(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廣西南寧530004； 2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西玉林537005；3.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 廣西柳州545005)

0 引言

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)峻，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用替代燃料似乎為環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題提供了有吸引力的解決方案。天然氣以其清潔燃燒、儲(chǔ)量龐大、價(jià)格優(yōu)勢(shì)、來(lái)源廣泛等眾多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的柴油替代燃料之一[1]。天然氣具有較高的辛烷值，引入天然氣會(huì)延長(zhǎng)滯燃期，有利于燃料的完全燃燒[2-3]，但是在小負(fù)荷工況下，柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的未燃甲烷的排放較為顯著。因此，降低未燃甲烷排放是柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

提高噴油壓力可改善燃油的霧化效果，有利于燃料的完全燃燒，最終改善雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和降低未燃HC和CO排放。LIU等[4]發(fā)現(xiàn)，在雙燃料模式下，提高噴油壓力，CO和HC排放降低。雙燃料模式可以在較低的噴油壓力下達(dá)到與高壓噴射柴油相近的碳煙排放[5-6]。噴油壓力的上升可降低未燃甲烷和CO的排放，但是未燃甲烷和NOX的trade-off關(guān)系依然存在[6]。要解決NOX和未燃甲烷之間的trade-off關(guān)系，必須實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低溫燃燒方式[7-8]。ABDELAAL等[9]和SELIM等[10-11]的研究表明，在不同負(fù)荷下，NOX排放均隨著 EGR率的增大而降低。

化學(xué)燃燒機(jī)理與CFD軟件耦合的方法是深入探究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性的常用手段。HUANG等[12]將一個(gè)簡(jiǎn)化的柴油/天然氣雙燃料機(jī)理與AVL Fire軟件耦合計(jì)算，探究了不同噴油策略對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響。MATTARELLI等[13]使用 KIVA-3V軟件耦合一個(gè)包含81種物質(zhì)和421個(gè)反應(yīng)的天然氣/柴油機(jī)理。結(jié)果顯示，采用柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到原機(jī)的平均有效壓力。

綜上所述，噴油壓力與EGR耦合具有同時(shí)降低柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX和CH4排放的潛力，但是關(guān)于這方面的研究少見報(bào)道，為此，在一臺(tái)加裝了天然氣進(jìn)氣系統(tǒng)的柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，探究了柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放，同時(shí)采取CFD耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)一步從微觀角度闡述了雙燃料燃燒機(jī)理和排放物的生成機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)采用6缸增壓中冷柴油機(jī)，在原機(jī)上加裝天然氣供給系統(tǒng)，并對(duì)ECU進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，能準(zhǔn)確控制天然氣的進(jìn)氣量。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見表1。發(fā)動(dòng)機(jī)采用外部EGR，通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥來(lái)控制EGR率。由于引入的廢氣溫度較高，通過(guò)中冷器對(duì)其降溫，同時(shí)預(yù)熱新鮮充量。實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)描述可參考文獻(xiàn)[14]。

EGR率通過(guò)測(cè)量進(jìn)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)與排氣中CO2體積分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式如下[14]：

(1)

其中，φin為進(jìn)氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)；φout為排氣中CO2體積分?jǐn)?shù)。

另外，由于雙燃料模式使用理化特性不同的兩種燃料進(jìn)行燃燒，因此，為了便于理解，引入折合油耗的概念，將所消耗的天然氣質(zhì)量通過(guò)能量轉(zhuǎn)化換算成純柴油的質(zhì)量。換算公式如下：

(2)

折合熱效率通過(guò)以下公式計(jì)算：

(3)

其中，Pe是有效功率，mdiesel是燃油消耗量，mcng是燃?xì)庀牧?，Hμdiesel和Hμcng分別是柴油和天然氣的低熱值。

試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為1 720 r/min，扭矩為370 N·m(約22 %負(fù)荷)、柴油引燃量為27 mg/cyc、天然氣替代率為50 %的工況下進(jìn)行，通過(guò)改變EGR率(0～40 %)及噴油壓力(80 MPa和120 MPa)來(lái)研究雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性。

表1 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of test engine

2 計(jì)算模型

采用AVL FIRE軟件進(jìn)行缸內(nèi)燃燒仿真計(jì)算。由于湍流對(duì)燃燒過(guò)程中的傳熱和傳質(zhì)起著不可忽視的作用。研究采用k-zeta-f湍流模型來(lái)模擬缸內(nèi)流動(dòng)。為了從小分子的角度解釋柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒現(xiàn)象，使用課題組發(fā)展的一個(gè)包含143種組分和746個(gè)反應(yīng)的柴油/天然氣簡(jiǎn)化機(jī)理[1]來(lái)模擬雙燃料燃燒反應(yīng)過(guò)程。此外，使用WAVE模型[15]，Dukowicz模型和Walljet1模型[16]分別模擬液滴破碎過(guò)程，燃油蒸發(fā)過(guò)程和液滴碰壁過(guò)程。

