)題［1-2］，使用天然氣/柴油反應(yīng)活性控制壓燃（reactivity charge compression ignition，RCCI）發(fā)動(dòng)機(jī)能有效減少碳煙排放并緩解石化能源危機(jī)，但其HC 和CO 排放較高，且在低負(fù)荷工況高替代率時(shí)還存在燃燒穩(wěn)定性較差等問(wèn)題［3-4］。為解決這些問(wèn)題，需要增強(qiáng)缸內(nèi)混合氣化學(xué)活性及活性分層。H2作為氣體燃料具有擴(kuò)散系數(shù)高、著火范圍寬、燃燒速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)。摻氫雖然會(huì)導(dǎo)致壓力升高率升高，但可以提高混合氣的化學(xué)活性，從而改善缸內(nèi)混合氣燃燒品質(zhì)［5］。另外，通過(guò)富氧燃燒技術(shù)也可以改善雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況高替代率時(shí)的燃燒和排放特性。

文獻(xiàn)［6］中基于一臺(tái)重型柴油機(jī)研究了進(jìn)氣摻氫對(duì)柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明進(jìn)氣摻氫有助于降低CO 和CO2排放，但對(duì)未燃碳?xì)浠衔铮╱nburned hydrocarbons，UHC）影響不大。文獻(xiàn)［7］中研究了摻氫或天然氣對(duì)燃燒過(guò)程的影響，結(jié)果表明摻氫提高了瞬時(shí)放熱率峰值，縮短了燃燒持續(xù)期。文獻(xiàn)［8］中針對(duì)天然氣/柴油雙燃料RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷工況下的燃燒和排放特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷時(shí)摻氫可以改善燃燒，降低CO 和HC排放。文獻(xiàn)［9］中通過(guò)試驗(yàn)研究也得到相似結(jié)論。摻氫可以一定程度改善缸內(nèi)燃燒，降低部分排放物排放值，但壓力升高率升高，NOx排放惡化。而引入廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）可在一定程度上控制缸內(nèi)燃燒速率，降低壓力升高率及NOx排放［10］。文獻(xiàn)［11］中采用模擬手段研究了EGR 率對(duì)進(jìn)氣摻氫后柴油機(jī)工作過(guò)程的影響，研究表明適宜的摻氫比與EGR 率可以控制最大壓力升高率，降低NOx和碳煙排放。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)進(jìn)氣摻氧對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響也開(kāi)展了較多研究［12-15］。其中，文獻(xiàn)［14］中采用進(jìn)氣摻氧耦合EGR 策略對(duì)一臺(tái)船用柴油機(jī)的燃燒和排放進(jìn)行了研究，結(jié)果表明摻氧燃燒與EGR 優(yōu)化組合可以同時(shí)降低NO 和碳煙排放。

目前針對(duì)天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高替代率低負(fù)荷下不同進(jìn)氣氛圍（H2、O2）耦合EGR 的研究較少，故本文中通過(guò)構(gòu)建三維CFD 模型就不同進(jìn)氣氛圍耦合EGR 對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程及排放規(guī)律進(jìn)行了研究，旨在改善各排放物之間的折中關(guān)系，同時(shí)為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況下的清潔燃燒提供可行途徑和科學(xué)理論指導(dǎo)。

1 三維模型構(gòu)建及驗(yàn)證

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

以某重型高壓共軌增壓中冷柴油機(jī)為試驗(yàn)機(jī)型，在此基礎(chǔ)上改裝配置電控天然氣進(jìn)氣道噴射供給系統(tǒng)，改裝成一臺(tái)柴油引燃天然氣雙燃料RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中，曲軸轉(zhuǎn)角在上止點(diǎn)前用負(fù)數(shù)表示，在上止點(diǎn)后用正數(shù)表示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)搭建雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1所示。試驗(yàn)中所用的測(cè)試設(shè)備主要包括進(jìn)氣流量計(jì)、排氣分析儀、煙度計(jì)、燃燒分析設(shè)備等，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要儀器設(shè)備

