柴油/天然气双燃料发动机数值优化

王 浒，廖秀科，梁和平，束铭宇，王腾飞

柴油/天然气双燃料发动机数值优化

王 浒1，廖秀科1，梁和平2，束铭宇2，王腾飞2

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 玉柴联合动力股份有限公司，芜湖 241000)

利用CONVERGE搭建了柴油/天然气双燃料发动机三维数值模拟平台，在大负荷工况下研究了压缩比和不同喷油策略对发动机燃烧性能的影响．研究结果表明，相同条件下，降低压缩比到14.8能够有效降低最大压升率，从而有助于进一步增大天然气的替代比例．采用单次喷射策略时，通过提高喷射压力并提前柴油直喷时刻，在最大压升率限值内，能在85%天然气替代比例的同时获得48.1%的热效率．采用两次喷射策略时，随着预喷油量的增加，缸内着火时刻提前．并且预喷时刻提前能够有效降低最大压升率．对比发现，与单次喷射策略相比，两次喷射策略能够实现更为灵活的缸内燃烧控制，获得90%的天然气替代比例．最终，两次喷油策略实现了48.4%的最高热效率．

双燃料；天然气发动机；热效率；数值模拟

随着环境污染与能源问题日益加重，世界各国制定了越来越严格的车辆排放法规[1-2]．天然气具有储量大、价格低、燃烧热值高、碳烟排放低等优点，从而成为了发动机燃烧学界关注的焦点．

当前采用火花塞点火的当量燃烧天然气发动机已经成熟并被广泛商业化使用．然而，由于燃烧热负荷高，容易发生爆震，因而其最高压缩比较低，经济性受限．稀薄燃烧技术具有热负荷低，热效率高的潜力[3]，但由于天然气自燃温度较高，直接采用火花塞点火方式点燃对点火性能有较高的要求．Korakianitis等[4]提出了采用高活性燃料(如柴油)引燃天然气的双燃料燃烧方式．柴油/天然气双燃料发动机通过将天然气喷入进气道与空气预混，而后经缸内直喷的柴油引燃．这种燃烧方式的点火能力比火花塞强，火焰传播速度快，能够有效抑制爆震．但由于其稀薄混合气预混燃烧的特点，因此与柴油机相比，其燃烧效率较低.

研究者针对此问题开展了一系列研究. Papagiannakis等[5]在一台高速直喷自然吸气式柴油机上研究了柴油直喷时刻和天然气替代比例对发动机燃烧和排放的影响．结果表明，提高天然气替代率导致燃烧变慢，不完全燃烧产物增多，燃油经济性降低；而提前柴油直喷时刻，不完全燃烧产物降低，热效率提高．Park等[6]在一台由重型六缸柴油机改装的单缸机上研究了柴油直喷时刻和天然气替代比例对发动机燃烧和排放的影响．结果表明，提前柴油直喷时刻并降低天然气替代比例提高了热效率并降低了碳氢(THC)和一氧化碳(CO)排放．柴油直喷压力对柴油/天然气双燃料燃烧有重要的影响．Zhang等[7]与Yang等[8]研究表明，直喷压力的增加会导致更快的预混燃烧速度、更高的燃烧温度、更低的THC排放，但氮氧化物(NO)排放有所升高．Taritaš等[9]的研究结论与此相似．相关研究结果表明[10]，适度提前柴油喷射时刻并提高柴油喷射压力都有助于改善热效率，但过早的燃烧相位会导致效率下降．与此同时，Shu等[11]的研究表明，高负荷工况时，过早的柴油直喷时刻导致了较高压力升高率，从而使燃烧粗暴．因此，大负荷工况下的粗暴燃烧制约了柴油/天然气双燃料发动机负荷的进一步拓展和热效率的改善[12-14]．

与缸内单次直喷策略相比，两次直喷策略更为灵活，能够更为有效地控制缸内着火时刻以及燃烧过程．Xu等[15]研究了低负荷工况下预喷时刻对柴油/天然气双燃料发动机燃烧和排放的影响．研究表明，较早的预喷时刻能够有效降低压升率并减少了THC和CO排放，热效率也有所提升．最近，Guo等[16]研究了低负荷条件下预主喷燃油比例和预主喷正时对柴油/天然气双燃料发动机的影响．结果表明，与单次直喷策略相比，柴油两次喷射可显著减少THC和CO排放，并提高了热效率．

