双燃料低速船机火焰发展和污染物生成机理

叶 映，吴朝晖，刘海峰，董晶瑾，李敬瑞，尧命发

(1. 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300350；2. 上海中船动力研究院有限公司，上海 200131)

低速船用发动机燃用天然气可降低污染物排放，满足日益严格的排放法规．天然气的主要成分是甲烷，在已知碳氢燃料中具有最低的碳氢比，研究表明燃用天然气能有效降低CO2排放，对NOx排放也具有明显降低作用，同时也能获得近零的颗粒物(PM)和硫氧化物(SOx)排放．相比于传统燃用重油的船用柴油机，天然气发动机具有经济性好、排放低等优点，逐渐成为未来船舶动力的重要发展方向之一[1]．

大型船用低速机燃用天然气的主要技术路线是使用柴油引燃的双燃料方式，依据燃气喷射方式不同可分为低压和高压喷射两种模式．高压喷射模式是活塞到上止点附近时，先喷入引燃柴油，然后喷入高压天然气，天然气燃烧过程主要是扩散燃烧．低压喷射模式是在活塞压缩行程中，由气缸两侧喷入天然气，活塞上行至上止点附近再喷射少量柴油引燃预混气体，天然气燃烧过程主要是预混燃烧．与高压喷射相比，低压喷射模式燃烧峰值温度较低且高温持续期较短[2]，因而NOx排放远低于国际海事组织规定的Tier Ⅲ法规，并且无需配备复杂的高压燃气喷射系统[3]．然而由于预混天然气燃烧受爆震限制，压缩比较低，发动机动力性和经济性较高压天然气喷射方式差．此外，甲烷辛烷值高、层流火焰速度低及自燃着火较困难，因而通常采用预燃室系统提高初期火焰的能量以提高点火稳定性，加快燃烧速率[4]．预燃室系统可以在少量的引燃柴油下(通常在燃料总能量中占比小于3%)保证足够的着火稳定性和初期火焰能量，提高燃烧反应速率．

预燃室式双燃料发动机的着火燃烧过程非常复杂．首先喷入到预燃室的柴油喷雾率先着火燃烧，进而引燃预燃室内的预混气体，产生火焰射流喷入到主燃烧室，引燃火焰射流区域的预混合气形成稳定的火焰，随后火焰向外传播．整个燃烧过程的火焰特征发生多次变化，燃烧机制也存在明显差异．对引燃着火燃烧过程机理的理解是优化燃烧系统和燃烧策略的重要前提和基础．

近些年，国内外针对预燃室射流火焰产生和引燃机制开展了一定研究．Biswas等[5]基于带预燃室的定容燃烧弹开展光学测试，提出了预燃室出口火焰在不同湍流强度尺度和化学反应尺度条件下存在两种射流引燃机制．Allison等[6]则基于光学测试和直接数值模拟研究了预燃室在不同边界条件下产生的射流长度和存在时间，并通过对同一时刻OH*和CH*基团的分布，提出了射流火焰的结构模型．Xu等[7]基于一台快速压缩机开展了预燃室射流火焰的光学测试和模拟工作，并尝试用湍流脉动系数、湍流火焰速度和达姆科勒数(Da)去构建表征射流火焰发展形态的多维模型，并在此基础上做了一系列参数化研究．

然而在以上研究中，预燃室内的点火方式均是采用电极或激光点火，其着火及燃烧过程的模型相对柴油引燃的预燃室不同．此外，在燃烧模拟装置上开展研究，热力学边界条件和流动状态与实际发动机工作过程存在差异．因此，通过可靠的数值模拟方法，在实际发动机模型上开展针对柴油引燃的预燃室发动机的着火燃烧历程研究，是认识和理解此类发动机燃烧机理的重要方法．

因此，笔者以某预燃室式大型低速船用柴油-天然气双燃料发动机为对象，构建了三维计算流体动力学(CFD)模型，采用数值模拟方法研究了预燃室与主燃烧室内的着火和火焰发展历程，基于燃烧过程中化学反应分布和放热率区间的变化，分析了着火燃烧机制．此外还探讨了双燃料发动机两种主要的有害排放物的生成和迁移过程．该研究对深入理解低压喷射双燃料发动机的着火燃烧机制和污染物生成机理具有一定理论意义，对发动机燃烧控制策略优化有一定指导价值．

