喷射压力对直喷天然气发动机燃烧特性的影响

2021-12-10李玉兰邵长胜

舰船科学技术 2021年10期

李玉兰，王谦，芮璐，邵长胜

(1. 江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013；2. 镇江高等职业技术学校，江苏镇江 212016)

0 引言

高效清洁的天然气发动机市场需求不断增加。其中，微量柴油引燃天然气缸内高压直喷发动机因其良好的动力性、经济性和环保性能受到关注。近年来，采用缸内高压直喷柴油/天然气技术引燃可靠性好，燃烧稳定性和排放性能得到显著提高，对于改善发动机工作性能具有重要意义。

国内外学者针对柴油引燃缸内直喷天然气发动机开展了广泛的研究。赵睿等[1]研究了船用柴油引燃天然气发动机气体燃料中掺入氢气对燃烧和排放的影响。王雨心等[2]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，研究了喷射策略对引燃直喷发动机燃烧、排放和性能的影响。徐向[3]通过试验与仿真探究了部分预混燃烧模式中预喷比例、预喷提前角及涡流比对发动机燃烧和排放的影响。张宁等[4]通过建立三维计算流体动力学（CFD）柴油/天然气双燃料喷射模型，研究不同 EGR 率对高压直喷（HPDI）发动机燃烧和排放特性的影响。Saeed等[5]试验研究了使用柴油/天然气和柴油/天然气燃料轻型发动机的低温燃烧。Yousefi等[6]研究了高低负荷和高低转速条件下柴油喷射时刻对天然气柴油双燃料发动机燃烧的影响。Wei等[7]分析了天然气柴油双燃料发动机燃烧、排放和性能。Poorghasemi等[8]数值模拟研究了直喷策略对柴油/天然气双燃料发动机燃烧和排放特性。江苏大学采用同轴喷射策略对柴油引燃天然气直喷发动机喷雾和燃烧开展了试验和模拟研究[9-10]。

国内针对天然气喷射压力对柴油引燃天然气直喷发动机喷雾和燃烧是影响研究较多，而国外较少。李梦涵等[11]针对发动机在外特性工作时的燃烧循环变动，试验分析了转速、天然气喷射压力、天然气喷射提前角对燃烧循环变动的影响。康佳明等[12]进行在定容弹上利用纹影法开展了不同喷射压力和喷射间隔下的天然气/柴油双燃料喷射中天然气射流特性研究。周洋[13]对微量柴油引燃天然气燃烧过程可视化研究。研究发现，随着喷射脉宽和喷射压力的增加，此时柴油的动能以及湍流强度增加，提高了点火能量，使得火焰投影面积空间分布更加广泛，加快了火焰投影面积的变化速率。Ying等[14]模拟研究了喷射压力对发动机燃烧的影响。王雨心等[15]研究了减少排放喷射时刻、喷射压力和喷射间隔3种喷射参数对引燃直喷发动机燃烧、排放和性能的影响。Li等[16]采用数值模拟的方法，分析了不同天然气喷射压力和喷射时刻，对低负荷工况下柴油机/天然气直喷发动机的燃烧过程以及排放的影响。

船用柴油引燃天然气直喷发动机天然气喷射压力达100~300 bar，采用同轴喷射策略试验条件受限，因此，有必要借助数值计算手段对燃料喷射、混合及燃烧过程进行研究分析。本文在定容燃烧弹内模拟发动机上止点附近的高温高压环境，利用CONVERGE软件计算分析不同天然气喷射压力对采用同轴喷射策略下柴油引燃天然气直喷发动机的射流燃烧及排放的影响。

1 模型建立

1.1 几何模型的建立

计算区域选在定容燃烧弹内发动机上止点附近的高温高压环境，参考实际定容弹规格设计几何尺寸，为节约计算时间，将定容弹模型进行缩小，使其能完全包含燃料发展区域即可。天然气、柴油均采用单孔喷嘴，由于天然气喷孔倾斜设置，故将顶面设计为斜切面，使得上表面与天然气喷射方向垂直，从而实现柴油和天然气喷射方式为同轴喷射。基础网格尺寸为4 mm，同时进行自适应网格加密，根据流场中速度、温度梯度自动加密网格，在柴油喷嘴和天然气喷孔附近分别设置喷嘴加密和圆柱加密。研究几何模型及计算网格如图1所示。

图1 几何模型及计算网格Fig. 1 Geometric model and computational grid

1.2 计算模型

1.2.1 基本参数

发动机实际工作中，柴油在上止点前喷入气缸，此时缸内温度、压力达到850 K，4 MPa左右，基本参数及方案如表1所示。

表1 基本参数Tab. 1 Basic parameters

1.2.2 物理模型

喷雾模型选用KH-RT模型，综合考虑了沿气液界面切向扰动波和沿气液界面法向扰动波对破碎过程的影响。燃烧模型采用适用于双燃料燃烧的SAGE模型。排放模型中NOx生成模型选用Extended Zeldovich，Soot生成氧化模型选用Hiroyasu Soot模型，湍流模型采用了普遍适用于发动机的RNGk-ε模型。