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

1.2 三維CFD 模型的構(gòu)建

基于表1中發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、燃燒室?guī)缀纬叽?、噴油器等參?shù)，構(gòu)建三維CFD 數(shù)值仿真模型。由于噴油器8 個(gè)孔在燃燒室內(nèi)均勻布置，為提高計(jì)算效率，使用1/8 燃燒室模型進(jìn)行耦合計(jì)算。三維CFD 模型如圖2所示。1/8 模型在上止點(diǎn)時(shí)網(wǎng)格數(shù)為40 775 個(gè)，在下止點(diǎn)時(shí)網(wǎng)格數(shù)為151 050 個(gè)，主要物理模型的選取詳見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算模型設(shè)置

圖2 三維CFD 模型

1.3 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的選擇

本文中基于三維計(jì)算軟件與簡(jiǎn)化化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合模擬計(jì)算。采用文獻(xiàn)［16］中構(gòu)建的天然氣/柴油多組分替代混合物簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)機(jī)理，該機(jī)理中包含141 種物質(zhì)和709 個(gè)基元反應(yīng)，以甲烷、乙烷、丙烷混合物和正庚烷機(jī)理來(lái)分別模擬天然氣和柴油燃料在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒特征。文獻(xiàn)［16］中以一臺(tái)通用公司4 缸高壓共軌渦輪增壓輕型柴油機(jī)為基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)型來(lái)驗(yàn)證所構(gòu)建的機(jī)理，結(jié)果表明該多組分簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)機(jī)理能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)天然氣/柴油RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性。在此基礎(chǔ)上，本文中采用文獻(xiàn)［17］中簡(jiǎn)化的NOx和碳煙生成機(jī)理來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和碳煙排放，其中NOx反應(yīng)機(jī)理是基于擴(kuò)展的Zeldovich 機(jī)理［18］，并增加了N2O 中間產(chǎn)物的反應(yīng)機(jī)理及NO 與NO2之間的轉(zhuǎn)換反應(yīng)；碳煙生成機(jī)理采用文獻(xiàn)［19］中提出的以多環(huán)芳香烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH）為前驅(qū)物的多步現(xiàn)象學(xué)模型，該模型以始于多環(huán)芳香烴芘（A4）的碳煙成核為開(kāi)端，并由C2H2輔助其表面生長(zhǎng)。文獻(xiàn)［17］中對(duì)兩個(gè)排放模型進(jìn)行了激波管、定容燃燒彈及實(shí)際共軌柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明該反應(yīng)機(jī)理能夠準(zhǔn)確地反映高EGR 率和低EGR 率下NOx和碳煙排放趨勢(shì)。通過(guò)耦合以上簡(jiǎn)化化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，為研究天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同進(jìn)氣氛圍條件下的燃燒和排放特性提供可行方法和可靠的理論基礎(chǔ)。

1.4 三維CFD 耦合模型驗(yàn)證

本文中選取不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩工況下的不同替代率和EGR 率進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究，試驗(yàn)工況選取如表4所示。模型仿真計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻至排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻。在CFD 耦合模型計(jì)算的初始條件設(shè)置中，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量得到的缸內(nèi)壓力、增壓器壓氣機(jī)后溫度等參數(shù)，確定進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的初始缸內(nèi)壓力與壓縮溫度。其中，壓縮溫度等關(guān)鍵參數(shù)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)GTPOWER 構(gòu)建一維熱力學(xué)仿真整機(jī)模型計(jì)算得到。數(shù)值模型計(jì)算中EGR 率定義為進(jìn)氣與排氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，見(jiàn)公式（1）。

表4 試驗(yàn)工況

式中，R為EGR 率；φin、φout分別為進(jìn)氣和排 氣中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

另外，模型驗(yàn)證中，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中缸壓采用KISTLER 6125A 傳感器測(cè)量（采集間隔為0.5°），并進(jìn)行測(cè)量值平均光滑處理。碳煙由AVL 415S 煙度計(jì)測(cè)量得到的煙度值換算得到，二者之間具體的換算見(jiàn)公式（2）。

式中，St為碳煙質(zhì)量，kg；S為實(shí)測(cè)煙值，F(xiàn)SN；mair、mfuel、mCNG分別為進(jìn)氣流量、柴油小時(shí)油耗量、天然氣每小時(shí)氣耗量，kg/h。