综上所述，通过优化柴油直喷策略可以有效提高柴油/天然气双燃料发动机在中小负荷工况的经济性．然而，由于受到爆压和压升率的限制，适用于中小负荷的柴油直喷策略并不能有效改善大负荷工况下的燃烧过程．另一方面，对于柴油/天然气双燃料发动机，如船机和重型货车，主要以使用大功率发动机为主，其高效运行工况一般处于中低转速大负荷区间．由此，本文以低速大负荷工况下的柴油/天然气双燃料发动机为目标，通过优化喷油策略来探索进一步改善发动机经济性的可行性路径．

1 计算方法

1.1 模型建立和验证

本研究采用CONVERGE来进行三维数值模拟计算．计算中采用的物理模型主要包括：基于雷诺平均的湍流模型，基于拉格朗日粒子法的喷雾模型，亥姆霍兹-瑞利泰勒(KH-RT)破碎模型[17]，奥罗克(O'Rourke)液滴碰撞模型，基于弗勒斯林(Frossling)关系的蒸发模型[18]，以及详细化学动力学求解器SAGE[19]．本研究所采用的机理来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室基础燃料(LLNL PRF)详细机理[20]和阿拉伯国家石油公司(Aramco)1.3机理[21]的简化．在简化过程中分别利用正庚烷和甲烷代替柴油与天然气的燃烧，通过生产率(ROP)分析和敏感性分析去除一些次要的反应路径和组分，结合简化的NO子机理，得到包括109种组分和334个反应式的简化机理；最后修正关键反应的指前因子，优化了简化机理的预测性能．最终的正庚烷/甲烷简化机理在之前的研究中已得到验证[22]．

由于发动机燃烧室为回转体，喷油器有8个喷孔，因此为了节省计算时间，只采用了1/8的燃烧室，如图1所示．计算网格尺寸影响计算结果准确性和计算时间，在模型标定前，进行了网格无关性分析，将基础网格尺寸分别设置为8mm、6mm、4mm、2mm和1mm，在喷油嘴下游进行了固定加密，启动了基于温度和速度梯度的自适应加密，加密后的最小网格尺寸依次为0.5mm、0.375mm、0.25mm、0.125mm和0.0625mm．由图2可知，基础网格4mm(对应最小网格尺寸0.25mm)的计算缸压已达到收敛，继续加密对结果影响不再明显而计算时间大大增加，因此采用基础网格4mm(对应最小网格尺寸0.25mm)的加密方案．发动机的主要技术参数如表1所示．

图1 上止点时1/8燃烧室结构

图2 纯柴油与双燃料网格无关性分析

表1 发动机模拟主要技术参数

Tab.1 Enginespecifications for simulation

由于本文研究的目标机型仅具有柴油的燃烧实验数据，因而为了对模型进行柴油/天然气双燃料燃烧验证，采用了Yousefi等[23]柴油/天然气双燃料燃烧实验数据．纯柴油燃烧和柴油/天然气燃烧实验工况参数如表2所示．图3为实验和模拟预测的缸压和放热率对比．表3所示为实验与模拟结果燃烧性能参数的详细比较．综合来看，本文构建的模型能够合理预测纯柴油和柴油/天然气双燃料的燃烧过程．本研究基于此模型进一步开展了不同压缩比、喷射策略以及天然气替代比例对柴油/天然气双燃料发动机燃烧性能影响的研究．

表2 模型标定边界条件设置

Tab.2 Operating conditions of simulations

图3 纯柴油与双燃料实验与模拟结果对比

表3 实验与模拟燃烧性能参数的详细比较

Tab.3 Detailed comparison of performance between ex-periment and simulation

1.2 数值优化策略

为了克服大功率柴油/天然气发动机大负荷工况优化热效率时高爆压和高压升率的限制，需要适当降低压缩比．由于通过改变压缩余隙调整的压缩比范围有限，因此作者将原机燃烧室形状进行了重新设计．设计中尽可能降低燃烧室形状改变所带来的影响，同时喷油器结构参数不做改变，因此使压缩余隙容积及缩口位置保持不变，通过改变凹坑半径和深度降低压缩比．不同燃烧室形状对比如图4所示，原机压缩比被逐渐降低至14.8．

