喷射策略对引燃直喷天然气发动机燃烧和排放的影响综述

王雨心 刘世通 李旭 张强

摘要：柴油引燃直喷天然气发动机具有热效率高而排放低的优点，并且受爆震的影响小，可以采取较大的压缩比。直喷天然气发动机的早期研究在于工况点的性能比较和喷射参数的优化上，近年来喷射策略成为了学者们的研究重点，通过调节柴油和天然气的喷射，改变发动机的燃烧方式，进而改善燃烧，减少排放。本文在以前文献的基础上，总结了喷射策略对引燃直喷天然气发动机燃烧和排放的影响。

Abstract： Pilot ignited direct injection natural gas engine has the advantages of high thermal efficiency and low emission. And it is less affected by detonation and can take a larger compression ratio. The early research of direct injection natural gas engine lies in the performance comparison of operating point and the optimization of injection parameters. In recent years， the injection strategy has become the focus of scholars. By adjusting the injection of diesel and natural gas， the combustion mode of the engine can be changed to improve combustion and reduce emissions. Based on the previous literature， this paper summarizes the effects of injection strategy on combustion and emission of direct injection natural gas engine.

关键词：柴油引燃;天然气;喷射策略;燃烧;排放

Key words： pilot ignited;nature gas;injection strategy;combustion; emission

1  绪论

内燃机的排放对大气环境产生了许多危害，其中NOx是光化学烟雾形成的重要组成部分，也是酸雨的主要来源之一[1];PM是内燃机排放入空气中的微小颗粒物，危害人体健康降低大气质量。为了改善大气环境，环境法规日益严格，专家们开始重视寻求更加清洁的能源代替传统燃油以达到降低排放的目的。

天然气的主要成分为甲烷，C/H比值小，热值高，以天然气为燃料的发动机在获得和传统柴油机相当的动力性的同时，排放更低、经济性更好，因此天然气作为传统燃料的替代燃料，在发动机上得到了广泛的应用。但是天然气自燃温度比柴油高，在没有外部的点火源或者缸内高温条件下，天然气的点燃是个问题。

柴油引燃是解决天然气点火困难的一种方法，但是传统的火花点燃式发动机使用预混合天然气进行燃烧，受爆震的限制，导致热效率下降而热负荷增加。为了在使用天然气的同时，能够匹配柴油机的热效率和动力性，加拿大英屬哥伦比亚大学[2]提出了柴油引燃高压直喷天然气技术（HPDI），在上止点附近喷射少量引燃柴油（5-10%燃油能量），形成多点火核，随后高压喷射天然气，非预混天然气会被火核引燃，开始扩散燃烧。研究发现HPDI发动机不受爆震的限制，可以获得与柴油机相当的动力性，同时NOx排放减少40%，PM排放减少65%。通过调节喷射参数灵活的改变燃烧模式，还可以进一步优化整体性能，所以HPDI发动机是未来天然气发动机发展的一个可靠选择。

2  喷射策略

HPDI发动机的早期研究主要集中于扩散燃烧模式下不同测点的性能比较和喷射参数的优化方面，Douville[3]利用六缸两冲程发动机进行13工况点稳态试验，试验发现HPDI发动机能够得到与柴油机相似的动力性，而所有工况点下的NOx和PM排放均有所下降，燃烧速率更加平缓，峰值温度更低，所以最高温度的降低可能是NOx排放下降的主要原因。McTaggart-Cowan[4]为了降低NOx排放，尝试采用添加EGR和调节喷射参数的方法，结果表明可以采用推迟喷射时刻、降低喷射压力和提高EGR率等方法降低NOx的排放，但是PM、CO和HC排放会相应的增加;而在高EGR率下，缩短柴油/天然气喷射间隔可以减缓EGR对PM和CO排放的负面影响。

近年来为了进一步减少排放，学者们的研究重心逐渐转到新的喷射策略上。Faghani[5]在单缸发动机上进行试验，研究中等转速和负荷下HPDI后喷策略对排放和发动机性能的影响，研究发现当后喷比例为15-20%，天然气主-后喷射间隔为1.5-2.5ms时，PM排放可以降低80%，CH4排放减少25%，而NOx排放和油耗量只是略微增加，这些结果表明合适的主-后喷射间隔可以分开主、后喷射所引起的燃烧，使燃烧室内的空气得到充分利用，但喷射间隔过大时，两次喷射的燃烧产物之间的相互作用将会减弱，后喷燃烧引起的温升也不会促进主燃烧阶段产生的PM氧化。随后Faghani[6]在之前的试验基础上进一步展开研究，以燃油消耗量的增加<1%而PM下降最大为基准，找到试验工况下的最优后喷比例和喷射间隔，同时指出燃油主喷射量的减少是PM排放降低的主要原因。但是关于HPDI后喷策略的研究还有一些不足，试验仅在单缸机上进行，研究结果的合理性还需要在涡轮增压多缸发动机上进行验证，而且PM排放减少的详细原因也没有给出合理的解释。

Zoldak[7]为了减少峰值压力升高率，实现NOx和PM的低排放，首次提出了DI-NG燃烧模式，其通过将柴油在压缩冲程进行分段喷射，两次柴油喷射分别位于天然气喷射前后，在避免过度预混合的同时实现了点火源和活性反应的梯度分布。模型计算结果表明在没有引起缸内压力峰值和压力升高率增大的情况下，PM和NOx的排放降低，但是HC和CO排放仍然很高，而且因为引燃柴油喷射次数增加，为了保证稳定点火，引燃柴油比例不应低于5%。

