早喷耦合EGR 率对双燃料发动机性能的影响

张光德，谢昆鹏，雷 鹏，彭春萌

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430065）

1 引言

反应活性控制压燃（RCCI）在克服均质压燃（HCCI）着火时刻和燃烧反应速率难以控制及运行工况狭窄的难题[1]上具有显著优势。柴油-天然气双燃料是继柴油-汽油、柴油-甲醇、二甲醚-甲醇后实现RCCI 燃烧又一理想燃料组合。对现有柴油机进行稍微改造[2]，运用柴油（高活性燃料）和天然气（低活性燃料）的活性差异，双燃料RCCI 与纯柴油相比可在柴油机上获得较好的经济性与排放性[3]。

但是，柴油-天然气双燃料发动机RCCI 燃烧也面临着两方面的困难：在较高负荷下对进气参数有显著的敏感性而不能平稳运行（爆震）；在低负荷下由于燃料自身性质而引起较高的点火延迟，导致燃烧效率、热效率降低和HC、CO 排放较高[4]。这些不利因素限制了柴油-天然气双燃料发动机实用化，因此扩展其工况成为国内外学者的研究热点之一[5-8]。研究表明，柴油的喷油策略和EGR 率控制策略等技术在中高负荷下对燃烧与排放的影响显著，合理的组合可使动力性与经济性得到改善。

为了改善低负荷工况下柴油-天然气双燃料发动机燃烧状况，本着节约不可再生资源并充分发掘双燃料燃烧潜力的原则，柴油早喷耦合EGR 率的研究策略孕育而生。针对柴油-天然气双燃料发动机在低负荷工况下燃烧不稳定、热效率低和HC、CO 的排放升高等难题，运用数值模拟的方法，研究了柴油早喷耦合EGR 率对该工况下发动机性能的影响，期望扩宽其运行工况，并为柴油-天然气双燃料RCCI 发动机的实用化提供技术支持。

2 模型建立与验证

2.1 计算模型的建立

研究所用发动机的主要技术参数，如表1 所示。根据发动机的参数，利用三维作图软件CATIA 得出气缸的几何模型。考虑到原发动机柴油的喷射采用的是6 孔喷油器，燃烧室为中心对称的ω 型，并且为了提高计算效率，将气缸简化为角度为60°的1/6 扇形气缸模型，如图1 所示。

表1 发动机参数Tab.1 Engine Parameters

图1 上止点时的气缸模型与自适应网格剖面图Fig.1 Cylinder Model and Adaptive Mesh Refinement at Top Dead Center

柴油-天然气双燃料RCCI 的数值模拟是在发动机仿真专用CFD 软件CONVERGE 上进行的。天然气因采用进气道喷射而在进气门关闭的时候被认为是与空气均匀混合和汽化，柴油采用缸内直喷的方式其喷射过程使用标准的DDM（液滴离散模型）来模拟。液滴破碎模型及液滴碰撞模型分别选用的是KH-RT 模型和NTC 碰撞模型，湍流模型选用的是RNG K-ε 湍流模型，燃烧模型选用的是详细的化学求解器SAGE。在对双燃料的数值计算过程中，使用正庚烷（C7H16）和甲烷（CH4）来分别代替柴油与天然气，模拟使用的柴油-天然气双燃料RCCI 反应机理包含有76 种组分和464 个基元反应[9]。

2.2 模型的验证

模型验证时的具体工况参数，如表2 所示。仿真的起始时刻分别定在进气门的关闭时刻和排气门的开启时刻。1/6 气缸计算模型的活塞、气缸盖和气缸壁边界条件分别设为550K、525K 和450K[10]。

