基于一维/三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟

姜伟， 张玉银， 李世琰， 张勇， 张伟

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240； 2. 上海空间电源研究所， 上海 200245)



·性能研究·

基于一维/三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟

姜伟1， 张玉银1， 李世琰1， 张勇1， 张伟2

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240； 2. 上海空间电源研究所， 上海 200245)

以某1.0 L3缸汽油机为基础，利用GT-Power与Converge建立了天然气发动机耦合仿真模型,并利用原机试验数据对模型进行了验证，研究了进气富氧与EGR对天然气发动机性能的影响特性，对利用进气富氧与EGR改善天然气发动机的性能进行了探讨。结果表明，随进气氧气体积分数提高，天然气发动机平均有效压力显著提高，最大可提高22.8%(氧体积分数为28%时)；同时缸内温度和NOx排放升高，排气与传热的能量损失增加，燃气消耗率略有升高。加入EGR可以降低富氧燃烧下天然气发动机燃气消耗率，随着EGR率增加，燃气消耗率主要呈先减小后增加趋势；且随进气氧浓度提高，各浓度下最低燃气消耗率对应的EGR率逐渐提高；NOx排放随EGR率增加而逐渐降低，在进气氧体积分数为23%，25%，27%，29%时，EGR率分别为10%，15%，20%，25%即可将NOx排放降到原机水平；利用进气富氧与EGR可以有效地改善天然气发动机动力不足与NOx排放高的状况。

天然气发动机； 富氧燃烧； 废气再循环； 数值模拟

天然气作为传统发动机的替代燃料有着许多优点：资源丰富，价格低廉，燃烧产生的有害排放低，二氧化碳排放低，辛烷值高等。但天然气发动机同样存在不足，相比于汽油机，天然气发动机由于容积效率低、缸内火焰速度慢等因素，其动力输出相比同条件下汽油机明显降低[1]，而且具有较严重的NOx排放问题[2]。因此，如何改善天然气发动机性能成为一个研究热点。

发动机进气富氧燃烧对于发动机减排、提高功率密度、改善缸内燃烧质量等具有很大潜力，相关研究吸引了许多研究者的关注。Poola 等对柴油机富氧燃烧做了许多研究，发现富氧燃烧可以明显降低炭烟生成、减少HC和CO排放、提高发动机功率密度、缩短滞燃期，但会使NOx排放增加[3-4]。Caton对火花点火式发动机进行了富氧燃烧热力循环仿真，发现进气氧浓度增加时相应地提高循环供油量可以增加发动机的输出功率[5]。Zhou等对小型强化汽油机进行富氧燃烧试验与仿真研究，发现低负荷下富氧可降低油耗率，提高燃油经济性[6]。张韦等研究了进气富氧与EGR对直喷柴油机NO和炭烟排放的影响，发现合适的EGR和富氧比例可以实现低于原机的NO和炭烟排放，同时兼顾功率和油耗[7]。总体而言，进气富氧燃烧对发动机性能改善效果明显，但是已有的研究主要是针对柴油机和汽油机，对天然气发动机应用富氧燃烧的研究相对较少，特别是缺少进气富氧燃烧对改善天然气发动机动力性的潜力和对油耗、排放影响的认识。

EGR对改善发动机油耗与降低NOx排放有着积极作用。Cheolwoong等通过对天然气-氢气混合燃料发动机的研究发现，引入CO2增加了缸内混合气的比热容，燃烧温度降低，从而使NOx排放降低，但HC排放增加[8]。Li等通过试验研究了EGR对涡轮增压天然气发动机燃烧和NOx排放性能的影响情况，结果表明EGR有助于热效率的改善、NOx排放的降低[2]。Hu等对天然气-氢混合燃料发动机的研究同样表明，EGR可显著降低发动机NOx排放，小比率EGR可以提高发动机热效率[9]。从相关研究可以发现，EGR技术可以广泛地应用于增压、掺氢等条件下的天然气发动机，用以改善天然气发动机的NOx排放和热效率。同样，EGR也具有改善富氧燃烧条件下天然气发动机性能的潜力，但改善效果尚待研究。