仿真計(jì)算模型中使用的兩種燃料主要特性如表5所示，天然氣替代率的計(jì)算見(jiàn)公式（3）。

表5 燃料主要特性

式中，P為天然氣替代率；HC、Hd分別為天然氣和柴油的低熱值，MJ/kg；mC、md分別為天然氣、柴油的質(zhì)量，kg。

圖3、圖4分別為不同工況下模型計(jì)算所得到的缸壓、瞬時(shí)放熱率及工況3 下排放物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（占排氣總質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比。不同工況下缸壓和瞬時(shí)放熱率試驗(yàn)與模擬曲線吻合度較好，誤差在5% 以?xún)?nèi)；工況3 下不同排放物的模擬值與試驗(yàn)值整體變化趨勢(shì)基本一致且保持在同一數(shù)量級(jí)。由此表明，研究中所構(gòu)建的三維CFD 仿真模型邊界條件參數(shù)設(shè)置均較合理，能夠預(yù)測(cè)真實(shí)天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程，滿足仿真計(jì)算要求。

圖3 不同工況下缸壓和瞬時(shí)放熱率模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖4 工況3 下排放模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

基于以上仿真模型，選取表4中工況3 即高替代率低負(fù)荷工況，研究進(jìn)氣氛圍（H2、O2）耦合EGR對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響機(jī)理。其中，EGR 率用符號(hào)E 表示，取值為18%、29%、37%。摻氫比（體積分?jǐn)?shù)）用符號(hào)H 表示，取值為0%、1.0%、2.5%、5.0%、8.0%。摻氧比（體積分?jǐn)?shù)）用符號(hào)O 表示，取值為0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%。如EGR 率18%、摻氫比1.0% 表示為E18H1.0，摻氫比1.0% 表示為H1.0，其他算例以此類(lèi)推。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻氫耦合EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

圖5為不同EGR 率下?lián)綒浔葘?duì)缸內(nèi)壓力及瞬時(shí)放熱率的影響。如圖5所示，在相同EGR 率下，隨摻氫比增大，缸壓和瞬時(shí)放熱率峰值增大，峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均向上止點(diǎn)靠近，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的做功能力。瞬時(shí)放熱率曲線的形狀隨摻氫比的增大由“矮寬形”變成“高窄形”，燃燒始點(diǎn)提前，燃燒速率加快，放熱更為集中。這主要是由于H2作為氣體燃料，具有燃燒速度快、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)，進(jìn)氣摻氫后削弱了天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷@一主要缺點(diǎn)，使混合氣能夠快速燃燒，縮短燃燒持續(xù)期。如在較低EGR率（18%）下，摻氫比增大至8.0% 時(shí)，與未摻氫相比缸壓峰值由5.6MPa 增大至9.3 MPa，提升了66.1%；瞬時(shí)放熱率峰值增大至893.4 J/（°），提升了403.5%。當(dāng)EGR 率增大后，相同摻氫比下的缸壓峰值隨EGR 率的增大而降低，且在EGR 率較高時(shí)，隨摻氫比例的增加，其提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓峰值的作用更加顯著。

圖5 不同EGR 率下?lián)綒浔葘?duì)缸內(nèi)壓力及瞬時(shí)放熱率的影響

圖6為不同EGR 率下?lián)綒浔葘?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率和缸內(nèi)最高燃燒溫度影響的對(duì)比。如圖6所示，相同EGR 率下，進(jìn)氣摻氫后，因H2燃燒速度快，燃燒放熱較集中，缸內(nèi)壓力升高率和最高燃燒溫度隨摻氫比的增加而增大。在EGR 率為18%、摻氫比為8.0% 時(shí)，最大壓力升高率已達(dá)到1.6 MPa/（°），與相同摻氫比、EGR 率為37% 時(shí)相比增大33.9%，與相同EGR 率、摻氫比為0% 時(shí)相比增大485.8%。由此可見(jiàn)，摻氫對(duì)提高缸內(nèi)燃燒速度、缸壓與瞬時(shí)放熱率峰值等的作用明顯強(qiáng)于EGR 對(duì)其的抑制作用。摻氫后可顯著改善RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，但考慮到限制壓力升高率和缸壓峰值，摻氫比不宜過(guò)高。