1 数值模型和研究方法

基于仿真CFD平台CONVERGE建立了某二冲程预燃室式低速船用发动机的三维仿真模型，并基于MATLAB耦合Cantera的后处理程序，探究射流火焰在预燃室和主燃烧室中火焰发展历程、引燃混合气机制以及污染物生成机理．

1.1 CFD迭代算法和可靠性分析

CFD程序是通过质量、动量和能量守恒控制方程耦合附加方程来描述湍流运动和无源标量以及各组分的输运过程，通过迭代算法求解每个变量．在CONVERGE 2.3程序中可以将计算域离散成若干网格，在各个网格内同步求解若干相关或者独立的控制方程，进而计算流动过程中的压力梯度、温度场变化和组分输运瞬态情况．

通过迭代法求解方程组的数值解，在CONVERGE中需要提供一个收敛判据．求解器通过反复迭代一个数值解直到其迭代误差在指定的收敛性判据内．计算工作中各参数的收敛判据如表1所示．

表1 各参数收敛判据 Tab.1 Convergence criterion of parameters in this work

采用这样的数值方法和迭代求解收敛性判据是参考了国内外采用同一CFD平台研究预燃室火焰射流相关工作[8-9]，这些研究工作针对预燃室通孔(主燃烧室和预燃室的连接通道孔，简称“通孔”)出口火焰质量、能量组分等参数的迭代求解处理方法和参数设置可满足可靠性的要求．

1.2 三维仿真模型构建

构建的低速二冲程预燃室式船用发动机CFD模型如图1所示，发动机基本参数和运行参数如表2所示，选择工况为远洋船机主推进发动机常用的75%负荷工况点，在当前最为严格的Tier Ⅲ排放法规下的权重为50%，该工况下宏观当量比约为0.38，平均指示压力(IMEP)约为1.73MPa．CFD模型耦合的子模型如表3所示．以燃烧上止点为0°,CA，计算区间为排气门开启时刻－250°,CA ATDC 到下次排气门开启时刻110°,CA ATDC的整个循环．缸内初始组分设置为理论完全燃烧后的均质废气，由扫气过程控制缸内废气和新鲜充量分布．

表2 发动机基本参数和模拟计算条件 Tab.2 Engine specifications and simulation conditions

表3 计算子模型 Tab.3 Computational sub-models

图1 二冲程双燃料发动机CFD模型 Fig.1 CFD model of the 2-stroke dual fuel engine

用正庚烷代替柴油、甲烷代替天然气，基于CHEMKIN程序构建了79组分、262步基元反应的 双燃料简化动力学机理[10-11]来模拟缸内的着火及燃烧反应过程．此外，燃气喷射的模拟处理方式为将通过燃气准入阀有效截面的甲烷气体设定为固定流量，保证燃气喷射持续期和总质量与试验数据一致．由于大型低速船机试验数据匮乏，因而大量研究都采 用一维模拟和三维模拟相互验证以确保模型的可靠性[12-13]，笔者也采用该方法．另外，网格敏感性分析参见文献[11]．此三维模型计算得到的缸内压力放热率结果与试验和一维计算结果[14]的对比如图2和表4所示．结果表明模型具备可靠精度，可用来开展研究．

图2 计算模型缸内压力和放热率验证结果 Fig.2 Computational model calibration results of incylinder pressure and heat release ratio

表4 计算结果验证 Tab.4 Computational model calibration results

1.3 燃烧过程分析方法

图3a为-8.2°,CA ATDC时刻1800K等值面，以此表征火焰面位置，此时处于预燃室内着火初期．表明火焰发展方向受预燃室壁面结构影响，在火焰下游出现了明显改变，为了保证捕捉到足够有效信息，对预燃室内的网格进行了如图3a所示的两次切片．图3b切片位置选取是考虑能同时捕捉预燃室、主燃烧室以及通孔内完整的火焰信息，沿射流火焰发展轴线方向竖直切下．基于上述3个切片，选择若干关键时 刻的三维计算输出结果，运用Liu等[15]提出的后处理方法，将计算结果中的温度、压力、质量、体积以及各计算网格的所有物种浓度导出到MATLAB中进行矩阵化处理．随后用MATLAB程序调用CHEMKIN代码读取化学反应机理文件，最后将化学反应机理文件与Cantera代码相结合，处理切片区域各网格内瞬时燃烧信息．通过统计分析对总放热贡献最大的反应，确定每个网格中具有代表性的放热反应(RXR)，该反应对阐明火焰结构具有重要意义．表5汇总了涉及的RXR和其他基元反应所对应的编号．

