低負(fù)荷下天然氣-二甲醚RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的仿真研究

周文韜，張光德，朱冬濤，張彥杰

(武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢,430065)

反應(yīng)活性控制壓燃(reactivity controlled compression ignition, RCCI)是內(nèi)燃機(jī)低溫燃燒模式的一種，可以有效降低氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)的排放量[1]。RCCI 燃燒模式有兩套供油系統(tǒng)：一套用于進(jìn)氣道噴射(port fuel injection, PFI) 低反應(yīng)性燃料，如汽油、天然氣、甲醇等；另一套用于缸內(nèi)直噴(direct injection, DI)高反應(yīng)性燃料，如柴油、二甲醚等。高反應(yīng)性燃料被壓縮著火后點(diǎn)燃進(jìn)氣道引入的低反應(yīng)性燃料混合氣。在不同負(fù)荷工況下，通過(guò)調(diào)整 PFI 與 DI 燃料的比例，就調(diào)節(jié)了實(shí)際參與缸內(nèi)燃燒燃料的當(dāng)量十六烷值[2]，使缸內(nèi)混合氣形成活性分層，在一定程度上實(shí)現(xiàn)燃燒相位及速率的可控。本研究中采用高反應(yīng)性燃料二甲醚引燃低反應(yīng)性燃料天然氣就屬于RCCI燃燒模式。

分隔式燃燒室可以使壓燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒更加穩(wěn)定[3]。燃燒從預(yù)燃室推進(jìn)到主燃室，主燃室內(nèi)的壓力升高率和缸內(nèi)溫度更低；而且分隔式燃燒室可以產(chǎn)生更強(qiáng)的紊流[4]，使雙燃料混合更均勻，天然氣燃燒速率得到提高。二甲醚可無(wú)煙燃燒且燃燒噪聲較低，能實(shí)現(xiàn)最大比例的廢氣再循環(huán)，從而大幅降低氮氧化合物的排放[5]，因此，在預(yù)燃室中用二甲醚引燃天然氣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和排放性能。

對(duì)于在分隔式燃燒室內(nèi)進(jìn)行雙燃料RCCI燃燒已有不少研究報(bào)道。Yousefi等[6-8]對(duì)比研究了帶預(yù)燃室和不帶預(yù)燃室發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放，以及天然氣與氫、柴油、甲醇在分隔式燃燒室中的RCCI燃燒，結(jié)果表明帶預(yù)燃室的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率更高，但雙燃料模式下，未燃HC排放量更高。Salahi等[9]進(jìn)行了天然氣和柴油在分隔式燃燒室中RCCI燃燒的研究，發(fā)現(xiàn)這種燃燒策略可以有效拓展發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，提高天然氣對(duì)柴油的替代比例，但在低負(fù)荷工況下燃料燃燒不完全。Kakoee等[1,10]將氫分別加入到柴油-天然氣和二甲醚-天然氣中，在分隔式燃燒室內(nèi)進(jìn)行RCCI燃燒對(duì)比，結(jié)果顯示加氫會(huì)使燃燒相位提前，CO和未燃HC的排放降低，缸內(nèi)溫度和壓力也有所提高；與柴油-天然氣雙燃料相比，在二甲醚-天然氣燃料組合中，由于二甲醚在燃燒開(kāi)始前被分解成CH4、H2和CO2，分解產(chǎn)物會(huì)降低混合物的十六烷值及熱值，造成燃燒質(zhì)量降低，CO和未燃HC排放增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率降低。

RCCI燃燒模式面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是：在低負(fù)荷工況下，缸內(nèi)混合氣濃度較低，燃燒不充分，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低甚至?xí)霈F(xiàn)失火的狀況，未燃HC和CO的排放量升高。這時(shí)，增加高反應(yīng)性燃料的比例會(huì)提高著火穩(wěn)定性，改善燃燒和排放狀況。另外，初始條件及噴油策略均會(huì)對(duì)二甲醚的分解速率造成影響，進(jìn)而改變天然氣-二甲醚混合燃料的十六烷值。為此，本文利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型及發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件，主要研究低負(fù)荷工況下當(dāng)量比、二甲醚噴射比例和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)天然氣和二甲醚在分隔式燃燒室中RCCI燃燒和排放性能的影響，以期為天然氣-二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用化提供參考。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 模型建立