圖6 不同EGR 率下?lián)綒浔葘?duì)最大壓力升高率和缸內(nèi)最高燃燒溫度的影響

2.2 摻氫耦合EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響

圖7為不同EGR 率和摻氫比對(duì)缸內(nèi)OH 活性自由基生成量影響的對(duì)比。如圖7所示，在相同EGR 率時(shí)，隨摻氫比增大，缸內(nèi)OH 活性自由基生成量大幅增加；相同摻氫比時(shí)，增大EGR 率后OH活性自由基生成量降低，并均在燃燒后期以不同的消耗速率被消耗至穩(wěn)定值。

圖8為不同EGR 率和摻氫比對(duì)碳煙生成量的影響。如圖8所示，相同EGR 率下，在摻氫比小于2.5% 時(shí)碳煙生成量峰值小幅升高，但排放量降低；在摻氫比大于2.5% 后碳煙生成量峰值大幅升高且排放量也呈上升趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S缸內(nèi)H2的增多，缸內(nèi)燃燒溫度升高，且H2的燃燒消耗了部分O2，營(yíng)造了對(duì)碳煙生成較有利的高溫缺氧氛圍，從而使碳煙生成量升高。同時(shí)，由于H2的混入，在燃燒時(shí)使缸內(nèi)的OH 活性自由基增多（見(jiàn)圖7），隨摻氫比的增大，其對(duì)碳煙的后期氧化反應(yīng)作用顯著增強(qiáng)。在以上兩種影響的共同作用下，碳煙最終排放值呈現(xiàn)先降后升。而在相同摻氫比時(shí)，隨EGR 率的增大，碳煙的后期氧化作用減弱，從而使最終排放量升高。

圖7 不同EGR 率和摻氫比對(duì)OH 活性自由基生成量的影響

圖8 不同EGR 率和摻氫比對(duì)碳煙生成量的影響

圖9為不同EGR 率和摻氫比對(duì)CO 生成量的影響。如圖9所示，相同摻氫比時(shí)，隨EGR 率增大，CO生成量和最終排放量均小幅度升高。這是由于EGR率增大后，廢氣中CO2和H2O 等惰性氣體比例增大，惰性氣體比熱容較大且缸內(nèi)氧含量降低，最終導(dǎo)致缸內(nèi)溫度和燃燒溫度降低（見(jiàn)圖6），燃燒不完全。相同EGR 率時(shí)，隨摻氫比增大，CO 生成量和最終排放量均升高。其主要原因是H2作為無(wú)碳燃料，其在缸內(nèi)燃燒時(shí)仍需消耗部分O2，導(dǎo)致部分混合氣出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象，從而使CO 生成量和排放量均升高。

圖9 不同EGR率和摻氫比對(duì)CO 生成量的影響

圖10為CO 排放穩(wěn)定時(shí)（70°）不同EGR 率和摻氫比下CO 缸內(nèi)分布。如圖10所示，在相同EGR 率下，隨摻氫比增大，CO 分布區(qū)域逐漸擴(kuò)大且濃區(qū)主要集中于氣缸頂部。這是由于缸內(nèi)局部缺氧區(qū)域增加且氣缸頂部附近溫度、氧含量較低，導(dǎo)致生成大量CO。在相同摻氫比下，隨EGR 率的增大，也呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