针对天然气发动机所具有的动力不足和NOx排放问题，且考虑到发动机进气富氧燃烧与EGR的潜力，本研究通过采用一维仿真软件GT-Power与三维CFD软件Converge耦合仿真的方法，建立天然气发动机仿真模型，研究进气富氧与EGR对天然气发动机性能的影响规律，探讨利用进气富氧与EGR改善天然气发动机性能的潜力，为天然气发动机应用富氧燃烧与EGR技术提供科学依据。

1 模型建立与验证

1.1 一维/三维仿真模型建立

考虑到小排量3缸发动机具有体积小、质量轻、燃油经济性好、尾气排放低等特点，本研究以1.0 L小型3缸PFI自然吸气汽油机为基础，利用一维仿真软件GT-Power与三维CFD软件Converge建立发动机一维、三维耦合仿真模型，发动机基本参数见表1。

表1 发动机基本技术参数

一维GT-Power采用有限容积法计算各控制方程，对于发动机进排气过程有计算速度快、标定后计算准确等优点，但是对于缸内燃烧过程的计算主要采用零维或准维燃烧模型，预测性较差。而缸内三维CFD计算可以更加准确地模拟缸内流动与燃烧反应过程，具有更好的预测性，但对整机工作过程的模拟计算耗费时间，不利于工程应用。本研究通过一维、三维模型耦合计算，利用一维模型计算出进排气的流动信息(压力、质量流量、物质种类等)，用作三维模型的进排气流动边界，进行缸内三维CFD计算，这样可以实现更加高效准确的仿真模拟。

原机的一维GT-Power仿真模型采用准维预测型SITurb燃烧模型，通过在燃烧模型中导入实际发动机燃烧室的三维扫描模型以增加模型预测的准确性；此外，采用WoschniGT热传导模型计算发动机缸内传热，采用Chen-Flynn摩擦模型计算机械损失。

缸内三维CFD仿真模型根据实体扫描模型由Converge软件建立，主要包括进气道、气缸、排气道3个部分(见图1)。Converge三维CFD仿真具有较好的预测性，根据Wang[10]和Yang[11]的研究，通过在模型中采用合理的反应机理和充足的网格分辨率，即可保证模拟缸压与试验数据很好地匹配，使模型具有充足的准确性和预测性。本研究的三维仿真模型利用基于Chemkin基元反应的SAGE详细化学反应机理计算缸内燃烧，并利用AMR(温度与速度场网格自适应加密)细化计算网格，相比于传统的经验燃烧模型，该方法可以更真实地模拟缸内燃烧过程，获得准确的计算结果。此外，湍流模型采用RNGκ-ε模型，模型基本网格尺寸为4 mm，最小网格为0.125 mm；三维模型的进排气边界采用GT-SUITE边界类型，用于与一维GT-Power进行耦合计算，模型燃料使用甲烷(CH4)。

1.2 原机一维仿真模型验证

利用原汽油机的台架试验数据对建立的一维仿真模型进行了基本验证，以保证一维进排气流动过程计算的准确性，为三维模型提供可靠的流动边界数据。通过调整原汽油机模型的进排气管路摩擦、流量系数和燃烧与热传导模型等参数，可使仿真计算缸压与试验数据相匹配。图2示出1 400 r/min，歧管绝对压力为40 kPa时缸内压力的仿真与试验结果对比，图3示出原机外特性扭矩的仿真与试验结果对比，结果表明，仿真与试验数据较为一致。因此，该模型可用于进一步的耦合仿真计算工作。

2 结果分析

2.1 进气富氧对天然气发动机性能的影响

模拟工况为2 000 r/min、全负荷工况，模拟的进气富氧比例从21%至29%(空气中氧气的体积分数)；在不同的富氧进气下，始终保持当量比为1；点火角调整为最大扭矩点火角。通过耦合仿真获得富氧燃烧下天然气发动机各主要性能的变化规律。

图4示出不同进气氧气体积分数下，天然气发动机平均有效压力的变化情况。由图可知，随进气富氧比例的增加，发动机的平均有效压力逐渐增大，当进气氧体积分数为28%时，平均有效压力达0.915 MPa，比原机提高22.8%。这主要是因为，随着进气氧气浓度增加，实际进入发动机的氧气量增加，保证当量比为1，实际进入缸内的燃料量也相应增加，如图4所示单缸的循环燃料量随氧浓度增加而逐渐增大。

