過量空氣系數(shù)對(duì)柴油引燃高壓直噴式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

黃英杰，王 謙，芮 璐，康佳明

（江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

化石能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，使得研發(fā)清潔高效的發(fā)動(dòng)機(jī)成為目前內(nèi)燃機(jī)研發(fā)的熱點(diǎn)。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(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，且排放污染物較少，被認(rèn)為是最具有潛力的替代能源。于是，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)越來越受到關(guān)注[1]。

為了減少天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，目前稀薄燃燒技術(shù)成為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究重點(diǎn)。許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)在稀燃條件下，在一定范圍內(nèi)增加過量空氣系數(shù)，燃燒溫度更低，可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性[2]。上述單燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)多采用進(jìn)氣道噴射的方式，無疑會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，存在著很大的提升空間。而缸內(nèi)直噴天然氣由于不占據(jù)進(jìn)氣體積且能良好地控制空燃比，動(dòng)力性能好，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者也做了一些研究。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于缸內(nèi)直噴式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jìn)而抑制NOx的生成[3]。

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

1 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

本文基于1臺(tái)Cummins ISX天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)建立了同軸噴射柴油引燃天然氣的模型。發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。為了節(jié)約模擬計(jì)算資源，同時(shí)柴油和天然氣噴嘴均為中心對(duì)稱設(shè)計(jì)，所以選擇計(jì)算區(qū)域?yàn)?/8的燃燒室，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮做工過程。繪制如圖1所示的燃燒室?guī)缀文Ｐ汀２捎玫膰娮炷Ｐ蜑槲鞲酃狙邪l(fā)的天然氣/柴油同軸噴射器，實(shí)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(jì)算模型與驗(yàn)證

2.1 計(jì)算模型

在進(jìn)行模擬計(jì)算前，先對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，確定基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為2 mm。根據(jù)溫度場和速度場進(jìn)行3級(jí)自適應(yīng)加密，對(duì)柴油噴霧和天然氣射流區(qū)域進(jìn)行3級(jí)加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)時(shí)，活塞網(wǎng)格數(shù)約為18萬。缸內(nèi)初始溫度為303 K，缸內(nèi)初始剪切動(dòng)能為1 m2/s2。缸內(nèi)初始?xì)怏w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(diǎn)時(shí)燃燒室的網(wǎng)格模型。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)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(wǎng)格模型

數(shù)值模擬計(jì)算采用CONVERGE軟件，其中湍流模型采用普遍適用于發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)柴油液滴運(yùn)動(dòng)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(dòng)力，發(fā)生破碎的可能性較大。柴油在上止點(diǎn)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(xué)反應(yīng)機(jī)理為正庚烷與甲烷的反應(yīng)機(jī)理。排放模型中，NOx生成化學(xué)機(jī)理選用Extended Zeldovich模型，soot生成氧化模型選用Hiroyasu soot模型[5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)中過量空氣系數(shù)的公式計(jì)算如下：

式中，mair、mdiesel和mCNG分別為空氣流量、柴油質(zhì)量和天然氣質(zhì)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(jù)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(xué)反應(yīng)式為2H2O。

計(jì)算所需要的氧氣質(zhì)量，根據(jù)氧氣占空氣中的比例算出空氣質(zhì)量，再根據(jù)理想氣體方程：

在進(jìn)氣溫度不變的情況下，計(jì)算進(jìn)氣所需壓力。在哥倫比亞大學(xué)柴油引燃高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)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(dòng)機(jī)最常使用1 200 r/m轉(zhuǎn)速下，模擬直噴式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程。根據(jù)哥倫比亞大學(xué)柴油引燃高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，天然氣的噴射壓力設(shè)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(guān)系如圖4所示。

表3 模擬參數(shù)

圖4 噴射參數(shù)關(guān)系示意圖

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證燃燒模型計(jì)算的有效性，對(duì)燃燒模型進(jìn)行驗(yàn)證。將加拿大哥倫比亞大學(xué)柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)與本文模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，此時(shí)工況為1 200 r/m、過量空氣系數(shù)為2。由圖5（a）試驗(yàn)與模擬得到的缸內(nèi)平均壓力曲線的對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(yàn)曲線，誤差在10%內(nèi)。因此，可以基于該計(jì)算模型進(jìn)一步開展研究。