1.2.3 计算模型验证

为验证模型可靠性，与在定容弹内得到的冷态双燃料喷雾试验结果进行对照。实验设计了一种结合PIV和纹影法的双燃料喷雾实验系统，包括定容弹、双燃料喷射系统、纹影系统、PIV系统和控制系统，双燃料喷射系统在定容弹内实现了双燃料直喷，此实验系统实现了对双燃料喷射混合过程的可视化研究，获得了定容弹内环境气体的速度场和天然气射流图像。以天然气启喷时刻作为0时刻，图2对比了双燃料工况下天然气喷射压力为5 MPa喷射间隔为0.5 ms的实验结果与模拟结果。可以看出模拟结果与实验结果较为吻合，但是由于天然气射流贯穿距的计算结果较大，天然气射流更早的与柴油喷雾接触。模拟中的天然气射流轮廓与实验中的天然气射流轮廓基本相同，天然气射流速度场的计算结果也呈现出与PIV实验结果一致的规律。而且本文的模拟结果与袁小飞[17]得到的定容弹内天然气射流模拟结果相近。综合而言，模拟与试验结果吻合较好，可以基于该计算模型开展进一步研究。

图2 实验和模拟得到双燃料浓度结果对比Fig. 2 Comparison of experimental and simulated results of dual fuel concentration

2 模拟结果及分析

为了更好地研究天然气喷射压力对船用柴油引燃天然气发动机的影响，选择13.5 MPa，15.7 MPa，18.7 MPa，21.5 MPa，24 MPa等几种天然气喷射压力条件下模拟分析了其对船用柴油引燃天然气发动机喷射及燃烧排放的影响。

2.1 天然气喷射压力对燃烧过程的影响

研究表明，烃类燃料燃烧过程中会大量出现OH等自由基，可以将大量出现OH的时刻作为燃料的着火时刻[18]。图3和图4分别为不同天然气喷射压力下放热率和OH生成质量曲线。由图3可以看出，柴油着火时刻为1.1 ms左右，因此，设定天然气喷射时刻为1.15 ms。由图3和图4可知，天然气喷射压力越大，天然气滞燃期越短，着火越快，着火持续期也越短，燃烧后期放热率低，总放热量少。由速度和温度分布知道，天然气喷射压力越大，射流速率越大，与周围气体混合更充分，也更早抵达柴油着火区，因此，滞燃期短，着火前期燃烧反应剧烈，放热明显。燃烧中后期，较高压力喷射的天然气由于喷射持续期短，喷射结束早，动能衰减快，与周围气体作用减弱，混合质量差，燃烧不充分，从而导致放热率下降。

图3 不同天然气喷射压力下放热率曲线Fig. 3 Heat rate curve under different injection pressure of natural gas

图4 不同天然气喷射压力下OH生成质量Fig. 4 OH formation quality under different injection pressures of natural gas

2.2 天然气喷射压力对排放的影响

图5 不同天然气喷射压力下CO排放量Fig. 5 CO emission under different injection pressures of natural gas

图5为不同天然气喷射压力下CO排放量。CO是HC燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，燃料与空气混合不均是CO生成的主要原因。天然气燃烧前期，喷射压力越大，混合气越均匀，对天然气扩散燃烧越有利，燃烧更充分，所产生的CO越少，同时，由温度分布可知，此时天然气燃烧所形成的高温区域面积更大，温度更高，有利于CO氧化成CO2，从而降低CO排放。到了燃烧后期，天然气动量衰减，喷射压力越大，同一时刻动量越小，与周围气体混合越差，燃料燃烧不完全，CO生成量增加。

图6为燃烧过程中HC排放质量图。从图中可以看出，在天然气喷射前HC排放量缓慢增加，但总体排放较少，这是因为对于柴油微引燃天然气直喷技术，引燃柴油量很少，柴油喷入定容弹后，氧气充足，燃烧较充分，因此，由柴油燃烧产生的HC排放较少；天然气喷射阶段，随着喷气压力的提高，HC排放速率加快，此时的HC化合物的主要成分是不断喷入定容弹内的CH4气体，喷射压力越高，单位时间内气体喷射量越多，导致HC质量增长加快；天然气燃烧初期HC排放量随喷气压力的升高而略有降低，主要是因为高喷射压力下的天然气射流发展速度更快，更早接触火焰核心被引燃，同时也更易形成均匀混合气，燃烧更充分，CH4消耗量较大，HC质量稍有下降；在燃烧末期，高喷气压力下HC排放量明显增加，这是因为当天然气喷射压力过高时，射流运动速度快，喷束湍动能强，湍流拉伸率高，使火焰中产生的活性自由基失效，燃烧反应链中断，火焰前锋面产生局部淬熄现象，从而导致HC排放量增加。