三維計(jì)算模型通過(guò)FIRE ESE-Diesel platform生成，由于燃燒室對(duì)稱分布，噴油器位于缸蓋上居中位置并且柴油的噴孔數(shù)為8個(gè)，為提高計(jì)算效率，計(jì)算域用八分之一燃燒室模型(見圖1)。計(jì)算過(guò)程從進(jìn)氣門關(guān)(564°CA ATDC)到排氣門開(860°CA ATDC)。

圖1 在上止點(diǎn)時(shí)，燃燒室的八分之一的計(jì)算域Fig.1 Computational domain of one-eighth of the combustion chamber at TDC

3 結(jié)果與討論

圖2給出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓、放熱率和各類排放的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比。排放指的是每千克燃油燃料燃燒所產(chǎn)生的排放量。由圖2可知，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，但是存在一定誤差，主要原因是在仿真過(guò)程中沒有充分考慮湍流對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的影響以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量存在誤差[1]。

(a) 噴油壓力80 MPa時(shí)的缸壓放熱率的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比

(b) 噴油壓力120 MPa時(shí)的缸壓放熱率的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比

3.1 噴油壓力和EGR率對(duì)天然氣/柴油雙燃料燃燒特性的影響

圖3給出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，缸壓、放熱率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如圖3(a)所示，在EGR率為30 %的工況下，較高的噴油壓力可以改善油束霧化和蒸發(fā)，增加油束的動(dòng)能，燃料和空氣可以更充分的混合。因此，隨著噴油壓力的上升，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和瞬時(shí)放熱率峰值升高，著火時(shí)刻提前。

(a) 不同噴油壓力

(b)不同EGR率

圖3 不同工況下缸壓和放熱率的實(shí)驗(yàn)值
Fig.3 Experimental values of cylinder pressure and heat release rate

由圖3(b)可知，隨著EGR率的升高，放熱率峰值降低,缸內(nèi)最大壓力也降低。這是因?yàn)?，廢氣中存在大量的CO2和H2O等多原子分子，它們的加入導(dǎo)致進(jìn)氣充量的熱容提高并且降低缸內(nèi)氧濃度，抑制燃料完全燃燒，放熱率峰值降低，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，缸內(nèi)爆發(fā)壓力下降。隨著EGR率的增大，這種效果越明顯。

圖4給出了不同噴油壓力下天然氣—柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的折合熱效率(indicated thermal efficiency, ITE)，CA50和最大壓力升高率(maximum pressure rise rate, MPRR)隨EGR率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及不同曲軸轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的甲烷燃燒速率的計(jì)算結(jié)果。由圖可知，當(dāng)噴油壓力增加時(shí)，燃料的霧化效果較好，促進(jìn)了柴油和天然氣—空氣混合氣的混合，加快CH4燃燒速率[圖4(d)]，提高燃燒效率，ITE上升。隨著EGR率的上升，ITE呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，隨著EGR率的升高，柴油與天然氣/空氣混合氣的混合時(shí)間延長(zhǎng)，混合氣所形成的預(yù)混比例較大，CA50靠近上止點(diǎn)[圖4(b)]，ITE上升；當(dāng)EGR率進(jìn)一步提高時(shí)，降低進(jìn)氣氧濃度，而且多原子分子具有更高的比熱容，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒惡化，CA50遠(yuǎn)離上止點(diǎn)[圖4(b)]，ITE降低。

MPRR通常用來(lái)表示燃燒噪聲的強(qiáng)弱。由圖4(c)可知，MPRR隨著噴油壓力的升高而上升。這是由于噴油壓力越大，燃料霧化效果越好，能夠產(chǎn)生更多的均質(zhì)混合氣，預(yù)混燃燒比例增加，因此MPRR上升。當(dāng)EGR率上升時(shí)，MPRR呈現(xiàn)出先降低后升高再下降的趨勢(shì)。在小EGR率(0～10 %)工況下，滯燃期變化不大，燃燒主要受氧濃度影響，因此MPRR隨著EGR率的升高而下降。在中等EGR率時(shí)，滯燃期延長(zhǎng)，混合氣的預(yù)混比例增加，CA50靠近上止點(diǎn)[圖4(b)]，使得MPRR上升；在大EGR率時(shí)，缸內(nèi)燃燒嚴(yán)重缺氧，導(dǎo)致燃燒惡化，MPRR下降。

