大負(fù)荷下柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒特性數(shù)值模擬

張光德，羅 露，宋 巍，張嘉誠

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

1 引言

在能源與環(huán)境的雙重壓力下，內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排技術(shù)越來越得到重視。對于柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷下工作，其最大的弊端便是工作粗暴，導(dǎo)致燃燒與排放性能不理想，采用合適的燃燒策略可以有效改善這一缺陷。國內(nèi)諸多學(xué)者對其做了相關(guān)研究，研究表明，預(yù)噴燃油燃燒放熱可以縮短主噴的著火滯燃期，提前放熱導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高。后噴放熱可以氧化Soot，同時(shí)較大的后噴油量可以改善NOx的排量。故采用多次噴射技術(shù)可以改善發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程，降低Soot和NOx的排放，優(yōu)化二者的trade-off關(guān)系[1-2]。經(jīng)濟(jì)性方面[3]，引燃柴油只是作為著火火源，能量主要來源于價(jià)格便宜的天然氣，故比純柴油節(jié)約了12%左右的費(fèi)用。這方面的研究國外不少學(xué)者也做過相應(yīng)研究，其中包括文獻(xiàn)[4]的綜述。結(jié)合RCCI燃燒技術(shù)，探究在大負(fù)荷工況下主預(yù)噴時(shí)刻對柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒與排放的影響，進(jìn)一步開發(fā)柴油-天然氣雙燃料RCCI的燃燒潛力，降低發(fā)動機(jī)的工作粗暴傾向。

2 燃燒模型的建立與驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

模型以TBD620柴油機(jī)為研究對象，根據(jù)其燃燒室的幾何模型尺寸[5]在CATIA上建立發(fā)動機(jī)氣缸模型，完成模型表面檢查、邊界劃分、網(wǎng)格設(shè)置等初步設(shè)定，再根據(jù)具體工況條件設(shè)定相應(yīng)的子模型（噴霧模型、燃燒模型等），最后進(jìn)行計(jì)算，完成模型的建立。該發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)[6]，如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine Technical Parameters

2.2 幾何模型和邊界劃分

為了提高計(jì)算效率，本研究省去了發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣管道和進(jìn)排氣門，采用該氣缸的1∕6扇形模型進(jìn)行。本研究模擬的是從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻（IVC）到排氣門開啟時(shí)刻（EVO）的整個(gè)過程，整個(gè)模型的邊界劃分為：活塞、氣缸壁、前端面、氣缸蓋、后端面五個(gè)部分，劃分情況，如圖1所示。

圖1 1∕6氣缸模型邊界劃分Fig.1 1∕6Boundary Division of Cylinder Model

2.3 模型工作過程的建立

柴油通過缸內(nèi)直噴的方式噴入氣缸，在缸內(nèi)經(jīng)歷碰撞、破碎、蒸發(fā)等一系列復(fù)雜的霧化過程后，再進(jìn)行壓縮膨脹燃燒等過程，在該仿真軟件的物理模型設(shè)置模塊里有關(guān)于噴霧、燃燒、湍流模型的設(shè)定，結(jié)合工況對這三個(gè)模型進(jìn)行合理地設(shè)置，可以有效模擬燃油在缸內(nèi)的變化過程。在進(jìn)行噴霧設(shè)定時(shí)，噴霧破碎模型采用KHRT模型、油滴蒸發(fā)選用Frossling模型。在該軟件噴霧設(shè)置這塊建立了兩個(gè)噴油器（Injector0和Injector1）且安裝在同一位置。

在進(jìn)行燃燒設(shè)定時(shí)，選用SAGE燃燒模型。此外，為了更真實(shí)地模擬柴油的噴霧過程，用正十四烷（C14H30）代替柴油模擬其噴射、混合等過程，蒸發(fā)后轉(zhuǎn)變成正庚烷（C7H16）代替柴油進(jìn)行燃燒計(jì)算[7]。

在進(jìn)行湍流設(shè)定時(shí)，采用雷諾時(shí)均方式（RANS）對缸內(nèi)湍流建模，選用RNG k-ε湍流模型模擬缸內(nèi)氣體湍流運(yùn)動。