图4 不同压缩比燃烧室示意

表4 单次喷射模拟策略

Tab.4 Single injection simulation strategy

与单次柴油喷射策略相比，柴油两次喷射策略具有有效降低压升率并提高热效率的潜力，因此本文还对柴油两次喷射策略进行了研究．主要参数如表5所示，模拟中柴油主喷时刻固定为-6°CA ATDC，在不同天然气替代比例下，预主喷油量总和保持不变．

表5 两次喷射模拟策略

Tab.5 Splitinjection simulation strategy

2 结果与分析

2.1 柴油单次喷射策略

图5对比了不同压缩比下预测的平均指示压力和最大压升率随天然气替代比例的变化．由于此处的喷射策略采用原机纯柴油喷射策略，因此不是最终优化结果．如图所示，在不同的压缩比下，平均指示压力和最大压升率都随着天然气替代比例的增加先升高后降低，主要是因为天然气替代比例增加导致了预混燃烧比例和压升率的增加．然而，当天然气替代比例继续增加时，由于缸内引燃柴油量降低使局部活性降低，最终着火推迟，并最终使平均指示压力和最大压升率降低．图6给出了天然气替代比例为80%，不同压缩比下的缸内温度分布图．由图可知，当压缩比降低时，压缩温度降低，初始燃烧时刻(CA10)逐渐推迟，且燃烧速率逐渐变慢，导致主燃烧时刻(CA50)推迟，燃烧持续期(CA90～CA10)变长，进而导致平均指示压力和最大压升率降低．

把压缩比降低至14.8时，在所研究的天然气替代比例范围内，最大压升率均在限值内且拥有充分的裕度，为喷射参数的优化提供了充足的空间．因此采用14.8压缩比的燃烧室进行喷射策略的优化．图7对比了在压缩比14.8下，不同柴油喷射压力、主喷时刻以及天然气替代比例对发动机指示热效率的影响．在固定的天然气替代比例下，随着柴油喷射时刻的提前，燃烧相位提前，因而指示热效率逐渐增加．在不同柴油喷射压力下，受最大压升率、爆压和热效率的限制，最佳柴油喷射时刻随天然气替代比例的增加都先推迟后提前．与前面的分析相一致，较低的天然气替代比例时，较早的柴油喷射直喷时刻有助于燃烧相位提前，从而导致了较高的热效率和压升率．然而，较高的天然气替代比例时，缸内直喷油量较少，虽然喷油较早，但是着火滞燃期较长，着火推迟，因而热效率降低．对比还发现，较高的喷射压力下最高热效率也较高，相同柴油喷射时刻下可使用的天然气替代率范围也较广．

图5 不同压缩比下平均指示压力和最大压升率对比

图6 不同压缩比下缸内温度分布对比

图8为柴油喷射时刻为-8°CA ATDC、喷射压力100MPa时，不同天然气替代比例下，CA10、CA50和CA90时刻下缸内温度分布对比．模拟结果表明，天然气替代比例为55%到75%时，着火点主要出现在燃烧室凹坑和压缩区．而随着天然气替代比例增加到85%时，由于引燃柴油量减少，着火时刻推迟，并且着火区域仅集中在燃烧室凹坑，从而导致了其较低的燃烧速率．

图8 不同天然气替代比例下的缸内温度分布对比

在图7中的每个喷射压力下，都存在着一个最佳的热效率，只不过在120MPa的喷射压力下，最佳热效率对应的天然气替代比例从70%～75%之间提高到了85%，最高热效率为48.1%．图9为天然气替代比例分别为70%和85%，柴油喷射时刻分别为   -10°CA ATDC和-12°CA ATDC，缸内湍动能和气流速度随喷射压力的变化．随着喷射压力的增加，缸内的湍动能和气流速度均增加，这有助于燃烧速率和热效率的提高．由于70%天然气替代比例下缸内喷射柴油较多，使得增加喷射压力对缸内湍动能和气流速度增强的作用较明显，因此其滞燃期相对85%天然气替代比例较短，因而燃烧相位较早，热效率也较高．然而，过高的燃烧速率提高了最大压升率并超出了限值，因此在高喷射压力下，需要适当推迟柴油直喷时刻，以降低最大压升率，因此70%天然气替代比例最大压升率限制下的最佳热效率反而有所降低．