图3 燃烧分析切片示意 Fig.3 Clip plane for combustion character analysis

表5 基元反应和对应编号 Tab.5 Elementary reactions and the corresponding IDs

2 结果与讨论

2.1 预燃室内着火燃烧过程分析

传统柴油机喷雾燃烧中流动和混合过程主导柴油着火燃烧过程，预燃室内的燃烧是以柴油喷雾燃烧开始，其燃烧过程与流动密切相关．图4为喷油始点前0.1°,CA时预燃室内流场分布．图5是预燃室内喷油器位置及3个喷孔喷油方向示意，设置依据原机试验数据，为了便于描述，将其产生的油束分别命名为A、B和C束喷油．图4表明，新鲜充量受扫气作用从通孔内被挤入预燃室且沿一侧壁面自下而上流动，挤压到喷油器附近后沿着另一侧壁面向下流动，进而形成以大尺度漩涡为主的流场特征．此外，进气在通孔内受挤压加速，沿壁面上行的流速稍大，可达到20m/s；预燃室内其他区域的流动较弱，流速低于主燃室内气体流速(约10m/s)．

图4 -8.6°,CA ATDC时刻预燃室内流场 Fig.4 Flow field inside the pre-chamber at -8.6°,CA ATDC

图5 预燃室内喷油方向示意 Fig.5 Injection directions inside the pre-chamber

图6为-8.2°,CA ATDC至-7.8°,CA ATDC时1800K等值面位置变化，A束喷油率先着火，B束和C束喷油着火相对滞后．图5显示A束喷油是逆气体流动方向喷射，且喷射方向最接近预燃室通孔进气位置．说明A束喷油受预燃室进气的影响，能够更好与空气混合，率先着火燃烧，火焰形态与传统柴油机的扩散燃烧火焰具有相似性．随后，B束和C束喷油末端混合气自燃，并向其他未燃区域发展；射流火焰在-8.0°,CA ATDC时刻已经出现在预燃室通孔内，此时预燃室内的燃烧还在进行．基于上述分析，可以认 为-8.0°,CA ATDC时刻是第一阶段燃烧即预燃室内自着火控制的火焰发展过程和第二阶段燃烧即主燃烧室内产生射流火焰的分界点．

图6 预燃室内在不同时刻1800K等值面位置 Fig.6 Contour surface where temperature is 1800K inside the pre-chamber at different time

图7为-8.2°CA ATDC时刻切片1和2内的放热率分布，在火焰发展的上游放热率要明显大于碰壁转向后的火焰下游．图8为同一时刻切片1和2内的RXR分布，火焰上游是以正庚烷的低温加氧反应(R30，R37)为主导，而火焰中下游出现了甲基氧化反应．图9是针对这一时刻甲基产率(ROP)分析，在切片1范围内甲基产生以大分子组分的碳碳键断裂为主，甲烷脱氢生成的甲基产率只有17.9%，表明此刻在火焰上游区域只有较少的预混甲烷参与反应；而切片2范围内甲烷脱氢产生的甲基产率达到了60%以上，表明在火焰下游区域预混甲烷参与反应的比例提高．由图7可知，火焰下游的总体放热远低于上游放热，表明预燃室内喷雾燃烧火焰发展仍以柴油扩散燃烧主导，同时只是在火焰碰壁后变向的局部区域，受活性基迁移和高温气体流动作用，部分预混的甲烷开始参与反应．随后火焰向未燃区发展，同时经通孔产 生射流火焰进入主燃烧室．

图7 -8.2°CA ATDC时刻切片1和2内的放热率分布 Fig.7 Heat release ratio distribution in clip planes1 and 2 at -8.2°CA ATDC

图8 -8.2°CA ATDC时刻切片1和2内的RXR分布 Fig.8 RXR distribution in clip planes 1 and 2 at -8.2°CA ATDC

