燃油喷射时刻对船用发动机性能影响的研究

李 刚，王 锋

(北海航海保障中心 青岛航标处，山东 青岛 266000)

0 引言

由于内燃机的热效率高、结构简单、比质量小、移动方便，因而被广泛应用于交通运输、农业机械、工程机械等领域[1]。经过100多年的发展，内燃机的相关理论和技术获得了一次次的突破，发展迅速[2-3]。但是，内燃机技术的发展也受到重重挑战：一是传统化石燃料储量的减少；二是控制污染呼声强烈；三是低碳排放的诉求。这三个方面既是压力，也是动力，世界范围内的能源短缺和污染控制的强烈呼声迫使人们从节约能源和保护环境的角度出发，推动内燃机技术进行新的革命，使内燃机向多样化、代用化、低质化、混合化的方向发展。为了应对能源短缺的问题，研究人员开始寻找合适的燃料用于替代传统化石燃料，其中比较有潜力的替代燃料包括醇类燃料、二甲醚、生物柴油、氢气和天然气等。对于污染控制和低碳排放的问题，可以通过采用先进的缸内燃烧技术以及缸外后处理技术来实现。那么，如果采用具有低碳特性的替代燃料并结合先进缸内燃烧技术就能同时满足能源不足、控制污染和减少碳排放的要求。随后，低温燃烧理论被提出，并且逐渐被认为是指导改进传统内燃机性能的先进理论之一。双燃料燃烧方式是传统内燃机实现低温燃烧的一种典型方法，大量的研究证实了双燃料模式可以同时降低NOX和PM排放，并且天然气燃料优越的理化特性使其被认为是最适合双燃料内燃机的替代燃料之一[4]。

本文以德国MAN公司的L21/31船用中速柴油机改成的柴油引燃缸内高压直喷天然气双燃料发动机作为研究对象，采用数值模拟的方法，研究不同引燃柴油喷射正时对双燃料发动机性能的影响，以期为柴油引燃天然气缸内高压直喷双燃料发动机的改装工作提供一些理论依据。

1 数学模型

1.1 撞壁模型

FIRE中提供的碰壁模型主要有Walljet 0/1/2 三种模型，还有Lagrangean WFM模型、Reflection模型、SolidPartical模型和MaichleWelgand模型，其中Walljet 1适用于热壁面。由于气缸内壁面温度较高，属于热壁面，所以选择Walljet1模型。

1.2 蒸发模型

燃油从喷油器进入燃烧室内，在高温高压条件下，受热和蒸发与空气形成可燃混合气体，同时液滴的蒸发会对混合气浓度、发动机燃烧过程以及排放性能产生较大的影响。Fire软件提供的蒸发模型主要有Dukowicz模型、Spalding模型、Abramzon模型、Multi-component模型等。除了Multi-component模型外，其余模型都是针对单燃料的。本文计算内容为双燃料模式，所以只能采用Multi-component模型。Multi-component模型是在Dukodicz模型的基础上进一步考虑了过热度引起的液滴质量变化。

1.3 燃烧模型

发动机的缸内燃烧过程属于湍流燃烧过程，其中湍流作用对于燃烧过程中的传热传质起着非常重要的作用，缸内化学反应的发生及其反应速度受到缸内物质浓度、温度等反应机理的影响，所以建立正确燃烧模型的关键在于正确反映化学反应与湍流之间的相互影响关系。因为LNG采用和柴油相同的方式喷入气缸，液喷的LNG在缸内的燃烧方式同样既有预混燃烧又有扩散燃烧，并且以扩散燃烧为主。和其他燃烧模型相比，ECFM-3Z模型是专门针对多组分燃料开发的燃烧模型，其物理意义更加明确，计算精度和收敛性较好，有利于计算，是现今发展最为成熟的一种燃烧模型，而且对于气态天然气的燃烧同样适用，所以本文计算采用该模型。