EGR 率[7]定义为：

式中：mEGR—废气质量；mi—总进气质量（新鲜空气质量+废气质量+进气道喷射的燃料质量）。

表2 模型验证的工况参数Tab.2 Working Condition Parameters of Model Verification

为验证模型的可靠性，将模拟结果与试验结果进行对比并得出验证结果图，如图2 所示。缸压曲线在压缩行程和做功行程等方面拟合度较高且最大误差在5%以内，放热率曲线在放热始点和曲线形状上也吻合的较好。由于所建立的模型是简化的气缸模型，并且EGR 模型采用的是废气中只含N2、H2O 和CO2的简化模型，使得计算结果存在一定的偏差。总体看来，模型的建立和边界条件的设置是合理的，满足模拟研究的要求。

图2 模型验证结果Fig.2 Model Verification Results

3 结果与讨论

3.1 柴油早喷对燃烧和排放的影响

柴油的早喷可以提高柴油在气缸内混合质量，有利于双燃料的燃烧和排放。在低速低负荷工况下，将柴油的喷射方式改为单次早喷，保持EGR 率为5%，选用靠近原第一次喷油时刻的-45℃A ATDC、-55℃A ATDC 和-65℃A ATDC 三组喷油定时（SOI）进行对比研究。

不同喷油时刻下的缸压和放热率变化曲线，如图3 所示。由图3 可知，喷油时刻为-55℃A ATDC 时，缸内压力升高率大于其它两组，缸压和放热率曲线的相位明显提前，但缸压峰值和放热峰值的变化不大。三者的放热率曲线在-22℃A ATDC 左右时都会出现一段较小的放热波峰（焰前反应所致），随着喷油定时的提前，放热率主峰从类单峰状过度到单峰状。当柴油喷油时刻的提前，柴油与缸内预混天然气的混合质量提高，柴油的预混压燃和柴油引燃预混天然气之间燃烧时间间隔缩短，或者认为是无间隔燃烧，这样使得放热率曲线呈现前移地单峰状，较为集中地放热又会导致气缸内压力升高率的增大。但由于低负荷工况下柴油的油量自身较少，过早地喷射会因柴油过度混合而使缸内当量比降低，滞燃期增加，燃烧相位又会推迟。

图3 不同喷油时刻下的缸压和放热率曲线Fig.3 Cylinder Pressure and Heat Release Rate Curves at Different Injection Timing

不同喷油时刻对IMEP、指示热效率及燃烧效率的影响，如图4 所示。图4 表明，随着柴油的早喷，IMEP、指示热效率及燃烧效率表现出先减小后增大的趋势。早喷定在-55℃A ATDC 时，IMEP、指示热效率及燃烧效率比在-45℃A ATDC 时分别降低了17.2%、17.2%和15.7%。这是因为前者的燃烧相位过于提前，导致燃烧效率下降，指示热效率和IMEP 也随之降低。当喷油提前角改为-65℃A ATDC 时燃烧相位适当推迟，动力性和经济性又有所恢复。

图4 喷油时刻对IMEP、指示热效率及燃烧效率的影响Fig.4 Effect of Injection Timing on IMEP，Indicated Thermal Efficiency and Combustion Efficiency

喷油时刻对NOX、Soot、HC 及CO 排放的影响规律，如图5所示。由5（a）可知，NOX的排放随柴油的早喷经历了先增加后减小的变化趋势，而Soot 的排放则一直降低。由于燃烧相位过于提前，达到NOX的生成温度提前到来且燃烧持续时间长，产生较高的NOX排放；而过早喷射会使燃烧相位推迟后，燃油混合质量的提高减少局部高温区的产生，NOX生成量减少。Soot 的排放随喷油时刻的提前而减少了49%，主要是由低负荷下柴油量较小且早喷减少缸内燃料过浓所致。图5（b）表明，HC、CO 的排放随早喷的提前先增加后减少，最终总体排放量有小幅度增加。其主要原因是在-55℃A ATDC 时燃烧相位过于前移，燃烧效率下降，HC、CO的排放增加；在-65℃A ATDC 时的燃烧状况相对-55℃A ATDC时较好，导致HC、CO 的排放又开始减少。

