预喷策略耦合EGR对DN双燃料发动机工作过程的影响*

陈贵升，魏 峰，肖仁鑫，张敬贤，王震江，张 涵

（昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，昆明650500）

前言

面对日益严格的排放法规以及石油资源的匮乏，人们不断地去开发新的代用燃料［1-2］。在众多代用燃料中，天然气因其存储量丰富、价格低廉、燃烧清洁而应用广泛［3］。在柴油发动机中利用天然气的最佳方法之一是使用双燃料技术［4］。柴油/天然气（diesel/nature⁃gas，DN）双燃料发动机可产生比传统柴油机更少的颗粒物与CO2排放。此外，天然气层流火焰传播速度慢、可燃界限宽，利于减少NOx和扩展稀燃极限［5-7］。但在小负荷工况下，混合气较为稀薄，着火稳定性差，UHC和CO排放较高［8-9］。

针对小负荷下DN发动机的局限性，国内外学者展开了大量研究。Yousefi等［10-11］结合试验和模拟的方法，研究了柴油喷射策略耦合喷油压力的影响，指出较为提前的柴油单次喷射策略可获得较低的CO和CH4排放；增加喷油压力有利于降低未燃CH4。Poorghasemi等［12］通过试验与数值模拟的方法研究了柴油两次喷射策略、喷射压力和喷油器喷射角的影响，研究发现提前首次喷油时刻、增加首次喷油比例、采用较低喷射压力和较大的柴油喷射器喷射角可以在控制HC和CO排放的同时减少NOx排放。Park等［13］对比了有EGR（exhaust gas recycle）和无EGR时混合气的形成情况，指出EGR的引入有助于低负荷下混合气的形成，同时降低NOx排放。李伟峰等［14］通过试验的方法研究了引燃柴油量和当量比的影响，研究表明随着引燃柴油量的增加，在较低当量比时THC排放明显降低。

对于DN发动机，在小负荷高替代率下，关于柴油预喷策略耦合EGR的研究较少。面对日益严苛的排放法规，小负荷下的NOx排放仍不可忽视。合理的柴油预喷策略有利于控制UHC、CO排放［15］，而在此基础上引入EGR旨在控制NOx排放，但EGR对其他排放物的影响还有待深入研究。因此，本文中基于数值模拟的方法研究了不同预喷策略对DN发动机燃烧和排放性能的影响，并在预喷策略的基础上引入了EGR改善其燃烧及排放特性，以期为小负荷下DN发动机的排放控制提供科学理论指导。

1 模型构建及验证

1.1 发动机参数

本文中以一台10.3 L排量的6缸高压共轨柴油发动机加装天然气进气系统改装而成的DN发动机为模拟对象，其参数如表1所示。

表1 发动机技术参数

1.2 仿真模型的建立

根据相关参数在UG软件中构建表面模型，如图1所示。图2为导入CONVERGE软件后活塞处于下止点时的CFD计算模型。

图1 UG软件中表面模型

图2 活塞处于下止点时全模型

全模型总网格数较大且涉及气门运动，计算跨度大于720°，应在考虑精度的同时尽量减轻计算负荷。经过网格验证后，基础网格设置为4 mm，缸内设置2 mm网格，进气区域附近设置为1 mm，气门倒角及阀座附近设置0.5 mm加密，同时基于速度、温度进行自适应加密至0.5 mm，在保证预测精度的前提下提高计算效率。物理子模型的选取如表2所示，其中燃烧使用的SAGE模型需要详细的化学动力学燃烧机理，本文中选用的是由Hockett等［16］于2016年开发的DN双燃料机理。该机理涉及141种物质、709种反应，天然气建模为甲烷，柴油的物理性质选用十四烷，化学性质建模为正庚烷。该机理整合了详细的正庚烷、甲烷子机理并采用直接关系图的方法进行简化，提高了计算精度并降低了计算负荷。

表2 子模型选取

1.3 仿真模型的验证

为验证构建模型对天然气/柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的预测准确性，选取3个试验工况进行验证，各工况参数如表3所示。