用于研究的發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸R(shí)icardo E6/MS 配備了 MK.V預(yù)燃室[10]，發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。選用的仿真軟件是由美國(guó)Convergent Science Inc.(CSI)公司開(kāi)發(fā)的CONVERGE。仿真過(guò)程是從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻到排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻。CONVERGE具有自適應(yīng)加密功能，在模型的噴油嘴、預(yù)燃室、主副燃燒室通道、活塞部位都進(jìn)行了網(wǎng)格加密。為了提高計(jì)算效率，將氣缸沿對(duì)稱(chēng)軸簡(jiǎn)化為1/2模型，如圖1所示。采用的天然氣-二甲醚雙燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理包含58種組分和293個(gè)基元反應(yīng)[11]。

1.2 模型驗(yàn)證

模擬計(jì)算采用的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[10]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，天然氣和二甲醚在分隔式燃燒室中的RCCI燃燒模式也與該實(shí)驗(yàn)相同，即天然氣噴射后從進(jìn)氣道進(jìn)入主燃燒室內(nèi)，二甲醚在壓縮行程后期通過(guò)噴油嘴直接噴入副燃燒室，被壓燃后通過(guò)主、副燃燒室通道引燃主燃燒室內(nèi)的天然氣。實(shí)驗(yàn)的基本工況及邊界條件如表2[10]所示，本文模型驗(yàn)證所設(shè)定的工況和邊界條件與此相同。當(dāng)量比φ和二甲醚噴射比例rDME[12]定義為：

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：mNG、mDME、mair分別為天然氣、二甲醚和空氣的質(zhì)量；AFRNG和AFRDME分別為天然氣和二甲醚的理論空燃比；LHVNG和LHVDME分別為天然氣和二甲醚的低熱值。rDME表示了二甲醚的熱值占雙燃料總熱值的比例。

表2 實(shí)驗(yàn)工況及邊界條件

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。由圖可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果中的缸壓和放熱率曲線(xiàn)峰值及相位與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同，曲線(xiàn)形狀也較為接近。但由于采用的是簡(jiǎn)化模型，所以計(jì)算結(jié)果還是存在一定的誤差。放熱率計(jì)算曲線(xiàn)在-20°CA ATDC附近有一個(gè)小的波峰，這是由于二甲醚低溫放熱導(dǎo)致的，因?yàn)槠浞懦龅臒崃窟^(guò)少，所以本文主要研究放熱率曲線(xiàn)主峰階段的燃燒?？傮w來(lái)說(shuō)，數(shù)值計(jì)算模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的模擬是滿(mǎn)足要求的。

圖2 模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的缸壓、放熱率對(duì)比

2 結(jié)果與討論

2.1 當(dāng)量比對(duì)天然氣-二甲醚燃燒和排放的影響

當(dāng)量比的改變可以影響混合氣的燃燒始點(diǎn)和燃燒過(guò)程，合適的當(dāng)量比可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。在低負(fù)荷工況下，基于表2中的參數(shù)設(shè)置，調(diào)節(jié)二甲醚和天然氣雙燃料的總當(dāng)量比為0.25～0.5，模擬得到天然氣-二甲醚在分隔式燃燒室中RCCI燃燒時(shí)的缸壓和放熱率曲線(xiàn)，分別如圖3～圖5所示。