圖10 CO 排放穩(wěn)定時(shí)（70°）不同EGR 率和摻氫比下CO 缸內(nèi)分布

圖11為不同EGR 率下?lián)綒浔葘?duì)NOx生成量和NO2/NOx排放比例的影響。如圖11所示，在相同EGR 率時(shí)，隨摻氫比增大，NOx生成量峰值升高，最終排放量先升后降，均在摻氫比為5.0% 時(shí)達(dá)到最高。一方面是因?yàn)閾綒浜蟾變?nèi)燃燒溫度明顯升高，且在燃燒初期缸內(nèi)氧含量較高，形成了較多高溫富氧區(qū)域，促進(jìn)NO 生成量快速升高；另一方面，摻氫使得缸內(nèi)產(chǎn)生的OH 活性自由基增多，對(duì)NO 的生成也起到促進(jìn)作用。但隨著燃燒的發(fā)展，一部分NO 在缸內(nèi)高溫氛圍下向著逆反應(yīng)方向進(jìn)行，一部分NO 被分解為N2和N［18］，且較高摻氫比時(shí)NO 在后期被逆向轉(zhuǎn)化的程度更為顯著，故在摻氫比為8.0% 時(shí)NOx的最終排放值低于摻氫比為5.0%時(shí)。此外，隨著摻氫比增加，NO2/NOx比例逐漸減小。這主要因?yàn)閾綒浔仍黾訒?huì)導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度明顯升高，部分NO2在高溫氛圍下被分解為NO［18］。

圖11 不同EGR 率下?lián)綒浔葘?duì)NOx排放和NO2/NOx排放比例的影響

圖12為不同EGR 率下剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化。如圖12所示，相同摻氫比時(shí)，隨EGR 率增大，剩余CH4增多，在摻氫比為零時(shí)增加趨勢(shì)顯著；相同EGR 率下，剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈下降趨勢(shì)，摻氫比小于2.5% 時(shí)剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較明顯，而摻氫比大于2.5%時(shí)剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化平緩。

圖12 不同EGR 率下剩余CH4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化

圖13為不同EGR 率和摻氫比下缸內(nèi)剩余CH4質(zhì)量濃度分布。如圖13所示，摻氫后缸內(nèi)壁面附近和氣缸頂部的CH4質(zhì)量濃度顯著降低，在較高EGR率時(shí)更加明顯。這主要是由于摻氫后缸內(nèi)燃燒溫度升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，使壁面附近及凹坑處的混合氣燃燒更為充分?/p>

圖13 不同EGR 率和摻氫比下缸內(nèi)剩余CH4質(zhì)量濃度分布

圖14為不同EGR 率和摻氫比下NOx排放和CH4排放之間的折中關(guān)系。如圖14所示，增大EGR 率可降低NOx排放，但會(huì)導(dǎo)致剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，摻氫后可以在一定程度上改善這一矛盾。

圖14 不同EGR 率和摻氫比下NOx排放和CH4 排放之間的折中關(guān)系

綜上所述，低負(fù)荷工況下，EGR 率小于29% 而摻氫比小于2.5% 時(shí)，可以有效提升混合氣燃燒速率，改善缸內(nèi)燃燒品質(zhì)，降低CH4和碳煙排放。

2.3 摻氧耦合EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

圖15為不同EGR 率下?lián)窖醣葘?duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響對(duì)比。如圖15所示，在相同EGR 率下，隨摻氧比增大，缸壓和瞬時(shí)放熱率峰值升高。這是由于摻氧后增加了缸內(nèi)氧濃度及其分布區(qū)域，增大了燃料分子與氧分子之間的碰撞機(jī)率，有利于混合氣著火燃燒，使滯燃期縮短，著火時(shí)刻提前，燃燒更加充分。如在EGR 率為18% 而摻氧比為4.0% 時(shí)，缸壓與瞬時(shí)放熱率峰值較相同EGR 率而摻氧比為0% 時(shí)分別升高了13.1%、9.6%。但與摻氫時(shí)相比，其燃燒速率與放熱速率峰值明顯降低。

圖15 不同EGR 率下?lián)窖醣葘?duì)缸壓和瞬時(shí)放熱率的影響

圖16為不同EGR 率下?lián)窖醣葘?duì)缸內(nèi)最大壓力升高率和最高燃燒溫度的影響。如圖16所示，在相同EGR 率下，隨摻氧比增大，缸內(nèi)壓力升高率峰值和最高燃燒溫度的整體趨勢(shì)表現(xiàn)為不斷升高。摻氧后使缸內(nèi)氧濃度升高，增加了燃油分子與氧分子之間的高效碰撞，燃燒更充分。EGR 率為18% 而摻氧比為4.0% 時(shí)的缸內(nèi)最大壓力升高率和最高燃燒溫度與相同EGR 率而摻氧比為0% 時(shí)相比分別升高了11.9% 和6.0%；摻氧比為4.0% 而EGR 率為37%時(shí)的缸內(nèi)最高燃燒溫度與相同摻氧比而EGR 率為18% 時(shí)相比降低4.0%。由此可知，摻氧可以弱化EGR 的稀釋作用。在高EGR 率（37%）相同摻混比時(shí)，摻氫比摻氧時(shí)的最大壓力升高率和最高燃燒溫度分別升高22.5% 和5.1%，摻氫相比摻氧對(duì)改善缸內(nèi)燃燒的作用更加顯著。