图6 不同天然气喷射压力下HC排放量Fig. 6 HC emissions under different injection pressures of natural gas

图7为不同天然气喷射压力下NOx排放量。空气中的N2被氧化生成NO，NO是NOx的主要成分，高温、富氧、足够的高温停留时间是NO生成的三大条件。由图7可知，当温度低于1 800 K时，NO生成速率极低，而当温度达到2 000 K时，NO生成速率呈指数函数急剧增加。在天然气燃烧前期，高喷射压力下混合气含氧量高，燃烧更快，NOx生成量多，但由于低温天然气射流穿过柴油着火区域降低了燃烧区域温度，使得NOx生成量并未明显增多。在燃烧后期，天然气逐渐被引燃温度升高，高温区范围扩大，燃料燃烧过程中在高温区域停留时间长，NOx生成量显著增加，喷射压力较高时，混合不充分，燃烧不完全，放热量少，NOx相对较少。

图7 不同天然气压力喷射下NOx排放量Fig. 7 NOx emission under different natural gas pressure injection

图8为不同天然气喷射压力下Soot排放量。燃烧过程中Soot形成过程非常复杂，包括一系列物理、化学反应，目前关于Soot还没有形成完整的化学燃烧理论。高温和浓混合气利于烃燃料发生裂解反应生成碳烟。由图8可知，由于天然气燃烧程度的不同，随着天然气喷射压力增大，Soot排放的变化趋势较复杂。在天然气燃烧1.5 s时刻前，随着喷射压力增大，混合气混合均匀，产生的Soot少，因此对Soot排放影响较小；在天然气燃烧1.5~1.8 s时刻，随着喷射压力增大Soot排放减少。在天然气燃烧2.3 s时刻后，到了燃烧后期，随着喷射压力增大Soot排放增大。这是因为到了燃烧后期，天然气缺氧燃烧，Soot生成量增加。

图8 不同天然气压力喷射下Soot排放量Fig. 8 Soot emission under different natural gas pressure injection

2.3 天然气喷射压力对流场的影响

图9给出了天然气喷射压力为13.5 MPa和21.5 MPa条件下，在1.2 ms和1.4 ms时的燃烧室内速度场分布情况。从速度矢量图可以看出，高压喷射的天然气射流对定容弹内速度场分布具有重要影响。在天然气喷射过程中，高喷射压力使得喷束运动速率快，天然气射流侧面与周围气体速度差较大，天然气与周围气体存在强烈的动量交换，这导致在天然气射流侧面形成了一个剪切力，使这部分天然气不断地与周围气体混合，带动周围气体运动，将周围的气体卷吸入天然气射流中，天然气射流周围因这种卷吸作用形成湍流涡旋。当天然气喷出后，天然气射流的中心区域速度很快，沿天然气射流径向，从射流中心到射流边缘，天然气速度快速下降；沿天然气射流轴向，从射流底部到射流头部，天然气速度逐渐下降。随着时间的发展，天然气射流头部的速度逐渐下降，而射流底部仍保持较快的速度。当天然气停止喷射后，天然气射流底部的速度快速下降，天然气射流内部的速度趋于一致。喷气压力越大，射流动能越大，与周围气体相互作用越剧烈，天然气扩散混合更充分，缩短了天然气的滞燃期。喷气结束后，射流对流场分布影响减弱，在天然气喷射时刻相同的情况下，喷气压力越大，喷射持续期越短，喷气结束越早，对后期流场影响越小。此外，天然气射流在穿过柴油着火区时，由于火焰中心高温高压，天然气所受阻力大。同时，相比于冲击较稳定的空气，冲击柴油火焰使得天然气头部受到更大扰动，天然气射流头部的湍流强度更大，湍流运动会造成能量的耗散，湍流运动越强，能量耗散越大，这也是天然气发展后期动量明显减小的原因之一。喷射压力越大，天然气冲击柴油已燃区受到的阻力和扰动越大，动量衰减越快。

图9 21.5 MPa和13.5 MPa天然气压力下速度场分布Fig. 9 Velocity field distribution under 21.5 MPa and 13.5 MPa natural gas pressure

图10给出了天然气喷射压力为13.5 MPa和21.5 MPa下的温度场分布情况。从温度变化可以看出，喷气压力越大，天然气射流速率越快，更早接触到柴油已燃区，并迅速穿过火焰中心向前发展，柴油随即逐渐引燃天然气。由于越高的喷射压力下天然气与周围气体混合程度更高，因此天然气燃烧速率更快。同时，天然气射流在穿过柴油着火区时会携带小部分柴油火焰向前发展，喷射压力越大携带的火焰相对更多，所以在被引燃过程中着火范围更广。