從圖3可以看出，當(dāng)量比越大，缸壓峰值就越高，峰值相位也越提前。結(jié)合圖4放熱率曲線(xiàn)來(lái)看，當(dāng)量比為0.25時(shí)，明顯表現(xiàn)出失火現(xiàn)象；φ=0.28大約為稀燃極限。隨著當(dāng)量比的增大，放熱率曲線(xiàn)峰值在升高，燃燒相位不斷提前，燃燒持續(xù)期也在縮短,這是因?yàn)楫?dāng)量比越大，混合氣越濃，二甲醚的點(diǎn)火能量也越高，甲烷燃燒得越充分。圖5中當(dāng)量比為0.4～0.5時(shí)，放熱率主峰已從單峰變?yōu)殡p峰，呈現(xiàn)出兩階段放熱現(xiàn)象。第一個(gè)主峰是因?yàn)槎酌蜒杆僮匀疾⒁疾糠旨淄?，第二個(gè)波峰是甲烷擴(kuò)散燃燒導(dǎo)致的。當(dāng)量比為0.5時(shí)，放熱率曲線(xiàn)主峰過(guò)后還出現(xiàn)了補(bǔ)燃現(xiàn)象，這是因?yàn)楦變?nèi)溫度較高，且甲烷在主燃階段沒(méi)有完全燃燒。

圖3 不同當(dāng)量比下的缸壓曲線(xiàn)

圖4 當(dāng)量比為0.25～0.35時(shí)的放熱率曲線(xiàn)

圖5 當(dāng)量比為0.40～0.50時(shí)的放熱率曲線(xiàn)

圖6所示為當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率、燃燒效率和指示平均有效壓力(IMEP)的影響，可以看出，這幾個(gè)指標(biāo)總體上都表現(xiàn)出隨當(dāng)量比增大而升高的趨勢(shì)。在當(dāng)量比從0.3增至0.4的過(guò)程中，指示熱效率提升了8個(gè)百分點(diǎn)，IMEP升高更加明顯。在當(dāng)量比為0.3及以下時(shí)，混合氣過(guò)于稀薄，二甲醚只能引燃部分甲烷，且缸內(nèi)燃燒溫度低，部分甲烷沒(méi)有參與燃燒。當(dāng)量比大于0.35時(shí)，熱效率的增速趨緩，在當(dāng)量比為0.45時(shí)達(dá)到最高值。當(dāng)量比為0.5時(shí)，熱效率反而略降，這是因?yàn)榛旌蠚鉂舛容^高，二甲醚自燃更早，整個(gè)燃燒相位過(guò)于提前。

圖6 當(dāng)量比對(duì)指示熱效率、燃燒效率和IMEP的影響

當(dāng)量比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的影響如圖7和圖8所示。由圖7可見(jiàn)，NOx排放量隨著當(dāng)量比的升高而增多。當(dāng)量比為0.28～0.3時(shí)，混合燃料氣體較稀薄，燃燒溫度較低，所以NOx排放量較低。當(dāng)量比為0.5時(shí)，NOx排放量急劇增加，這是由于燃燒相位過(guò)于提前，二甲醚與天然氣還沒(méi)有充分混合，部分區(qū)域內(nèi)燃燒溫度較高，所以NOx生成量多。碳煙(soot)排放量隨著當(dāng)量比的增大而降低，因?yàn)楫?dāng)量比增大時(shí)，混合氣濃度雖然更高，但氧氣充足，燃料燃燒更充分。當(dāng)量比為0.45左右時(shí)，NOx和soot的排放量都處于較低水平。由圖8可見(jiàn)，HC和CO排放量都隨當(dāng)量比的增大而降低。當(dāng)量比較小時(shí)，HC排放量高是因?yàn)楦變?nèi)燃燒溫度低，并且甲烷由于層流燃燒速度較低而沒(méi)有充分燃燒。CO排放量降低是因?yàn)殡S著當(dāng)量比的增大，反應(yīng)溫度升高，燃燒速率加快，CO與氧氣反應(yīng)更完全。

