天然气发动机不同燃烧模式的模拟研究

2019-01-10罗修超吴强

柴油机设计与制造 2018年4期

罗修超，吴强

（四川航天职业技术学院，成都610100）

0 引言

天然气发动机主要排放是 CO、非甲烷HC（NMHC）、 CH4、 NOx。其中 CO、 NMHC由于自身理化特性比较容易在发动机尾气后处理中被氧化，CH4由于结构稳定，不易被氧化，而NOx的处理则需要通过还原反应；同时，在优化燃空比的时候，CH4和NOx的生成关系相互矛盾，所以天然气发动机排放控制的难点在于平衡CH4和NOx排放[1]。出于成本和技术方面的原因，当前天然气发动机大多采用稀薄燃烧+氧化催化后处理的技术方案来满足排放要求。其利用稀薄燃烧的方式在发动机缸内降低NOx排放，结合氧化催化器对CH4、NMHC、CO进行机外净化，从而达到当前的国家排放要求[2-3]。

为改善稀薄燃烧的发动机功率输出，部分厂商采用稀薄燃烧+低比例废气再循环（EGR）燃烧模式，在保证NOx低排放的情况下，适度提高混合气的燃空比。这样可以在依然只采用氧化催化后处理技术条件下达到国Ⅴ排放，并在满足国Ⅴ排放前提下，一定程度上改善发动机的功率输出。然而这种稀薄燃烧+低比例EGR燃烧模式的排放潜力依然不够，不能满足更高的排放要求[4-5]。为此，本研究对采用稀薄燃烧+低比例EGR的燃烧模式和当量燃烧+高比例EGR的燃烧模式的2种发动机性能进行数值模拟，旨在研究这2种燃烧模式下的发动机的性能潜力。

1 发动机燃烧模型建立

用AVL-Fire软件对天然气发动机的燃烧过程进行模拟研究。模拟研究对象为中国重型汽车集团有限公司某直列6缸增压中冷天然气发动机（以下称为原机），主要参数如表1所示。用AVL-Fire软件建立发动机燃烧模型，以进气上止点180°曲轴转角（°CA）为初始时刻，对进气和做功冲程进行动网格划分，如图1所示。

图1 燃烧模型动网格划分

本次模拟忽略进气道和气门结构对缸内混合气运动影响，及活塞顶部、燃烧室顶部、缸套内表面的温度变化。计算初始条件和边界条件如表2所示。

表1 发动机主要参数

表2 计算参数和边界条件

2 发动机燃烧模型校正

在发动机1 400 r/min、100%节气门开度（100%负荷）的试验工况点对发动机燃烧模型进行模拟校正。以原机的台架试验数据为基础，发动机燃烧模型选择正确的点火模型、燃烧模式等，并调整相关参数，使发动机燃烧模型的缸内压力曲线与台架试验的缸内压力曲线相匹配。校正结果如图2所示。从图2中可见，急燃期内，发动机燃烧模型的缸内压力曲线和缸内最高压力与试验值略有差异，但相对误差在5%以内，满足工程应用要求。因此，可以认为发动机燃烧模型对试验工况点的模拟是可靠的。

图2 缸内压力模拟曲线和试验曲线对比

3 模拟结果与分析

3.1 稀薄燃烧+低比例EGR燃烧模式

利用燃烧仿真模型，在1 400 r/min、100%负荷工况点，分别研究3种稀燃燃空比（燃空比为0.708、0.688和0.668）在不同EGR率下的发动机性能，并与同工况下的原机性能（采用稀燃模式，优化燃空比和点火提前角，辅以氧化催化后处理技术来满足国Ⅴ排放要求）进行比较，结果如图3所示。图3a）～3d）中9.5 MPa、 376.2°CA、10.2 E-02%及2E-02%四条直线分别表示原机的缸内最高压力、燃烧重心位置、CH4排放和NOx排放。由图3可见，随着EGR率的上升，参与再循环的废气量逐渐增多，缸内气体比热容逐渐增大，滞燃期和急燃期被延长，缸内压力峰值逐渐降低，如图3a）所示；燃烧重心不断后移，但后移速度在EGR率达到某个值后加快，如图3b）所示；CH4排放随着EGR率的增大不断增加，当EGR率增大到一定值后，CH4排放急剧上升，且随着燃空比的减少，EGR率稍增加，CH4排放增加就很大，如图3c）所示；NOx排放随着EGR率的上升先急剧下降然后趋于平缓，且燃空比越大，EGR对NOx的遏制作用越明显，如图3d）所示。

图3 不同EGR率对稀薄燃烧的影响

与原机各性能参数对比发现，由于缸内存在少量EGR，所以只有当燃空比取较大值时，才能在满足排放优于稀薄燃烧的情况下，发动机动力性能同时得到提升，但选取匹配稀薄燃烧的EGR率范围狭窄。当燃空比取0.708，EGR率取0.16时，缸内最高压力提高8.4%，CH4下降18.7%，NOx下降26.2%。

3.2 当量燃烧+高比例EGR燃烧模式

为达到较好的排放目标和发动机动力性能，当量燃烧+EGR燃烧模式需要采用比稀薄燃烧+ERG燃烧模式更高的EGR率。对当量燃烧以及2个低一点的燃空比（燃空比为0.9和0.8）在不同EGR率下的发动机性能进行模拟研究，并与在同工况下的原机性能进行比较，结果如图4所示。

图4 不同EGR率对当量燃烧的影响

由图4可知，当量燃烧+EGR燃烧模式下的缸内压力峰值随EGR率的上升而下降，变化趋势与稀薄燃烧+低比例EGR的情况相似，但压力峰值随EGR率的变化更明显，如图4a）所示；燃烧重心随EGR率的上升而上升，在EGR率达到一定值后，上升趋势加快，且随着燃空比增大，这个值越大，如图4b）所示；CH4排放与稀薄燃烧+低比例EGR燃烧模式的变化一致，但是，由于当量燃烧时前期火焰发展快速，且缸内氧气含量更少，导致后期部分混合气燃烧不太充分，使CH4排放在EGR率较低时就略高于燃空比为0.9时的CH4排放，如图4c）所示；NOx排放随EGR的变化趋势同样与稀燃+低比例EGR燃烧模式的变化一致，但是，由于当量燃烧时缸内混合气氧含量降低，遏制了NOx的产生，使当量燃烧的NOx排放比燃空比为0.8的还低，如图4d）所示。

与原机性能参数对比发现，当燃空比取0.8和0.9时，虽然能通过选取合适的EGR率获得发动机排放和动力性能共同提升，且在满足最高燃烧压力和NOx排放要求后，CH4的排放有所降低，但是NOx和CH4均处于开始急剧上升阶段。当燃空比取值为1时，通过匹配不同的EGR率，可找到排放和动力性能都优于稀薄燃烧的EGR率区域，且EGR率的优选范围较大，而且NOx和CH4排放变化均缓慢。当燃空比取1，EGR率取0.3时，发动机最高压力提高34.7%，CH4下降67.6%，NOx下降66.7%。