利用SAGE燃燒模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需提供相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理文件[8-10]。為保證計(jì)算精度將網(wǎng)格基本尺寸設(shè)置為2mm，上止點(diǎn)時(shí)1∕6氣缸剖面圖，如圖2所示。在噴孔噴霧區(qū)域、活塞、氣缸蓋和邊界區(qū)域等采用嵌入式加密，對缸內(nèi)流場參數(shù)（如：速度、溫度）采用自適應(yīng)加密（AMR）。模型驗(yàn)證所采用的工作參數(shù)[6]，如表2所示。

圖2 上止點(diǎn)1∕6氣缸模型剖面Fig.2 Upper Dead Center 1∕6 Cylinder Model Section

表2 發(fā)動機(jī)工作參數(shù)Tab.2 Engine Working Parameters

為保證模型的可靠性，將算出的實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果進(jìn)行對比分析。模型驗(yàn)證結(jié)果，如圖3所示。可以看到缸壓和放熱率的大致走向是比較吻合的，燃燒相位基本一致。由于所采用的氣缸為簡化模型，且各種不確定因素，導(dǎo)致驗(yàn)證結(jié)果有一定的誤差，但是在可接受范圍之內(nèi)，符合模擬研究的要求。

圖3 模型驗(yàn)證的缸壓和放熱率Fig.3 Model Verified Cylinder Pressure and Heat Release Rate

3 柴油噴射時(shí)刻對雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒與排放的影響

在柴油引燃缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機(jī)中，噴射時(shí)刻對燃燒有著至關(guān)重要的影響。大量數(shù)據(jù)表明，采用多次噴射燃燒策略能精確控制噴射時(shí)間，靈活地改變噴油提前角等相關(guān)參數(shù)，促進(jìn)缸內(nèi)燃油分層，進(jìn)而改善發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程。在柴油的二次噴射模式下，第一次噴射時(shí)刻為預(yù)噴時(shí)刻SOI1，第二次噴射時(shí)刻為主噴時(shí)刻SOI2。

3.1 柴油預(yù)噴時(shí)刻對燃燒與排放的影響

本研究選取的預(yù)噴時(shí)刻為模型標(biāo)定的上止點(diǎn)前92.7°CA附近的參數(shù)，分別為上止點(diǎn)前90°CA、95°CA、100°CA、105°CA、110°CA，其它條件與模型標(biāo)定時(shí)保持一致。不同預(yù)噴時(shí)刻的缸壓曲線，如圖4所示。不同預(yù)噴時(shí)刻的放熱率曲線，如圖5所示。

圖4 不同預(yù)噴時(shí)刻的缸壓曲線Fig.4 Cylinder Pressure Curve at Different Pre-Injection Time

圖5 不同預(yù)噴時(shí)刻的放熱率曲線Fig.5 Heat Release Rate Curve at Different Pre-Injection Time

由圖4和圖5可知，在大負(fù)荷下，當(dāng)預(yù)噴時(shí)刻SOI1從上止點(diǎn)前90°CA提前到上止點(diǎn)前105°CA時(shí)，隨著預(yù)噴時(shí)刻的提前，缸內(nèi)峰值壓力增大，對應(yīng)的峰值相位也隨之推遲；放熱率峰值逐漸增大，峰值相位基本不變，柴油的冷焰反應(yīng)略微下降。

這是因?yàn)殡S著預(yù)噴時(shí)刻的提前，缸內(nèi)混合氣混合更加充分，放熱提前，進(jìn)而提升了主噴時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度，使主噴滯燃期縮短，主燃接近上止點(diǎn)，壓力升高。而當(dāng)預(yù)噴時(shí)刻為-110°CA ATDC時(shí)，缸壓和放熱率峰值均有所降低。噴油時(shí)刻過早導(dǎo)致缸內(nèi)油氣來不及充分混合，從而影響燃燒放熱。由此可知，一定范圍內(nèi)提前預(yù)噴時(shí)刻，油氣混合更充分促進(jìn)燃燒，但過早的預(yù)噴時(shí)刻會導(dǎo)致燃燒不充分。不同預(yù)噴時(shí)刻對燃燒性能指標(biāo)的影響，如圖6所示。