表3 试验工况参数

图3为不同工况下缸压、放热率曲线模拟值与试验值的对比。由图3可见，不同工况下缸压与放热率曲线匹配良好。图4为工况1主要排放物模拟值和试验值对比，由于Soot排放较低，数值很小故未在图中列出。由图4可见，NOx试验值与模拟值较为接近，CH4与HC排放值误差率均为35%左右，CO排放值误差率为25%，各排放物排放值均在一个数量级。综上所述，构建的全模型可以较好的预测DN双燃料发动机燃烧和排放特性。

图3 缸压与放热率验证

图4 工况1排放物验证

1.4 计算方案设计

工况选取参照表3中工况1。柴油预喷策略主要选取了3组预喷正时（first diesel injection timing，FDIT）及3组柴油预喷射量（first diesel injection ratio，FDIR）进行计算，如表4所示。预喷射量定义为柴油预喷油量与总循环油量的比值，预喷射量与主喷射量之和为100%。

表4 计算工况

2 结果分析

2.1 预喷策略对DN发动机燃烧和排放特性的影响

2.1.1 燃烧特性分析

图5为不同预喷策略下的燃烧特性图。其中，CA 10定义为燃烧始点，即放热量为10%时对应的曲轴转角；CA 50定义为燃烧质心，即放热量为50%时对应的曲轴转角。图6、图7为-6（°）CA ATDC时缸内温度场与CH4消耗切片图。

图5 不同预喷策略对燃烧特性的影响

图6 -6(°)CA ATDC时缸内温度切片图

图7 -6(°)CA ATDC时缸内CH4消耗切片图

如图5所示，FDIR固定时，随着FDIT的提前，缸内平均压力和温度峰值呈上升趋势，CA 10先提前后延迟，CA 50不断提前；预喷柴油燃烧引起的第1瞬时放热率峰值降低，而主喷柴油燃烧引起的第2瞬时放热率峰值呈上升趋势。

当FDIT由-10提前至-20（°）CA ATDC时，此时缸内压力和温度的下降使得预喷柴油的雾化和蒸发性变差，滞燃期增加，形成的柴油-天然气-空气预混合气总体当量比降低，预喷柴油放热变缓，故第1瞬时放热率峰值降低。但FDIT的提前使得预喷阶段放热持续时间更长，放热总量增多，主喷着火前缸内活化热氛围较好［17］，使得主喷前缸内平均温度升高（见图6）、CA 10提前。同时，主喷柴油喷入后迅速雾化并发生燃烧引燃周围混合气，燃烧速率更快，故CA 50提前，缸内平均压力和温度峰值以及第2瞬时放热率峰值升高。

当FDIT由-20提前至-30（°）CA ATDC时，柴油与天然气混合气混合时间更长，混合气整体更加稀薄，主喷前只有极少预混合气被压燃（见图7），CA 10推后。预喷阶段放热量的减少使得主喷前缸内平均温度下降（见图6），主喷柴油滞燃期延长，预混燃烧比例增加，大量预混合气被引燃，故CA 50提前、缸内平均压力和温度峰值上升。同时，第2瞬时放热率峰值也呈升高趋势。

图5同样表征了FDIR对燃烧特性的影响。由图5可见：FDIT固定时，随着FDIR的增多，缸内平均压力和温度峰值上升，CA10和CA 50提前；FDIT固定时，第1瞬时放热率峰值随FDIR的增加而上升；FDIT较靠后时，FDIR对第2瞬时放热率峰值影响不大；FDIT较靠前时，较多的FDIR使第2瞬时放热率峰值较高。这主要是由于FDIT固定时，随着FDIR的增多，更多预喷柴油与天然气混合气混合，引燃面积增大。因此，更多预混合气在主喷柴油喷射前被消耗，预喷阶段燃烧放热更多，故CA 10提前，CA 50更加靠近上止点，缸内平均压力和温度峰值以及第1瞬时放热率峰值都呈升高的趋势。

当FDIT提前至-10（°）CA ATDC时，此时主预喷间隔较近，预喷柴油燃烧产生的热量还未完全扩散，主喷前缸内平均温度较低（见图6），预喷柴油所起的引燃作用较小，FDIR的增加对第2瞬时放热率峰值影响不大。当FDIT提前至-30（°）CA ATDC时，随着FDIR的增加，产生了更多、更浓的预混合气，燃烧放热更多，第2瞬时放热率峰值上升。