圖5 模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

3 模擬結(jié)果與分析

為了研究不同過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒和排放的影響，在1 200 r/m的轉(zhuǎn)速下，從缸內(nèi)平均壓力、缸內(nèi)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(nèi)平均壓力曲線存在兩個(gè)峰值，一個(gè)是壓縮產(chǎn)生的峰值，一個(gè)天然氣燃燒產(chǎn)生的峰值。隨著過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)平均壓力的峰值逐漸增加，壓力升高率逐漸下降。當(dāng)過量空氣系數(shù)從1.5增加到3.5時(shí)，缸內(nèi)平均壓力峰值達(dá)到約17 MPa。因?yàn)檫^量空氣系數(shù)較大，缸內(nèi)初始?jí)毫^大，同時(shí)導(dǎo)致了壓縮和燃燒峰值的差異。從缸內(nèi)平均溫度圖可以看出，缸內(nèi)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?yàn)椴裼土枯^少，溫度上升幅度較??；第二次為天然氣燃燒放熱，產(chǎn)生大量熱量，缸內(nèi)平均溫度大幅上升。

圖6 過量空氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)平均溫度的影響

從圖7可以看出，存在兩個(gè)放熱率峰值，一個(gè)柴油燃燒放熱產(chǎn)生的峰值，一個(gè)是天然氣燃燒放熱產(chǎn)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?yàn)楫?dāng)過量空氣系數(shù)增加時(shí)，缸內(nèi)初始?jí)毫^大，柴油著火臨界點(diǎn)提前，燃燒放熱時(shí)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(dá)到3以上時(shí)，峰值大幅下降，降低了約50%，且燃燒放熱率曲線變得相對(duì)平緩。這是因?yàn)檫^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(duì)放熱率的影響

從圖8可以看出，在曲軸轉(zhuǎn)角為6°CA ATDC時(shí)，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?jí)毫υ黾?，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(nèi)擴(kuò)散速度減慢，在天然氣射流外圍形成火焰。在曲軸轉(zhuǎn)角為12°CA ATDC時(shí)，火焰一直保持類似的形狀，且由于缺少混合，燃空當(dāng)量較大，天然氣燃燒的速率相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為18°CA ATDC時(shí)，只在天然氣射流區(qū)域外存在小部分高溫區(qū)域。當(dāng)量比為1.5時(shí)，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(shí)間長，充滿整個(gè)燃燒室，形成預(yù)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(nèi)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?yàn)橛捎谶M(jìn)氣量增多，燃料噴入缸內(nèi)時(shí)環(huán)境壓力大，天然氣射流未能充分?jǐn)U散到整個(gè)燃燒內(nèi)燃燒，燃燒范圍逐漸減小，是過量空氣系數(shù)到達(dá)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(nèi)時(shí)刻溫度分布云圖

圖9 下曲軸轉(zhuǎn)角為18°CA ATDC時(shí)缸內(nèi)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(shí)，NOx生成速率較慢，因?yàn)橐疾裼洼^少，燃燒溫度較低，當(dāng)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(zhì)量先增加后減少。當(dāng)過量空氣系數(shù)為2時(shí)最高；當(dāng)過量空氣系數(shù)為3.5時(shí)最低，NOx排放質(zhì)量降低了15%。當(dāng)過量空氣系數(shù)從1.5增加到2時(shí)，NOx排放質(zhì)量增加是因?yàn)檫^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(shí)間也變長，同時(shí)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(yīng)減少。所以，當(dāng)過量空氣系數(shù)到達(dá)3以上時(shí)，NOx的排放反而降低了15%。

從圖11可以看出，soot質(zhì)量曲線存在兩個(gè)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(shí)伴隨著氧化。曲線的第一次峰值是引燃柴油燃燒產(chǎn)生的，生成了少量soot。第一個(gè)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(zhì)量峰值逐漸減小。這是因?yàn)榄h(huán)境背壓增加，雖然對(duì)引燃柴油擴(kuò)散燃燒存在不利影響，生成的soot質(zhì)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(chǎn)生的，天然氣大量燃燒，soot生成量較多，天然氣燃燒后期soot質(zhì)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(zhì)量越少。這是因?yàn)檫^量空氣系數(shù)越大，天然氣燃燒時(shí)缸內(nèi)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(dǎo)致soot的氧化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)量急劇減少，降低了74%。

圖10 過量空氣系數(shù)對(duì)NOx質(zhì)量的影響

圖11 下過量空氣系數(shù)對(duì)soot質(zhì)量的影響

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)空氣過量系數(shù)從1.5增加到3.5時(shí)，由于進(jìn)氣量的增加，缸內(nèi)平均壓力峰值升高，但是缸內(nèi)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(dòng)機(jī)的排放。當(dāng)過量空氣系數(shù)為3.5時(shí)，soot排放減少了74%，NOx排放質(zhì)量降低了15%。

（3）對(duì)于同軸噴射柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，可以通過渦輪增壓器改變進(jìn)氣的壓力改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放。