圖7 當(dāng)量比對(duì)NOx和碳煙排放的影響

圖8 當(dāng)量比對(duì)HC和CO排放的影響

2.2 二甲醚噴射比例對(duì)天然氣-二甲醚燃燒和排放的影響

為了研究低負(fù)荷工況下二甲醚噴射比例對(duì)天然氣在預(yù)燃室中RCCI燃燒和排放的影響，基于表2中的參數(shù)設(shè)置，將二甲醚和天然氣雙燃料的總當(dāng)量比設(shè)為0.45，二甲醚噴射比例為10%～30%，每次模擬計(jì)算中二甲醚和天然氣雙燃料的總熱值都保持相同。不同二甲醚噴射比例下的缸壓曲線(xiàn)和放熱率曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖9和圖10。二甲醚噴射比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率、燃燒效率和IMEP的影響如圖11所示。

由圖9可見(jiàn)，二甲醚噴射比例增加使得缸壓峰值相位提前；二甲醚噴射比例為15%～30%時(shí)，缸壓峰值很接近。由圖10可見(jiàn)，二甲醚噴射比例為10%時(shí)出現(xiàn)失火的情況，這是因?yàn)槎酌褔娚浔壤^(guò)低導(dǎo)致點(diǎn)火能量過(guò)低，未能引燃甲烷；放熱率峰值相位隨著二甲醚噴射比例的增加而提前，放熱率峰值也隨之升高；在二甲醚噴射比例增加的過(guò)程中，放熱率曲線(xiàn)表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的兩階段放熱現(xiàn)象，這主要是由于二甲醚過(guò)早被壓燃，燃燒相位提前，二甲醚和甲烷還沒(méi)有充分混合。由圖11可見(jiàn)，隨著二甲醚噴射比例的增加，燃燒效率略有提高，但燃燒相位過(guò)于提前導(dǎo)致IMEP和指示熱效率下降；在二甲醚噴射比例為15%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最好；二甲醚噴射比例從15%升至30%，指示熱效率下降了5個(gè)百分點(diǎn)。

圖9 不同二甲醚噴射比例下的缸壓曲線(xiàn)

圖10 不同二甲醚噴射比例下的放熱率曲線(xiàn)

圖11 二甲醚噴射比例對(duì)指示熱效率、燃燒效率和IMEP的影響

二甲醚噴射比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響如圖12和圖13所示。由圖12可見(jiàn)，隨二甲醚噴射比例的增加，NOx排放量在增多， soot排放量則總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。二甲醚極易壓燃，其含量越多就越容易早燃，導(dǎo)致二甲醚較濃的區(qū)域高溫放熱，NOx排放增多。soot排放量隨二甲醚噴射比例升高而下降是因?yàn)樘烊粴馑急壤档?，而二甲醚含量增加，引燃了更多的天然氣，這時(shí)HC的排放量也因此減少(見(jiàn)圖13)。從圖13還可以看出，CO排放量隨二甲醚噴射比例的升高表現(xiàn)為先增加后減少。二甲醚噴射比例為20%時(shí)，CO排放量增多是由于第二階段放熱、甲烷擴(kuò)散燃燒所造成的。隨著二甲醚噴射比例的進(jìn)一步增加，缸內(nèi)燃燒溫度更高，燃燒速率更快，所以CO的排放量又有所下降。結(jié)合圖12來(lái)看，二甲醚噴射比例為15%時(shí)，NOx的排放量最低，但是HC的排放量最高。

圖12 二甲醚噴射比例對(duì)NOx和碳煙排放的影響

圖13 二甲醚噴射比例對(duì)HC和CO排放的影響

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)天然氣-二甲醚燃燒和排放的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，可能會(huì)出現(xiàn)低速高負(fù)荷以及高速低負(fù)荷的情形，因此有必要研究轉(zhuǎn)速對(duì)低負(fù)荷工況下天然氣-二甲醚在預(yù)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中RCCI燃燒和排放的影響。在當(dāng)量比為0.45、二甲醚噴射比例為20%、其余初始條件保持不變的情況下，選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800、1000、1200、1400、1600 r/min進(jìn)行對(duì)比研究。不同轉(zhuǎn)速下的缸壓曲線(xiàn)和放熱率曲線(xiàn)分別如圖14和圖15所示，轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、燃燒效率和IMEP的影響如圖16所示。