2.2 柴油两次喷射策略

图10 不同预喷时刻对最大压升率的影响

图11 不同预喷时刻下缸内当量比与温度分布对比

图12 不同预喷比例下缸内当量比分布对比

图13 不同天然气替代比例和预喷时刻对指示热效率的影响

2.3 两种喷射策略对比

图14对比了两种喷射策略下主预喷时刻对最大压升率的影响．其中，两种喷射策略的天然气替代比例和柴油喷射压力分别为85%和100MPa，两次直喷策略预喷比例为20%．结果表明，在单次喷射策略下，主喷时刻为-12°到-13°CAATDC之间时，最大压升率就超出了限值，这主要是因为单次喷射策略在高预混比例下，提前喷射时刻使缸内混合物更加均匀，着火后燃烧速率较高，使最大压升率大幅提高．

在图14条件的基础上，图15进一步对比了两种喷射策略的主要燃烧性能参数．其中两次喷射策略预喷时刻为－22°CAATDC，单次喷射主喷时刻为 －12°CAATDC．结果表明，单次喷射策略采用120MPa的直喷压力时，可达到48.1%的最高指示热效率，但进一步提高喷射压力或者提前喷射时刻受最大压升率的限制，如图14所示．而由于两次喷射策略采用更为灵活的喷油方式，其可以在最大压升率的限制内获得更高的指示热效率(48.4%)．其原因从图16可以看出，两次喷射策略相比于单次喷射策略，主喷柴油主要集中在凸台附近，该处当量比增加，导致主喷柴油在凸台附近能够快速着火，进一步增强了主喷时刻对燃烧过程的调控，能够充分挖掘爆压余量. 从图15中还可以看出，两次喷射策略优化后的燃烧效率也较高，这是由于较早的预喷柴油提高了缸内特别是余隙区的活性，使燃料燃烧更加完全．

图14 两种喷射策略对最大压升率的影响

图15 两种喷射策略指示热效率、最高爆压和燃烧效率 对比

图16 两种喷射策略缸内当量比分布对比

3 结 论

在本研究中，笔者搭建了柴油/天然气双燃料发动机三维数值模拟平台，研究了压缩比和不同喷油策略对发动机燃烧性能的影响，以探索柴油/天然气双燃料发动机高天然气替代比例高热效率燃烧的可能性，主要的研究结论如下：

(1) 降低压缩比至14.8有效降低了大负荷工况下的最大压升率，从而拓宽了天然气的替代比例．

(2) 采用柴油单次喷射策略时，随着天然气替代比例的升高，热效率先升高后降低．提高喷射压力，在最大压升率限制下可提高高天然气替代比例的热效率．综合优化后，单次喷射策略获得48.1%的指示热效率．

(3) 采用柴油两次喷射策略时，预喷射时刻提前能够有效降低最大压升率，然而热效率也随之降低．预喷比例的增加使缸内着火时刻提前，并导致了较高的压升率．

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Numerical Optimization of Diesel/Natural Gas Dual-Fuel Engine

Wang Hu1，Liao Xiuke1，Liang Heping2，Shu Mingyu2，Wang Tengfei2

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Y&C Engine Co.，Ltd，Wuhu 241000，China)

A 3-dimensional numerical simulation platform for a diesel/natural gas dual-fuel engine was constructed by means of CONVERGE to investigate the effect of compression ratio and different injection strategies on the engine combustion performance under a high engine load condition. Results show that under the same conditions, the reduction of compression ratio to 14.8 leads to a significant decrease in peak pressure rise rate, which makes it possible to employ a higher natural gas substitution rate. Within the maximum pressure rise rate limit, a maximum thermal efficiency of 48.1% with an 85% natural gas substitution rate was obtained by increasing the injection pressure and advancing the diesel injection timing under a single direct injection strategy. With the employment of a split injection strategy, the increase of pilot fuel amount tends to trigger the earlier ignition, and the advancement of pilot injection timing can effectively reduce the peak pressure rise rate. Compared with the single injection strategy, the split injection strategy is more flexible in controlling the combustion phasing, making it possible to adopt a high natural gas replacement ratio(up to 90%) while maintaining a lower peak pressure rise rate. Finally, a peak indicated thermal efficiency of 48.4% is obtained by split injection strategy.

dual-fuel；natural gas engine；thermal efficiency；numerical simulation

TK41

A

1006-8740(2022)01-0011-09

2021-01-29.

国家重点研发计划资助项目(2017YFE0102800)；国家自然科学基金资助项目(51876140)．

王 浒（1982—  ），男，博士，特聘研究员.Email：m_bigm@tju.edu.cn

王 浒，wanghu@tju.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)