图5 喷油时刻对 NOX、Soot、HC 及 CO 排放的影响Fig.5 Effect of Injection Timing on NOX，Soot，HC and CO Emissions

3.2 EGR 对燃烧和排放的影响

为探究早喷时EGR 对低负荷工况下柴油-天然气双燃料发动机RCCI 燃烧和排放的影响，固定发动机转速为800r/min，柴油喷油时刻为-65℃A ATDC，改变EGR 率分别为0、10%、20%和30%进行仿真对比研究。早喷策略下不同EGR 率对缸压和放热率的影响规律，如图6 所示。可以看出，随着EGR 率的增加，燃烧相位逐渐推迟，缸压峰值和和放热率峰值降低，放热率主峰呈现单峰状。EGR 引入量越大，缸内氧浓度与燃烧时温度下降程度越大，焰前反应和主反应的放热量降低且燃烧相位后移。在柴油早喷下，双燃料的混合质量得到提高，使其燃烧出现近似单燃料均质压燃特性。增大EGR 率可明显降低压力升高率，但同时抑制燃烧，进而使得IMEP、燃烧效率和指示热效率均呈现下降的变化趋势，如图7 所示。废气量从0 增至30%，IMEP、燃烧效率和指示热效率分别下降了38.8%、36.9%和38.8%。

图6 不同EGR 率下的缸压和放热率曲线Fig.6 Cylinder Pressure and Heat Release Rate Curves at Different EGR Rates

图7 EGR 率对IMEP、指示热效率及燃烧效率的影响Fig.7 Effect of EGR Rate on IMEP，Indicated Thermal Efficiency and Combustion Efficiency

早喷方式下不同 EGR 率对 NOX、Soot、HC 及 CO 排放的影响，如图8 所示。图8 表明，使用EGR 技术可有效降低NOX的排放，但Soot、HC 及CO 的排放会出现不同的速率的上升趋势。其中，NOX下降了 95.4%，Soot、HC、CO 和分别增加了 100.7%、339.9%和267.9%。引入大量的废气，降低缸内燃烧时的温度和氧气，NOX的生成环境遭到抑制，使其排放量急剧降低。尽管燃烧时温度较低，但Soot 的排放量却增幅较大，说明缺氧的影响在Soot 的生成中占主要因素。天然气的燃烧速度本身较慢且在温度的较低时进一步减缓，在氧浓度不足的情况下使得一部分天然气燃烧不充分，甚至有一部分未经燃烧直接排出缸外，从而加剧了HC 和CO的排放。综合考虑四种污染物的排放量，发现在EGR 率在8%左右排放效果最优，同时，这一点的动力性和经济性牺牲较少。

图8 EGR 率对 NOX、Soot、HC 及 CO 排放的影响Fig.8 Effect of EGR Rate on NOX，Soot，HC and CO Emissions

4 结论

（1）低负荷工况下柴油-天然气双燃料RCCI 的燃烧相位并不随着柴油喷油时刻的提前而一直提前，过早喷射会因缸内当量比降低而使燃烧相位推迟。低负荷小EGR 率下，柴油喷油时刻为-65℃A ATDC 时，燃烧相位适宜，较高质量的混合气燃烧减少局部高温的产生，NOX、Soot 的排放最优，HC 及 CO 排放水平较低，燃烧效率、指示热效率与平均指示压力略有下降。

（2）引入EGR 会降低燃烧时的温度和氧浓度，燃烧相位逐渐推迟，燃烧效率、指示热效率及平均指示压力最大下降程度均超过了35%。另外，NOX的排放大幅减少而Soot、HC 及CO 排放却成倍增加。在低负荷早喷的情况下，EGR 率为8%时，总体排放效果最优。

（3）柴油早喷和EGR 技术，可明显改善NOX的排放，其适当的组合亦可降低Soot 的排放，但在改善HC 及CO 的排放方面效果甚微。二者对减小压力升高率有利，却牺牲了部分动力性和经济性。