從圖14和圖15可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的增加，缸壓峰值不斷降低，峰值相位也在推遲；在轉(zhuǎn)速為1600 r/min時(shí)出現(xiàn)了失火現(xiàn)象，放熱率曲線(xiàn)峰值也基本為零；從放熱率曲線(xiàn)的變化來(lái)看，燃燒相位隨轉(zhuǎn)速增加在不斷滯后，轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)放熱率峰值最高，轉(zhuǎn)速為1400 r/min時(shí)，燃燒相位過(guò)于滯后，所以此時(shí)的缸壓曲線(xiàn)出現(xiàn)了雙峰。

圖14 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的缸壓曲線(xiàn)

圖15 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的放熱率曲線(xiàn)

圖16 轉(zhuǎn)速對(duì)指示熱效率、燃燒效率和IMEP的影響

在圖16中，轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)的IMEP和指示熱效率最低；轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，燃燒效率較高，燃料燃燒更充分，所以熱效率和IMEP最高；轉(zhuǎn)速為1200 r/min和1400 r/min時(shí)，雖然燃燒效率降低，但燃燒相位在上止點(diǎn)之后，所以做的負(fù)功更少。

轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響如圖17和圖18所示。由圖17可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速增加，NOx排放量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槿剂先紵怀浞帧⑷紵郎囟冉档投斐傻?，也因此?dǎo)致soot的排放呈上升趨勢(shì)。由圖18可見(jiàn)，HC的排放量隨轉(zhuǎn)速的升高而增加，這也是由于燃燒效率的下降而導(dǎo)致的。CO排放量在1000 r/min時(shí)最低，是因?yàn)檗D(zhuǎn)速提高增加了缸內(nèi)初始湍動(dòng)能，促進(jìn)了燃料的混合，缸內(nèi)的氧氣分布也更均勻，所以減少了CO的排放。轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高后，因?yàn)槿紵掷m(xù)期短，燃燒不充分，缸內(nèi)溫度降低，CO沒(méi)有充分氧化，所以其排放量又增加了。

圖17 轉(zhuǎn)速對(duì)NOx和碳煙排放的影響

圖18 轉(zhuǎn)速對(duì)HC和CO排放的影響

3 結(jié)論

(1)當(dāng)量比增加會(huì)使天然氣-二甲醚燃燒相位提前，放熱率峰值升高，燃燒持續(xù)期縮短。當(dāng)量比為0.28時(shí)接近稀燃極限。當(dāng)量比為0.28～0.35時(shí)，放熱率曲線(xiàn)為單峰；當(dāng)量比為0.40～0.50時(shí)，放熱率曲線(xiàn)呈現(xiàn)為雙峰。

(2)在低負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率和IMEP都隨著當(dāng)量比的增大而提高。當(dāng)量比在0.45附近時(shí)，指示熱效率最高，且NOx、soot、HC和CO這4種污染物的排放量都處于較低水平。

(3)二甲醚噴射比例的增加會(huì)使著火點(diǎn)和燃燒相位提前，兩階段放熱的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。指示熱效率和IMEP都隨著二甲醚噴射比例的降低而增加，但二甲醚噴射比例過(guò)低時(shí)，又會(huì)因點(diǎn)火能量過(guò)低而出現(xiàn)失火現(xiàn)象。在二甲醚噴射比例為15%左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最好，且NOx排放量最低，但HC的排放量增多。

(4)轉(zhuǎn)速升高會(huì)推遲天然氣-二甲醚燃燒相位，并且降低燃燒效率，轉(zhuǎn)速為1600 r/min時(shí)出現(xiàn)失火現(xiàn)象?？傮w來(lái)看，轉(zhuǎn)速在800 r/min附近時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性相對(duì)更好，所以低負(fù)荷工況下天然氣-二甲醚預(yù)燃式RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)不宜向中高轉(zhuǎn)速拓展。