圖6 不同預(yù)噴時(shí)刻對燃燒性能指標(biāo)的影響Fig.6 Influence of Different Pre-Injection Time on Combustion Performance

由圖6可知，IMEP（平均指示缸內(nèi)壓力）、燃燒效率等均在SOI1=-105°CA ATDC時(shí)出現(xiàn)最大值，以此可知在大負(fù)荷工況下，一定范圍內(nèi)的較早的預(yù)噴可以改善燃燒過程，提高發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，但過早的預(yù)噴會影響燃燒，降低動力性和經(jīng)濟(jì)性。大負(fù)荷下不同預(yù)噴時(shí)刻的缸內(nèi)溫度分布云圖，如圖7所示。

圖7 大負(fù)荷下不同預(yù)噴時(shí)刻的缸內(nèi)溫度分布云圖Fig.7 Cloud Map of Temperature Distribution in Cylinder at Different Pre-Injection Time Under High Load

從圖中可看到燃料在氣缸的中心著火燃燒后開始擴(kuò)散，且預(yù)噴時(shí)刻越提前，火焰擴(kuò)散得越快故在缸內(nèi)分布得越均勻，更有助于燃燒。而高溫區(qū)主要是由柴油引燃的天然氣射流燃燒形成[11]。結(jié)合上文可知隨著預(yù)噴時(shí)刻提前，油氣混合越充分，提高了燃燒效率和指示熱效率。因此，大負(fù)荷工況下一定范圍內(nèi)的提前預(yù)噴更有利于燃燒。

不難看出當(dāng)SOI1=（-90～-105）°CA ATDC時(shí)隨著預(yù)噴時(shí)刻提前，NOx的排放量逐漸升高而Soot、HC和CO均在降低；而當(dāng)SOI1=（-105～-110）°CA ATDC時(shí)NOx的排放量迅速下降而HC、CO上漲，如圖8、圖9所示。

圖8 不同預(yù)噴時(shí)刻N(yùn)Ox和Soot累積排放量Fig.8 Accumulated Emission of NOx and Soot at Different Pre-Injection Time

圖9 不同預(yù)噴時(shí)刻HC和CO累積排放量Fig.9 Accumulated Emission of HC and CO at Different Pre-Injection Time

結(jié)合圖4和圖5可知，當(dāng)SOI1=（-90～-105）°CA ATDC時(shí)隨著預(yù)噴時(shí)刻的提前，缸內(nèi)油氣混合更加均勻，燃燒更加充分，而NOx易產(chǎn)生于高溫富氧的環(huán)境，后噴放熱促進(jìn)了Soot、HC和CO的氧化。因此，NOx的排放量在SOI1=-105°CA ATDC時(shí)達(dá)到最大，Soot、HC和CO在此時(shí)刻排放量最小。

3.2 柴油主噴時(shí)刻對燃燒與排放的影響

這里取的主噴時(shí)刻為模型標(biāo)定的上止點(diǎn)前20.4°CA，分別為上止點(diǎn)前10°CA、15°CA、20°CA、25°CA、30°CA，其它條件與模型標(biāo)定時(shí)保持一致。主噴時(shí)刻在-10°CA ATDC～-25°CA ATDC之間時(shí)隨著主噴時(shí)刻的提前，缸壓和放熱率均有不同程度的上升，而當(dāng)主噴時(shí)刻為-30°CA ATDC時(shí)，二者的值均下降了，如圖10、圖11所示。

圖10 不同主噴時(shí)刻的缸壓曲線Fig.10 Cylinder Pressure Curve at Different Main Injection Time

圖11 不同主噴時(shí)刻的放熱率曲線Fig.11 Heat Release Rate Curve at Different Main Injection Time

且當(dāng)預(yù)噴時(shí)刻為-30°CA ATDC時(shí)，柴油引起的焰前反應(yīng)比其它情況都大，極大降低了燃燒效率。這是因?yàn)榕R近上止點(diǎn)，缸內(nèi)壓力溫度都較高，主噴時(shí)刻提前使燃料更快噴入氣缸進(jìn)行放熱，故缸內(nèi)壓力溫度均在上升，而當(dāng)主噴時(shí)刻過于提前時(shí)即活塞離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)的情況下噴油，會導(dǎo)致燃燒提前，焰前反應(yīng)增大，在壓縮沖程末端只有較少量的燃油在燃燒，釋放的能量較低，故缸溫缸壓下降。綜上，主噴時(shí)刻在-20°CA ATDC～-25°CA ATDC之間燃燒狀況較為理想。