图5示出不同进气氧气体积分数下，天然气发动机缸内NOx浓度与最高温度的变化情况。由图可知，随着发动机进气氧浓度的提高，发动机缸内NOx浓度与缸内最高温度都逐渐增加；当氧体积分数小于24%时，NOx排放迅速增加，当氧体积分数大于24%时，NOx浓度增长趋势减缓。缸内富氧燃烧下，缸内温度提高，促进了热力型NOx的生成。

图6示出燃气消耗率随进气氧气体积分数变化关系。结果表明，随着氧浓度的提高，燃气消耗率会略微提高，当进气氧气体积分数为28%时，有效的燃气消耗率比原机提高了约5%。图7示出不同进气氧浓度下燃料能量的分布情况。从图中可知，进气氧浓度提高在提高发动机有效功率输出的同时，会使排气的热量损失和缸内传热能量损失增加，整体效果是排气与传热造成的能量损失占总能量的比例逐渐增大，在进气氧体积分数为28%时，排气与传热能量损失占比66.6%，比原机64.3%提高了3.57%。排气和传热损失促使燃气消耗略有提高。

2.2 EGR对富氧燃烧天然气发动机性能的影响

单独提高进气氧浓度会有不同程度的NOx排放提高与油耗增加的现象，因此本研究通过模拟引入EGR来减少NOx排放，同时提高热效率。采用不同的进气EGR率(0%，10%，20%，30%)，研究EGR对富氧条件下天然气发动机性能的影响规律。EGR率定义为进气歧管中EGR气体占总进气的质量分数，计算公式如下：

图8示出不同进气氧气体积分数下，EGR对发动机燃气消耗率的影响。由图可知，原机在EGR率为10%时具有最小的燃气消耗率，经济性得到改善；在氧体积分数小于25%时，燃气消耗率随EGR率增加呈先降低后增大的趋势；在氧体积分数为27%时，燃气消耗率随着EGR率增加而逐渐降低，EGR率为30%时燃气消耗率降低3.1%；在氧体积分数为29%时，燃气消耗率随EGR率增加先略有增加后快速降低。进气氧体积分数为21%，23%，25%，27%时，获得最低燃气消耗率的EGR率分别为10%，10%，20%，30%，可见随着进气氧浓度提高，发动机的废气容忍度有所提高。适量引入EGR有助于降低由富氧燃烧所引起的较高缸内燃烧温度，从而可以减少传热与排气热损失，提高富氧燃烧下天然气发动机的热效率。

图9示出不同进气氧浓度下，EGR率对NOx浓度的影响。从图中可知，随着EGR率增大，NOx浓度逐渐降低，尤其是在富氧燃烧条件下，引入EGR对NOx降低效果更明显。在进气氧体积分数为23%，25%，27%，29%时，EGR率分别为10%，15%，20%，25%即可将各富氧条件下的NOx排放降到原机水平。引入适量的EGR能够降低缸内温度，从而减少NOx生成。

2.3 综合评价

图10以等高线图的形式示出了天然气发动机燃气消耗率、平均有效压力、NOx排放等随进气氧浓度与EGR率的变化情况。结果表明，较高的进气氧浓度、低EGR率(或无EGR)下动力性显著提高，最高可提高约20%，有助于天然气发动机动力性能的恢复，如区域B(图11b中Zone B)所示；约10%EGR率和较小进气氧浓度(或者不富氧)情况下，天然气发动机的燃气消耗率和NOx排放低于原机水平，如区域A(图11a,图11c中Zone A)所示。对于整车不同的运行工况，进气富氧和EGR的组合可以灵活满足相应的需求：在瞬态短时加速情况下，使天然气发动机运行在Zone B区域，有利于迅速获得强劲的动力输出；在稳态匀速运行情况下，使天然气发动机运行在Zone A区域，可使发动机的经济性和NOx排放特性表现更佳。