1.4 模型验证

为了确保后续仿真模拟结果的可靠性，首先需要对建立的数值模型进行验证。由于针对L21/31柴油引燃天然气缸内直喷的试验台架还没有搭建，对该课题的研究工作还处于探索阶段，所以选取原机的额定工况进行数值模拟并与原机柴油试验结果进行对比，以此来最大程度地保证建模的准确性。图1为额定工况下实验压力曲线与数值计算所得压力曲线的对比图，对比结果表明仿真值与实验值吻合良好。图2为计算所得缸内NOX含量的变化曲线。从图中看出，NOX在上止点前10°左右开始生成，随后在缸内不断增加，缸内最大生成量约为0.073 5 g，直到排气门打开，NOX逐渐排出。文中所采用方法只研究从进气门关闭到排气门打开的燃烧过程，故图2只反映这段期间NOX的生成。假设生成的NOX完全排放，则生成量即为排放量。通过换算得到NOX排放量为9.02 g/kWh，Man B&W公司实验测量的NOX排放量为8.91 g/kWh，两者吻合较好，且均满足Tier Ⅱ的NOX排放的理论限制值。

图1 实测压力曲线与计算压力曲线比较

2 结果与讨论

燃油喷射正时在燃烧过程和污染物形成中起着至关重要的作用。在本节研究中保持引燃柴油与液态天然气两者喷射时间间隔/喷射持续期不变，研究不同引燃柴油喷射时刻对发动机性能的影响。额定工况为转速900 r/min、100%负荷，引燃柴油量占总能量的比例为2%，柴油喷射持续期为0.6°，温度为330.15 K，引燃柴油与LNG喷射间隔为7°，LNG喷射持续期为23°，温度为111.15 K，引燃柴油喷射时刻分别为708°、710°、712°、714°。通过FIRE软件进行数值计算，分析不同引燃柴油喷射时刻对发动机性能的影响。

图2 仿真所得缸内NOX含量

2.1 不同引燃柴油喷射时刻对缸内放热的影响

图3为不同引燃柴油喷射时刻下缸内放热率曲线。从图中可以看出，引燃柴油喷射时刻分别为708°、710°、712°、714°时，对应的柴油滞燃期分别为1.6°、1.4°、1.2°、1.1°，滞燃期随着引燃柴油喷射正时的延迟逐渐缩短。这是因为伴随着引燃柴油的延迟喷射，缸内空气经过压缩获得更高的温度，使得进入气缸的柴油更快地达到其着火条件而自燃。经过喷油间隔期7°后，开始向缸内喷射液态天然气(LNG)。从图中可以发现，当LNG喷入气缸后，在极短的时间内就开始燃烧放热，喷射正时的变化对缸内直喷LNG的滞燃期的影响很小，并且在LNG放热达到峰值后出现了放热率先降低后升高的现象。分析认为：由于LNG在缸内蒸发速度非常快，进入气缸后迅速与缸内空气形成均匀混合气，并且天然气的着火浓度范围要比柴油宽很多，在满足温度要求后非常容易达到浓度自燃条件而着火放热，所以在图中显示为滞燃期很短，受喷射时刻的影响较小。在天然气燃烧后，由于后续继续喷入超低温的LNG，其蒸发会吸收大量的热量，在图中则显示为达到放热率峰值后出现放热率的下降；随着LNG结束喷射，缸内还未燃烧的天然气将继续着火燃烧，使得放热率再次上升。

2.2 不同引燃柴油喷射时刻对缸内压力和温度的影响

图4为不同引燃柴油喷射时刻下缸内平均压力的变化曲线。从图中可以看出：喷射时刻为708° 时，缸内平均压力峰值为22.27 MPa，出现时刻为731.2°；喷射时刻为710°时，缸内平均压力峰值为20.71 MPa，出现时刻为732.2°；缸内喷射时刻为712°时，缸内平均压力峰值为19.93 MPa，出现时刻为733.4°；缸内喷射时刻为714°时，缸内平均压力峰值为18.08 MPa，出现时刻为734.9°。随着喷射时刻的延后，缸内平均压力峰值明显降低，出现时刻随之延后，分析认为：由于柴油和LNG喷射间隔保持不变，随着引燃柴油喷射时刻的延后，主要燃料LNG喷射时刻从上止点之前逐渐变为上止点之后，在上止点附近等容燃烧的放热量的减少导致缸内平均压力峰值的降低，并且由于整体放热的延后使得压力峰值出现时刻也随之延后。