圖16 不同EGR 率下?lián)窖醣葘?duì)最大壓力升高率和缸內(nèi)最高燃燒溫度的影響

2.4 摻氧耦合EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響

圖17為不同EGR 率和摻氧比對(duì)缸內(nèi)OH 活性自由基生成量的影響。如圖17所示，在相同EGR率時(shí)，隨摻氧比增大，OH 活性自由基生成峰值升高。如在EGR 率為37% 而摻氧比為1.0% 時(shí)，OH活性自由基質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值為1.26×10-3；與同EGR率且同摻氫比時(shí)相比降低14.9%。這是由于摻氫后缸內(nèi)最高燃燒溫度、壓力較摻氧時(shí)更高，更利于OH活性自由基的生成。

圖17 不同EGR率和摻氧比對(duì)OH活性自由基生成量的影響

圖18為不同EGR 率和摻氧比對(duì)碳煙生成量的影響。如圖18所示，在摻氧比為0% 時(shí)，隨EGR 率增大，碳煙的生成量升高，后期的氧化不斷減弱。在相同EGR 率時(shí)，隨摻氧比的增大，碳煙的生成量有不同程度的降低，且其后期氧化不斷增強(qiáng)，并最終以較低水平排出。主要原因?yàn)樵趽窖鹾蟾變?nèi)局部缺氧區(qū)域減少，抑制碳煙生成，且在富氧、高溫的環(huán)境下被氧化。在EGR 率為37% 而摻混比均為1.0% 時(shí)，摻氧比摻氫的碳煙生成量峰值減少了0.7%，最終排放量減少了21.2%。

圖18 不同EGR 率和摻氧比對(duì)碳煙生成量的影響

圖19為不同EGR 率和摻氧比對(duì)CO 生成量的影響。如圖19所示，在相同EGR 率時(shí)，隨摻氧比增大，CO 的生成量峰值和最終排放量均降低。較大EGR 率（37%）時(shí)，相同摻混比例（1.0%）下?lián)窖跸啾葥綒鋾r(shí)的CO 最終排放量降低30.8%。主要原因?yàn)橄啾菻2，O2作為助燃?xì)怏w為缸內(nèi)燃料燃燒時(shí)提供較好的燃燒環(huán)境，使混合氣燃燒更充分，從而減少CO 生成和最終排放。

圖19 不同EGR 率和摻氧比對(duì)CO 生成量的影響

圖20為CO 排放穩(wěn)定時(shí)（70°）不同EGR 率和摻氧比下CO 缸內(nèi)分布。如圖20所示，不同EGR率下隨摻氧比增大，CO 最終排放均降低，缸內(nèi)局部缺氧區(qū)域顯著減少，CO 主要分布在氣缸頭部區(qū)域附近。

圖20 CO 排放穩(wěn)定時(shí)（70°）不同EGR 率和摻氧比下CO 缸內(nèi)分布

圖21為不同EGR 率下?lián)窖醣葘?duì)NOx排放和NO2/NOx排放比例的影響。如圖21所示，在相同EGR 率時(shí)，隨著摻氧比增大，NOx的生成量峰值和最終排放量均升高。主要原因是摻氧后增加了缸內(nèi)氧濃度，缸內(nèi)高溫富氧區(qū)域增多，為NOx的生成提供了有利條件。此外，隨著摻氧比增加，NO2/NOx比例整體趨于減小。這主要因?yàn)閾窖醣仍黾邮垢變?nèi)燃燒溫度明顯升高，部分NO2在高溫氛圍下被分解 為NO［18］。在EGR 率為37% 而摻混比例為1.0% 時(shí)，摻氧與摻氫相比，NOx排放降低了12.1%。主要原因?yàn)橄啾葥窖?，在相同EGR 率下?lián)綒鋾r(shí)的缸內(nèi)燃燒溫度更高，為NOx生成提供了更有利的條件。