McTaggart-Cowan[8]為了减少高压直喷天然气发动机的PM排放，提出了微预混燃烧（SPC）模式，并通过试验进行研究。研究结果表明在给定的EGR率下，天然气略微提前于柴油喷射，在降低30%PM排放的同时会伴随着NOx和CH4排放的增加;而将SPC模式、降低引燃柴油量和优化EGR率三种措施相互配合，却能够不以NOx为代价降低20-30%的PM排放，或者在NOx排放的增加小于25%条件下，降低40%的PM排放。Faghani[9]将SPC模式应用于HPDI发动机，研究发现在合适的EGR率和EQR下，微预混燃烧能够明显降低PM排放，而NOx和CH4排放不会恶化;而且通过调节柴油/天然气的喷射间隔、EGR率和EQR，可以找到最佳微预混燃烧工况点，此时PM排放下降90%，NOx和CH4排放只是略微增加。但是该燃烧模式的主要缺点就是引燃柴油和天然气的相互作用，导致循环波动和峰值压力升高率很大，从而产生更高的发动机噪声。

Munshi10]在直喷天然气发动机上研究了扩散燃烧、部分预混合燃烧和均质预混合燃烧三种燃烧模式的联合使用，研究发现在怠速、低负荷工况下只有扩散燃烧模式可以保证可靠的点火和稳定的燃烧，但是该模式下NOx和PM排放很高;在25-50%负荷下均质预混合燃烧匹配合适的EGR率，可以实现NOx和PM几近零排放，且热效率获得较大的提高，但是缸内峰值压力和发动机爆震是限制该燃烧模式高负荷运行的重要因素，同时CO和CH4排放问题仍没有得到有效解决;部分预混合燃烧是均质预混合燃烧和扩散燃烧的折中模式，不仅削弱了缸内峰值压力和爆震的影响，还拓展了负荷的运行范围，在高负荷下NOx排放很低而热效率可以超过40%，但是PM排放较高是该燃烧模式的一大缺点，可能是预混比例和喷射时刻不合适的原因。与Munshi的研究不同的是，Li[11]的数值模拟把研究重点放在了部分预混合燃烧模式的喷射参数研究上，如图1-图3所示，模拟发现提高天然气预喷射比例可以减少soot和CO排放，并且提高指示热效率，但是NOx排放会增加;而天然气预喷射时间对热效率的影响在不同预喷射比例下却是不同的，这应该是天然气的喷束特性和缸内流场相互作用的结果;通过协调天然气预喷射比例、预喷射时刻和EGR率，可以在NOx排放和热效率不恶化的基础上明显降低Soot和CO的排放。

3  总结

①主后喷射方式通过将少量柴油进行二次喷射，减少燃烧时混合气的局部浓度和燃烧强度，从而降低PM的排放，并且实现NOx的有效控制。

②微量预混合喷射通过天然气的略微提前喷射，形成少量的预混合气，从而改变发动机的燃烧和排放。研究表明该喷射策略以NOx为代价降低PM排放，但是NOx的恶化可以通过添加EGR进行调节。

③DI-NG喷射和部分预混合喷射都是通过天然气提前喷射的方式，形成小部分的预混合天然气，从而减小天然气的扩散时间，增加燃烧速度。

参考文献：

[1]Seinfeld J.H. and S.N. Pandis. Atmospheric Chemistry and Physics： From Air Pollution to Climate Change. Wiley， New York， 1996.

[2]Harrington J. Munshi S. Nedelcu C. Direct Injection of Natural Gas in a Heavy-Duty Diesel Engine. SAE Technical Paper 2002-01-1630， 2002.

[3]Douville B， Ouellette P， Touchette A， et al. Performance and emissions of a two-stroke engine fuel using high-pressure direct injection of natural gas[C]. SAE World Congress & Exhibition. USA： Detroit， 1998， 981160.

[4]McTaggart-Cowan GP， Bushe WK， Rogak SN， Hill PG， Munshi SR. PM and NOx reduction by injection parameter alterations in a direct injected， pilot ignited， heavy duty natural gas engine with EGR at various operating conditions. SAE technical paper， 2005-01-1733， 2005.

[5]Faghani E， Patychuk B， McTaggart-Cowan G P， Rogak S. Soot emission reduction from post injection strategies in a high pressure direct-injection natural gas engine. Technical Paper No. 2013-24-0114. SAE; 2013.

[6]Faghani E， Kheirkhah P， Mabson CWJ， McTaggart-Cowan GP. Effect of injection strategies on emissions from a pilot-ignited direct-injection natural-gas engine- Part I： late post injection. Technical Paper No. 2017-01-0774. SAE; 2017.

[7]Zoldak P， Sobiesiak A， Wickman D， Bergin M. Combustion simulation of dual fuel CNG engine using direct injection of natural gas and diesel. SAE Int J Engines 2015; 8（2）： 846-58.

[8]McTaggart-Cowan GP， Mann K， Huang J， Wu N， Munshi SR. Particulate matter reduction from a pilot-ignited， direct injection of natural gas Engine. Proc ASME 2012 Int Combust Eng Div Fall Tech Conf 2012： ICEF2012-92162.

[9]Faghani E， Kheirkhah P， Mabson CWJ， Mctaggart-Cowan GP. Effect of injection strategies on emissions from a pilot-ignited direct-injection natural-gas engine-Part II： slightly premixed combustion. SAE technical paper. 2017-01-0763.

[10]Munshi SR， McTaggart-Cowan GP， Huang J， Hill PG. Development of a partially-premixed combustion strategy for a low-emission， direct injection high efficiency natural gas engine. ASME 2011 internal combustion engine division fall technical conference. West Virginia， USA： Morgan town; 2011.

[11]Li MH， Zheng XL， Zhang Q， Li ZG， Shen BX. The effects of partially premixed combustion mode on the performance and emissions of a direct injection natural gas engine. Fuel 2019; 250： 218-34.