3 结论

本研究利用一维/三维模型耦合仿真探讨了进气富氧与EGR对天然气发动机性能的影响特性，得到了该发动机典型工况(2 000 r/min，节气门全开)下的性能变化规律：

a) 天然气发动机平均有效压力随进气中氧气体积分数的增加而显著提高，最大可提高22.8%(氧体积分数为28%时)；随进气富氧量增加，发动机缸内温度和NOx排放升高，燃气消耗率略有升高；

b) 加入EGR可以降低富氧燃烧下天然气发动机燃气消耗率，且随着EGR率增加，燃气消耗率主要呈先减小后增加趋势；NOx排放随EGR率增加而逐渐降低；

c) 进气富氧与EGR匹配可以灵活改善天然气发动机性能，对于功率需求大的瞬态加速工况，可以通过提高进气富氧量迅速提高天然气发动机的动力输出；在稳态运行工况下，采用EGR可以显著降低富氧燃烧下天然气发动机的NOx排放，且提高发动机的燃油经济性。

[1] 杨靖，马慧超，王毅，等.某高速汽油机改LNG发动机动力性下降问题研究[J].车用发动机，2015(2)：33-39.

[2] Li W,Liu Z,Wang Z,et al.Experimental investigation of the thermal and diluent effects of EGR components on combustion and NOxemissions of a turbocharged natural gas SI engine[J].Energy Conversion and Management,2014,88:1041-1050.

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[4] Poola R,Sekar R.Reduction of NOxand Particulate Emissions by Using Oxygen-Enriched Combustion Air in a Locomotive Diesel Engine[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2003,125:524-533.

[5] Caton J.The effects of oxygen enrichment of combustion air for spark-ignition engines using a thermodynamic cycle simulation[C]//ASME 2005 Internal Combustion Engine Division Spring Technical Conference.[S.l.]：ASME，2005：135-147.

[6] Zhou J,Richard S,Foucher F,et al.Effects of Controlling Oxygen Concentration on the Performance, Emission and Combustion Characteristics in a Downsized SI Engine[C].SAE Paper 2013-24-0056.

[7] 张韦，舒歌群，沈颖刚，等.EGR与进气富氧对直喷柴油机NO和碳烟排放的影响[J].内燃机学报，2012,30(1):16-21.

[8] Cheolwoong P,Sangyeon W,Changgi K,et al.Effect of mixing CO2with natural gas-hydrogen blends on combustion in heavy-duty spark ignition engine[J]. Fuel,2012,102:299-304.

[9] Hu E,Huang Z,Liu B,et al.Experimental investigation on performance and emissions of a spark-ignition engine fuelled with natural gas-hydrogen blends combined with EGR[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2009,34:528-539.

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[11] Yang S.A Preliminary Research on Turbulent Flame Propagation Combustion Modeling Using a Direct Chemical Kinetics Model[C].SAE Paper 2013-24-0023.

[编辑： 潘丽丽]

Numerical Simulation of Oxygen-rich CNG Engine Based on 1D/3D Coupled Model

JIANG Wei1, ZHANG Yuyin1, LI Shiyan1, ZHANG Yong1, ZHANG Wei2

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Institute of Space Power Sources, Shanghai 200245, China)

The coupled simulation model of CNG engine was built with GT-Power and Converge software based on a 1.0 L gasoline engine and was calibrated with test data of original engine. Then the influences of oxygen-rich intake and EGR on CNG engine performance were researched and the performance improvements thereof were discussed. The results show that BMEP for CNG engine increases obviously with the increase of oxygen volume fraction and increases by 22.8% at most in 28% oxygen content. Moreover, the in-cylinder temperature, NOxemission, the energy loss of exhaust and heat transfer all increase and BSFC slightly increases. The specific CNG consumption under the conditions of rich oxygen decreases by introducing EGR and shows the trend of first decrease and following increase with the increase of EGR rate. The corresponding EGR rate of the lowest CNG consumption increases gradually with the increase of oxygen content. NOxemission increases with the increase of EGR rate and can reach the emission level of original engine when the EGR rate is 10%, 15%, 20% and 25% respectively in oxygen volume fraction of 23%, 25%, 27% and 29%. Accordingly, the oxygen-rich intake and EGR can improve the power and NOxemission of CNG engine effectively.

CNG engine; oxygen-rich combustion; EGR; numerical simulation

2015-08-27；

2015-10-26

上海航天技术研究院-上海交大航天先进技术联合研究中心资助项目(USCAST2013-32)

姜伟(1990—)，男，硕士，主要研究方向为发动机数值模拟；jiangwei_sjtu@163.com。

张玉银(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向为喷雾燃烧，发动机燃烧过程等；yuyinzhang@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.008

TK421.5

B

1001-2222(2015)06-0039-05