图9 -8.2°,CA ATDC时刻在切片1和切片2的甲基生成主要反应和对应产率统计范围 Fig.9 Reactions and corresponding ROP of methyl at -8.2°,CA ATDC in clip 1 and clip 2

2.2 主燃烧室内射流火焰引燃过程分析

图10为俯视角下-6°,CA ATDC和0°,CA ATDC时刻1800 K等值面分布，该视角下缸内因扫气产生的大尺度涡流以逆时针方向流动(以黑色箭头标注)．在-6°CA ATDC之前，射流火焰发展方向与通孔轴线方向具有高度一致性，说明射流发展初期的方向是由通孔方向主导，缸内涡流对其影响较小．从0°,CA ATDC的火焰发展区域看，随射流进一步发展，大尺度涡流作用开始显现，两束射流火焰发展因为流动的作用开始呈现螺旋式发展．由于预燃室通孔的方向设计为斜向下，在一个水平面内的切片无法捕捉到完整的火焰有效信息，因而选择图3b的切片3位置来针对射流火焰发展过程展开分析．

图10 1800K等值面分布 Fig.10 Contour surface where temperature is 1800K

图11为预燃室火焰射流发展过程中在切片3范围内若干时刻的放热率(HRR)分布．由-7.8°,CA ATDC和-7.6°,CA ATDC时刻可以看出，近预燃室通孔出口处的射流是剧烈放热区，表明火焰内部发生剧烈放热反应．随着射流火焰发展后到-2.0°,CA ATDC和0°,CA ATDC时，射流内部放热已经停止，反应区 较薄且出现在射流表面，沿径向向四周扩散，与文献[16—18]中对火焰传播现象描述的对比，可认为这一时期的燃烧火焰特征是预混气体燃烧的火焰传播过程．在0°,CA ATDC时，该模型中另一个预燃室(未在切片3中体现)产生的射流火焰受缸内涡流作用以垂直纸面方向进入切片区域，因而在右下角出现一个环形放热区，这与前文所述在射流充分发展以后引燃火焰会受涡流作用具有一致性．在射流从预燃室通孔进入主燃烧室初期，火焰内部存在大量放热，对这一时刻的火焰结构的理解是揭示整个射流火焰发展机制的关键．

图11 不同时刻射流火焰放热率分布 Fig.11 HRR distribution of jet flame at different time

图12为-7.6°CA ATDC时刻在切片3内的RXR分布．正庚烷的加氧反应主要存在预燃室内，表明此刻预燃室内仍然有大量正庚烷刚刚开始参与燃烧，而在出口处的火焰从内到外有3层明显的不同反应区．内部核心区主要是羟基和氢的高温反应(R425)，外围发生的是甲基的氧化反应(R348)，而在中间层发生的主要是甲烷的脱氢反应(R328)，这表明火焰内部存在甲烷燃烧反应．图13a为-7.6°CA ATDC时刻切片3内正庚烷质量分数分布，可以看到少量正庚烷出现在主燃烧室内，由于缸内正庚烷的唯一来源是预燃室内的柴油喷雾，因而表明预燃室内有部分未燃混合气及大量中间产物随射流运动进入主燃烧室内，并且与射流火焰覆盖范围一致．此外，图13b是同一时刻下切片3内氧气质量分数分布，在射流火焰区域氧气被大量消耗，且剩余氧气量从火焰内部向外递增，在射流火焰核心区氧气几乎被完全消耗．因为该工况下是宏观燃空当量比为0.38的稀薄燃烧，基本不存在局部氧气完全消耗却还有富余甲烷的情况，因而结合图13b的结果，在图12中的射流反应区内贫氧却有甲烷参与燃烧反应，表明有大量甲烷从预燃室 内迁移至反应区．

图12 －7.6°CA ATDC时刻在切片3内的RXR分布 Fig.12 RXR distribution of jet flame in clip plane 3 at-7.6°CA ATDC

图13 -7.6°CA ATDC时刻切片3内关键组分分布 Fig.13 Mass fraction of key species in clip plane 3 at-7.6°CA ATDC