2.1.2 排放特性分析

图8为不同预喷策略下的排放特性图；图9为NOx质量浓度分布图（峰值浓度时刻）；图10为-100（°）CA ATDC时CH4质量浓度切片图。

图8 不同预喷策略对排放特性的影响

图9 NOx浓度分布图（峰值浓度时刻）

图10 100(°)CA ATDC时CH4质量浓度分布图

由图8（a）可见：加入预喷策略后，NOx排放大于单次喷射；FDIR固定时，随着FDIT的提前，NOx先增加后减少。这是由于加入预喷策略后，缸内燃烧温度上升，故NOx排放量大于单次喷射。FDIT提前至-20（°）CA ATDC时，缸内燃烧温度大幅提高，NOx排放达到峰值（见图9）。FDIT提前至-30（°）CA ATDC时，虽然缸内燃烧温度略有提高，但高温持续期缩短，最终NOx排放呈降低趋势。

由图8（b）可见，较靠前的FDIT可以使Soot排放保持在较低水平。这是由于当FDIT提前时，缸内过浓区域减少，平均温度升高，导致Soot生成区域减少、后期氧化增强，故Soot排放降低。

由图8（c）-图8（e）可知，单次喷射所产生的CH4、HC、CO排放较高，加入预喷策略后，CH4、HC、CO排放总体呈下降的趋势。这是由于随着FDIT的提前，混合气的燃烧速率加快，整体燃烧较完全，故CH4、HC、CO排放总体下降。由图10可见，在FDIT相对靠后时，未燃的CH4较多且主要分布在气缸壁及压缩余隙区域附近。这是由于FDIT相对靠后时，预主喷间隔太短，燃料混合差，压缩余隙附近缺乏引燃柴油。同时，气缸壁面和压缩余隙区域的低温弱流动性限制了火焰传播。在活塞膨胀行程中，部分混合气重新进入气缸，但此时缸内温度较低，无法点燃这部分混合气。

FDIR对排放物的影响同样如图8所示。由图8（a）可知，FDIT固定时，随着FDIR的增加，NOx排放逐渐增多。这是由于随着FDIR的增加，混合气燃烧速率加快，燃烧温度提高，故NOx排放增多。

由图8（b）可见：当FDIT提 前至-10（°）CA ATDC时，FDIR的 变 化 对Soot排 放 影 响 不 大；当FDIT提前至-30（°）CA ATDC时，较多的FDIR可使Soot排放保持在较低水平。当FDIT提前至-10（°）CA ATDC时，缸内燃烧温度相差不大，最终Soot排放接近。当FDIT提前至-30（°）CA ATDC时，FDIR的增多提高了缸内燃烧温度，Soot的氧化增强。又因为FDIT较靠前，缸内过浓区域减少，故最终Soot排放较低。

由图8（c）-图8（e）可知，CH4、HC、CO的总体变化趋势与Soot相同。较靠前的FDIT和较多的FDIR使得缸内分布更多的着火源，促进了缸内天然气混合气的燃烧，使得CH4、HC和CO排放降低。

综 上 所 述，当FDIR为10%时，FDIT提 前 至-30（°）CA ATDC、当FDIR为20%时，FDIT提前至-30（°）CA ATDC、当FDIR为30%时，FDIT提前至-20（°）CA ATDC 3组预喷策略较优。将3组预喷策略分别记为方案A、B、C，相比单次喷射，3种方案的混合气燃烧速率较快，CH4、HC、CO、Soot排放都保持在较低水平，但NOx排放较高（相对国6排放法规）。

2.2 EGR对DN发动机燃烧和排放特性的影响

合理的预喷策略可以有效减少Soot、CH4、HC、CO的排放量，但NOx排放量显著增加，故引入EGR来优化NOx排放以实现高效洁净排放。EGR率定义为进气中CO2的体积分数与排气中CO2的体积分数之比［18］。对上述3组方案分别添加5%、15%、25%的EGR率，记为A5、A15、A25，B5、B15、B25，C5、C15、C15。

2.2.1 燃烧特性分析

图11为3种预喷策略在不同EGR率下的燃烧特性图；图12为缸内温度切片图。

由图11可见：随着EGR率的增加，各方案CA 10和CA 50都呈延后的趋势，缸内平均压力和温度不断降低；方案A和方案B的瞬时放热率曲线呈现单峰，而方案C的瞬时放热率曲线仍然呈现比较明显的双峰。