图3 不同引燃柴油喷射正时缸内放热率曲线

图4 不同喷射时刻缸内平均压力

图5为不同引燃柴油喷射时刻下缸内平均温度的变化曲线。从图中可以看出：喷射时刻为708° 时，缸内平均温度峰值为1 915.69 K，出现时刻为743.2°；喷射时刻为710°时，缸内平均温度峰值为1 916.37 K，出现时刻为745.1°；缸内喷射时刻为712°时，缸内平均温度峰值为1 919.83 K，出现时刻为745.6°；缸内喷射时刻为714°时，缸内平均温度峰值为1 900.23 K，出现时刻为747.8°。随着引燃柴油喷射时刻的延后，缸内平均温度峰值出现先升高后降低的现象，其中缸内平均温度峰值升高很小，降低较为明显。分析认为：随着引燃柴油喷射时刻的延后，LNG喷射时刻从上止点之前推迟到上止点之后，在上止点附近等容燃烧的燃料量减少。但是又因为缸内直喷LNG，LNG在缸内燃烧之前需要蒸发吸收大量的热，LNG量的减少会降低这段时间内吸收的热量，从而导致在上止点之前随着引燃柴油喷射时刻的延后缸内平均温度峰值反而略有升高。随着LNG喷射时刻推迟到上止点之后才出现缸内平均温度峰值的明显降低。

图5 不同喷射时刻缸内平均温度

2.3 不同引燃柴油喷射时刻对NOX排放的影响

本文研究从进气门关闭到排气门打开的过程，只反映了这期间NOX的生成情况，假设生成的NOX完全排放，则认为生成量即为排放量。图6为不同引燃柴油喷射正时下缸内NOX生成量曲线。从图中可以看出，随着喷射正时的延后，NOX排放量随之减少，这主要是因为随着喷射时刻的延后，缸内高温区随之降低，而NOX的生成主要依靠高温富氧环境；随着高温区的降低，导致NOX的生成减少，从而降低了排放量。表1为不同喷射时刻下NOX排放值，900 r/min时Tier Ⅱ和Tier Ⅲ的NOX排放限值分别为9.204、2.310 g/kWh。从表中可以看出采用LNG缸内直喷在各喷射时刻的NOX排放均能满足Tier Ⅲ的限制值，具有良好的排放性能。

图6 不同喷射时刻NOX生成量

2.4 不同引燃柴油喷射时刻对动力性能的影响

图7为不同引燃柴油喷射时刻下发动机指示功率变化曲线，对应不同喷射时刻708°、710°、712°、714°的指示功率分别为226.51、224.00、223.56、222.69 kW。随着引燃柴油喷射时刻的延后，发动机的指示功率逐渐减小，但是相对于原柴油机的额定功率均能达到保持动力性能的要求。

表1 不同引燃柴油喷射时刻下NOX排放值 单位：g/kWh

图7 不同引燃柴油时刻指示功率

3 结论

本文以德国MAN公司的L21/31船用中速柴油机改成的柴油引燃缸内高压直喷天然气双燃料发动机作为研究对象，采用数值模拟的方法，研究不同引燃柴油喷射正时对双燃料发动机性能的影响，所得结论如下：

通过上述对于不同引燃柴油喷射时刻对双燃料发动机燃烧、排放、动力性能的分析发现，在保持引燃柴油和LNG喷射间隔角不变的情况下，柴油引燃缸内直喷液态天然气双燃料发动机随着引燃柴油喷射时刻的延后，缸内平均压力、平均温度和NOX排放也随之降低，排放性能从原柴油机仅仅满足TierⅡ的NOX排放要求，提升至满足TierⅢ的排放要求，动力性能也满足了改装要求，达到了改装目的。