表6为-7.8°CA ATDC和-7.6°CA ATDC时刻预燃室内部各组分质量变化统计．其中总质量减少量是从预燃室内进入主燃烧室内的气体总质量，约为0.259g．由于此刻燃烧刚开始，忽略这个阶段氮气因反应减少的质量，则减少的0.259g总质量的气体中有约0.195g是氮气．此外，甲烷和氧气减少质量分别为0.072g和0.09g，减少的氧气与甲烷的质量比约为0.8∶1，已知氧气与甲烷当量完全燃烧质量比约为 4∶1，即使所有的氧气减少都是与甲烷反应所消耗，预燃室内甲烷的减少量都明显偏大，并且必然存在部分氧气是由于与正庚烷反应中被消耗以及随着射流进入主燃烧室所减少，因而可以推断出在射流火焰产生的过程中有部分甲烷随射流进入主燃烧室．

表6 预燃室内各组分质量变化 Tab.6 Mass variation of key species inside pre-chamber

基于上述分析，可以认为在-7.6°,CA ATDC时刻预燃室出口处的射流火焰中除了预燃室燃烧的中间产物的后续反应以外，还存在部分预燃室内部随射流迁移出的甲烷发生的预混燃烧．

由图11和图12可知，从射流火焰初期的内部预混燃烧到出现火焰面外围的火焰传播，整个燃烧过程存在明显的两种火焰结构特征．因而两种火焰结构转变历程的认知是理解射流火焰发展及引燃机制的关键．图14展示了引燃油喷射时刻(-8.5°,CA ATDC)和-6°,CA ATDC切片3范围内的甲烷质量分数分布．随射流发展，在图14a中的甲烷高浓区A受射流挤压作用向预燃室远端移动，在图14b中移动到了甲烷高浓区B的位置；受两股射流和活塞运动的协同影响，在图14b中的红色圆圈标注区域出现了新的高浓度区．除此以外其他区域的甲烷质量分数变化很小且梯度几乎保持不变，这表明没有甲烷组分受射流挤压作用从射流内部迁移输运到其他区域．此外，在射流表面较薄的区域内，甲烷质量分数还略微降低，表明此时射流火焰表面已经有预混甲烷发生了反应被消耗掉，进一步说明预混甲烷开始被引燃．

图14 切片3内甲烷质量分数分布 Fig.14 Methane distribution in clip 3

图15为-6°,CA ATDC时刻切片3内的RXR分布．在预燃室出口处，射流内部以羟基双氧水等组分发生反应为主，这些反应与预燃室内部的放热反应类似．而在射流中下游只有外围有放热反应，以甲基氧化反应为主．图16展示了这一时刻切片3范围内的甲基产率，甲基生成95%以上都来自甲烷脱氢反应，表明外围的甲基反应区同时也是预混甲烷开始参与反应的区域．此外，甲基的反应区内表面轮廓线与图17所示的切片内900K温度等值线具有较高一致性，说明这一时刻随着射流发展，火焰外围温度升高导致了预混甲烷开始脱氢产生甲基，甲基进一步氧化 放热，开始燃烧反应．

图15 -6°,CA ATDC 时刻切片3内的RXR分布 Fig.15 RXR distribution in clip 3 at -6°,CA ATDC

图16 -6°,CA ATDC时刻切片3内的甲基产率统计 Fig.16 ROP of methyl in clip 3 at -6°,CA ATDC

图17 -6°,CA ATDC时刻900K温度等值钱 Fig.17 Isoline where temperature is 900K at -6°,CA ATDC

综上所述，在射流发展过程中，预燃室出口处仍存在从预燃室内部射出的未燃气体和中间组分，并在输运过程中发生放热反应．而在射流火焰的外围，预混甲烷开始燃烧，随后的缸内燃烧就被甲烷着火形成的火焰面划分出明显的未燃区和已燃区，并且火焰面向未燃区移动，呈现出火焰传播的特征．因而出现预混的甲烷反应层包裹在射流火焰外围，且火焰内部无明显放热反应的时刻(约-6°,CA ATDC)是第二阶段燃烧即射流火焰发展和第三阶段燃烧，也即主燃烧室内预混湍流火焰传播过程的分界．