(a) 折合熱效率

(b) CA50

(c) 最大壓力升高率

(d) 甲烷燃燒速率

圖4 不同噴油壓力下燃燒參數(shù)的變化
Fig.4 Change of combustion parameters under different injection pressures

3.2 噴油壓力和EGR率對(duì)天然氣/柴油雙燃料排放特性的影響

圖5給出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同噴油壓力下，NOX，CO和CH4排放隨EGR率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖可知，噴油壓力上升，促進(jìn)燃料的完全燃燒，缸內(nèi)燃燒溫度上升，導(dǎo)致NOX排放升高。EGR率上升，進(jìn)入氣缸內(nèi)的廢氣增加，導(dǎo)致氧濃度降低，缸內(nèi)燃燒溫度降低，因此NOX排放減少。

(a) NOX

(b) CO

(c) CH4

由圖5(a)可知，當(dāng)EGR率較小時(shí)，提高噴油壓力，有助于柴油與天然氣的混合，提高燃燒速率，CA50靠前[圖4(b)]，缸內(nèi)溫度上升，從而增加NOX排放。隨著EGR率的增大，滯燃期延長(zhǎng)，燃油與空氣得到了較為充分的混合，提高噴油壓力對(duì)混合過(guò)程的影響減弱。此外，從圖5(a)可以看出，EGR率對(duì)NOX排放的影響要大于噴油壓力。

提高噴油壓力，促進(jìn)柴油與進(jìn)氣充量的混合，CA50提前[圖4(b)]，缸內(nèi)燃燒溫度上升，促進(jìn)CO和CH4氧化，因此CO和CH4排放隨著噴油壓力的上升而降低。隨著EGR率的增加，CO和CH4排放呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)?，CO2和H2O等多原子分子具有較高的熱容，加入廢氣后，缸內(nèi)總熱容升高，燃燒速率下降，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度下降。因此EGR率的增加抑制了CO和CH4的氧化，導(dǎo)致CO和CH4排放上升[圖5(b)和圖5(c)]。

由圖5(b)可知，在EGR率為0～30 %的工況下，CO排放對(duì)噴油壓力不敏感。這是因?yàn)?，在中小EGR率(0～30 %)時(shí)，氧含量高，CA50靠前[圖4(b)]，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進(jìn)CO的氧化，CO排放量較低。在較大EGR率(30 %～40 %)時(shí)，缸內(nèi)廢氣較多，比熱容較大，而提高噴油壓力有利于促進(jìn)燃油與進(jìn)氣充量的混合，減少富油區(qū)的形成，讓更多的CO氧化，因此CO排放降低。

圖6給出了不同噴油壓力下，氣缸內(nèi)甲烷分布的仿真圖。提高噴油壓力，甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾覽圖4(d)]，有助于缸內(nèi)甲烷燃燒。但是，靠近氣缸壁面和狹隙區(qū)域的混合氣由于溫度低不能被點(diǎn)燃，這部分氣體在膨脹行程重新進(jìn)入氣缸，然而此時(shí)缸內(nèi)溫度較低，不能將這部分可燃混合氣點(diǎn)燃，在排氣行程中隨廢氣一起排出氣缸。因此，噴油壓力上升，可促進(jìn)氣缸中心的天然氣燃燒，殘留在氣缸壁面和狹隙區(qū)域中的甲烷成為未燃甲烷排放的主要來(lái)源。

4 結(jié)論

① 當(dāng)提高噴油壓力時(shí)，CO和CH4排放下降，而MPRR、BTE和NOX排放上升。當(dāng)EGR率增加時(shí)，CH4和CO呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，NOX排放下降。BTE先上升后下降，而MPRR呈現(xiàn)先降低再升高最后下降的趨勢(shì)。

② 提高噴油壓力，氣缸內(nèi)湍動(dòng)能增加，甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱兄趯飧變?nèi)的未燃甲烷重新點(diǎn)燃，消耗大部分的未燃甲烷。然而氣缸壁面溫度較低，不能將汽缸壁和狹隙中的天然氣氧化，因此壁面和狹隙區(qū)域的天然氣成為未燃甲烷的主要來(lái)源。在EGR率較小時(shí)，噴油壓力對(duì)CO和CH4排放影響較小。在大EGR率工況下，提高噴油壓力，CO和CH4排放顯著降低。

③ 當(dāng)噴油壓力為120 MPa和EGR率為20 %時(shí)，柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得較高的熱效率和較低的排放。