图11 EGR对燃烧特性的影响

废气中含有大量惰性气体，比热容较大，进入气缸后吸收了较多热量，使得温度上升变缓；随着EGR率的增加，越来越多的废气替代了新鲜空气，废气吸收了气缸内更多的热量，使得CA 10和CA 50推后，缸内平均温度和压力降低，同时高温区域大幅减少（见图12）。

由于方案A和方案B本身预喷柴油放热较缓，引入EGR后，第1瞬时放热率峰值几乎消失。对于方案C，随着EGR率的增加，缸内温度降低，预喷柴油的放热变缓，第1瞬时放热率峰值降低。同时，EGR率的增加使得燃烧放热变缓，3种方案第2瞬时放热率峰值总体呈下降趋势。

2.2.2 排放特性分析

图13为不同预喷策略在不同EGR率下的排放特性图；图14为温度峰值时刻NOx质量浓度切片图；图15为100（°）CA ATDC时CH4质量浓度切片图。

由图13（a）和图13（b）可知，3种方案的NOx排放随着EGR率的升高而降低，在EGR率为25%时3种方案的NOx排放接近且都降至较低水平，而Soot排放呈相反趋势；当EGR率为15%时，方案B、方案C的NOx与Soot排放均低于单次喷射。这是因为随着EGR率的升高，缸内燃烧放热变缓，高温区域减少（见图12），故NOx生成区域减小（见图14），最终NOx排放减少。而氧含量的减少、燃烧温度的提高都使Soot生成量大于氧化量，故Soot排放量增多。

图12 缸内温度切片图（峰值温度时刻）

图14 NOx质量浓度（峰值温度时刻）

由图13（c）、图13（d）可知：3种方案的CH4、HC排放都随EGR率的升高而升高，但均低于单次喷射；在EGR率为25%时，3种方案的CH4、HC排放都接近单次喷射。这是因为废气的增加对燃烧产生抑制作用，燃烧速率减缓，较多燃料未被燃烧，故CH4、HC排放增加。如图15所示，气缸壁面及压缩余隙区域的未燃CH4增加较为明显。

图15 100（°）CA ATDC时CH4质量浓度切片图

由图13（e）可知，随着EGR率的升高，CO排放总体呈升高趋势，当EGR率为5%时，方案B、方案C的CO排放变化不明显，EGR率超过5%时，两种方案的CO排放迅速增加，在EGR率达到25%时两种方案的CO排放值均超过了单次喷射。这是因为EGR率较小时，废气对氧浓度影响较小，CO排放变化不明显。EGR率较大时，氧浓度大量降低，增加了天然气混合气的不完全燃烧，同时缸内燃烧温度的降低不利于后期CO的氧化，故CO排放增加。

图13 EGR对排放特性的影响

综上所述，在预喷策略的基础上引入EGR之后使得NOx排放显著降低，但Soot、CH4、HC和CO排放升高。由图可见，在EGR率为15%时，方案C的各项排放值均低于原机。因此，FDIT为-20（°）CA ATDC、FDIR为30%，EGR率为15%时，排放较优。

3 结论

（1）FDIR不变时，随着FDIT的提前，缸内平均压力和温度峰值上升，CA 50提前，第2放热率峰值不断升高。FDIT不变时，随着FDIR的增多，平均缸压与温度峰值上升，CA10和CA 50均提前。当FDIT较提前时，较大的FDIR会使第2瞬时放热率峰值较高。

（2）加入预喷策略后，NOx排放均大于单次喷射，CH4、HC、CO、Soot排放总体呈下降趋势。FDIR固定时，随着FDIT的提前，NOx排放先升高后降低，较提前的FDIT可使CH4、HC、CO、Soot排放保持在较低水平。FDIT固定时，随着FDIR的增大，NOx排放增加，较大的FDIR可使CH4、HC、CO、Soot排放保持在较低水平。

（3）不同预喷策略在加入EGR后，CA 10和CA 50都呈延后趋势，缸内平均压力和温度不断降低。随着EGR率增加，NOx排放均降低，Soot、CO、CH4、HC排放呈上升趋势，但不同预喷策略下CH4、HC排放均低于单次喷射。

（4）在小负荷高替代率下，FDIT为-20（°）CA ATDC、FDIR为30%、EGR率为15%时，各项主要排放物排放值均低于原机的单次喷射。