2.3 污染物生成机理

图18为双燃料发动机两种主要有害排放物NOx和HC分别在预燃室和主燃烧室内的质量随曲轴转角的变化．NOx在5°,CA ATDC到15°,CA ATDC内大量生成，随后保持在一个稳定水平不再变化直到排气门开启．在15°,CA ATDC时预燃室内的NOx质量高达主燃烧室内的一半，此外，15°,CA ATDC以后预燃室内的NOx减少，主燃烧室内NOx增加且总体NOx质量几乎不变，可以推断出在射流发展过程中，预燃室内有部分生成的NOx随射流转移到了主燃烧室内．图19展示NOx质量分数和当量比两个参数不同数值等值面的包裹区域，表明了10°,CA ATDC时缸内NOx质量分数及当量比分布．从图19b中可以看出，当量比在0.8以上区域只存在预燃室内部，并且预燃室内部局部当量比高于1.1，在内燃机燃烧过程中当量比为1.1的区域最有利于NOx生成．图19a的瞬时NOx分布也直接表明预燃室内有大量NOx生成，此外，主燃烧室内的NOx出现区域为近预燃室出口处．结合图18的分析，可以认为预燃室内部是NOx生成的最主要区域．图20为10°CA ATDC时缸内2100、1800和1200K等值面分布，表征高温区、中等温度火焰位置和局部低温区．2100K以上的高温区被认为是NOx生成的主要区域，高温区主要存在预燃室内部．因此，在预燃室内由于柴油扩散燃烧主导且燃空当量比相对主燃烧室内较大，燃烧温度高以及燃烧持续期长，是NOx主要的生成区域．

图18 NOx和HC分别在预燃室和主燃烧室内的质量随曲轴转角的变化 Fig.18 Mass of NOx and HC in main- and pre-chamber at different crank angle

图19 10°,CA ATDC 时刻缸内NOx质量分数以及当量比等值面分布 Fig.19 Contour surface where the mass fraction of NOxis 0.05% and 0.025% and where equivalence ratio φ＝0.5，0.8，1.1 at 10°,CA ATDC

图18也表明预燃室内的HC质量在10°CA ATDC之后就达到近零水平，一直维持到排气门开启；而主燃烧室内的残余HC则在10°CA ATDC以后保持在一定水平不再降低，这部分HC最终形成HC排放．图21为10°CA ATDC时缸内HC质量分数为0.1%的等值面区域．缸内残余HC主要集中在活塞与缸套之间的区域及射流火焰碰壁的位置，这些位置与图20中的蓝色低温区具有很好一致性，说明HC出现的区域出现了局部失火．一般认为活塞近壁面处空间狭小，不利于混合和燃烧，容易产生HC，射流火焰碰壁后在近壁面处受到壁面的冷却作用，会导致小范围的淬熄、局部产生HC[19]．此外有研究[20]表明，在实际发动机中壁面与对活性基的吸附作用也是导致火焰在近壁面出现局部淬熄的重要因素．

图20 10°,CA ATDC 时刻缸内不同温度等值面分布 Fig.20 Contour surface where temperature is 2100，1800 and 1200 K at 10°,CA ATDC

图21 10°,CA ATDC 时刻缸内HC质量分数为0.1%等值面分布 Fig.21 Contour surface where the mass fraction of HC is 0.1% at 10°,CA ATDC

3 结论

(1) 预燃室内以柴油喷雾燃烧为主导，受通孔进气和流动的影响，近通孔区域的喷孔油束率先着火，形成扩散燃烧火焰；并在火焰碰壁后形成多个自燃点，随后火焰向预燃室内未燃区域发展，同时经过通孔形成射流火焰进入主燃烧室．

(2) 射流产生并进入主燃烧室的初期，射流内部存在大量从预燃室内输运出的甲烷混合气及其他中间产物的预混燃烧；随着射流发展，射流内部核心区域在较长持续期内都有羟基、氢等组分参与放热反应，而在射流外部则以预混甲烷及其脱氢产物甲基的反应为主，表明在外围出现了预混火焰传播的燃烧特征；在射流内部的反应完全结束以后，放热反应只继续存在于射流火焰表面，此后缸内呈现由火焰传播控制的燃烧特征．

(3) 缸内NOx生成主要在预燃室内，由于预燃室内当量比较高且以柴油扩散燃烧为主导，燃烧温度高且燃烧持续期长，给NOx生成创造了条件；未燃的HC主要在主燃烧室内生成，而预燃室内HC的排放接近为零；HC主要出现在活塞与壁面之间及射流火焰碰壁区域，这些区域在燃烧过程中都出现局部低温，表明在这些区域内发生不同程度的淬熄导致HC大量生成．