大負(fù)荷下不同主噴時(shí)刻的缸內(nèi)溫度分布圖，如圖12所示。由圖可知主噴時(shí)刻為-20°CA ATDC時(shí)燃料在氣缸中心著火燃燒并迅速向周圍擴(kuò)散，缸內(nèi)的溫度分布較為均勻，而其他兩種情況存在著火延遲、缸內(nèi)溫度太低和溫度分布不均勻等問題，故一定范圍內(nèi)提前主噴時(shí)刻可改善燃燒過程。

圖12 大負(fù)荷下不同主噴時(shí)刻的缸內(nèi)溫度分布云圖Fig.12 Cloud Map of Temperature Distribution in Cylinder at Different Main Injection Time Under High Load

IMEP（平均指示缸內(nèi)壓力）、指示熱效率和燃燒效率在主噴時(shí)刻為-20°CA ATDC～-25°CA ATDC間取得較好值，這時(shí)燃燒狀況最佳，發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性較好，如圖13所示。

圖13 不同主噴時(shí)刻對燃燒性能指標(biāo)的影響Fig.13 Influence of Different Main Injection Time on Combustion Performance

四種污染物的累積排放量，如圖14、圖15所示。給出了由圖可知，主噴時(shí)刻在-10°CA ATDC～-25°CA ATDC之間時(shí)Soot、HC和CO的排放量呈下降趨勢而NOx的量持續(xù)上升，但在-25°CA ATDC～-30°CA ATDC時(shí)與上述情況恰好相反。原因是隨著主噴時(shí)刻的提前，缸內(nèi)壓力和溫度上升，生成大量NOx的同時(shí)也促進(jìn)了Soot、HC和CO的氧化反應(yīng)；而主噴時(shí)刻過于提前時(shí)，缸內(nèi)燃燒情況不佳，壓力和溫度較低，故與上述情況相反。考慮到NOx的數(shù)量級比其他三個(gè)排放物的小得多，將主噴時(shí)刻設(shè)在（-20～-25）°CA ATDC時(shí)的污染物排放量最小。

圖14 不同主噴時(shí)刻N(yùn)Ox和Soot累積排放量Fig.14 Accumulated Emission of NOx and Soot at Different Main Injection Time

圖15 不同主噴時(shí)刻HC和CO累積排放量Fig.15 Accumulated Emission of HC and CO at Different Main Injection Time

4 結(jié)論

（1）大負(fù)荷工況下當(dāng)預(yù)噴時(shí)刻在（-90～-105）°CA ATDC時(shí)，提前預(yù)噴時(shí)刻可提高IMEP、燃燒效率和指示熱效率等多個(gè)參數(shù)，但過早的預(yù)噴時(shí)刻使這些參數(shù)有所下降，影響燃燒。當(dāng)預(yù)噴時(shí)刻為（-100～-105）°CA ATDC時(shí)排放最優(yōu)，故（-100～-105）°CA AT‐DC之間的預(yù)噴時(shí)刻能提高燃燒效率，降低大負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)工作粗暴的傾向。（2）大負(fù)荷工況下當(dāng)主噴時(shí)刻為（-10～-25）°CA ATDC時(shí)，隨著主噴時(shí)刻的提前，燃料燃燒越充分，燃燒效果越好，但當(dāng)主噴時(shí)刻為-30°CA ATDC時(shí)，IMEP、指示熱效率和燃燒效率等均有不同程度的降低，且尾氣排放量也在增加，故在（-20～-25）°CA ATDC之間的主噴時(shí)刻能提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，穩(wěn)定燃燒過程。（3）在大負(fù)荷工況下，燃燒相位并沒有隨噴射時(shí)刻的提前而有太大的變化，但發(fā)動機(jī)的性能得到了提升，而過早的噴射正時(shí)反而會降低發(fā)動機(jī)的性能，影響燃燒。