圖21 不同EGR 率下?lián)窖醣葘?duì)NOx排放和NO2/NOx比例的影響

圖22、圖23分別為不同EGR 率和摻氧比對(duì)剩余CH4排放及缸內(nèi)剩余CH4濃度分布的影響。如圖22、圖23所示，在引入相同比例EGR 率時(shí)，剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氧比增大而降低。主要原因是摻氧后，O2比例增大使壁面淬熄和狹隙效應(yīng)減弱，燃燒更為充分，燃燒室中心處、缸內(nèi)壁面附近和凹坑處的CH4濃度明顯降低。摻氧相比摻氫時(shí)的剩余CH4降低幅度較小。如在EGR 率為37% 而摻混比例為1.0% 時(shí)，摻氧時(shí)剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6×10-5，與摻氫相比升高88.0%。這主要是因?yàn)樵趽窖鯐r(shí)缸內(nèi)燃燒溫度、壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣燃叭紵俾瘦^摻氫時(shí)低，從而導(dǎo)致更多CH4未被氧化。

圖22 不同EGR 率下剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻氧比的變化

圖23 不同EGR 率和摻氧比下缸內(nèi)剩余CH4濃度分布

圖24為不同EGR 率和摻氧比下NOx排放和CH4排放之間的折中關(guān)系。如圖24所示，高EGR率下?lián)窖跣Ч@著，高EGR 率而低摻氧比可在較低碳煙、CO 排放的基礎(chǔ)上較好地改善CH4排放與NOx排放之間的矛盾。

圖24 不同EGR 率和摻氧比下NOx 排放和CH4 排放之間的折中關(guān)系

圖25為不同EGR 率下不同摻混比例時(shí)，摻混H2與O2對(duì)排放的影響對(duì)比。如圖25所示，與摻氫相比，不同EGR 率下?lián)窖鯇?duì)碳煙、CO 排放有顯著降低作用。摻氧或摻氫均會(huì)導(dǎo)致NOx排放升高，但摻氧較無(wú)摻混時(shí)升高幅度較??；二者均使CH4排放降低，但在摻混比例較小時(shí)，H2的作用大于O2的作用，隨摻混比例增大，摻氧后的降幅大于摻氫。在相同NOx排放和CH4排放水平情況下，摻氧的作用優(yōu)于摻氫。

圖25 不同摻混比例耦合EGR 對(duì)排放的影響

3 結(jié)論

（1）不同EGR 率下，摻氫后燃燒速率加快，缸壓、瞬時(shí)放熱率峰值及最大壓力升高率顯著升高，CH4排放總體下降；NOx排放在摻氫比為5.0% 時(shí)最大，在摻氫比大于5.0% 時(shí)部分NO 高溫下被分解，NOx排放降低；隨摻氫比增加，更多O2被H2燃燒所消耗，CO 生成增多且氧化減弱。碳煙排放在摻氫比大于2.5% 時(shí)也顯著增加。

（2）不同EGR 率下，摻氧利于混合氣著火燃燒，缸壓、瞬時(shí)放熱率峰值及最大壓力升高率升高，NOx排放增加；隨摻氧比的增加，碳煙和CO 后期氧化增強(qiáng)，最終排放降低；O2比例增大減弱了壁面淬熄和狹隙效應(yīng)，剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

（3）與摻氫相比，摻氧對(duì)碳煙、CO 排放有顯著降低作用，在EGR 率為37% 而摻混比為1.0% 時(shí)，摻氧比摻氫的碳煙排放少21.2%，CO 排放少30.8%；摻氧時(shí)的剩余CH4降低幅度較小，在EGR率為37% 而摻混比例為1.0% 時(shí)，摻氧時(shí)剩余CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摻氫相比升高88.0%。

（4）在EGR 率小于29% 而摻氫比小于2.5%時(shí)，摻氫可以在較低CO、碳煙排放的同時(shí)降低CH4排放；在高EGR 率時(shí)摻氧作用顯著，CH4和NOx排放之間的折中關(guān)系得到改善。