不同进气氛围耦合废气再循环对双燃料发动机工作过程的影响

陈贵升，魏 峰，李 冰，王震江，黄 震，罗 赢

（1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.解放军31638 部队，昆明 650051）

0 概述

面对日趋苛刻的排放法规和日益严峻的能源紧缺问题［1-2］，使用天然气/柴油反应活性控制压燃（reactivity charge compression ignition，RCCI）发动机能有效减少碳烟排放并缓解石化能源危机，但其HC 和CO 排放较高，且在低负荷工况高替代率时还存在燃烧稳定性较差等问题［3-4］。为解决这些问题，需要增强缸内混合气化学活性及活性分层。H2作为气体燃料具有扩散系数高、着火范围宽、燃烧速度与火焰传播速度快等特点。掺氢虽然会导致压力升高率升高，但可以提高混合气的化学活性，从而改善缸内混合气燃烧品质［5］。另外，通过富氧燃烧技术也可以改善双燃料发动机低负荷工况高替代率时的燃烧和排放特性。

文献［6］中基于一台重型柴油机研究了进气掺氢对柴油机性能的影响，结果表明进气掺氢有助于降低CO 和CO2排放，但对未燃碳氢化合物（unburned hydrocarbons，UHC）影响不大。文献［7］中研究了掺氢或天然气对燃烧过程的影响，结果表明掺氢提高了瞬时放热率峰值，缩短了燃烧持续期。文献［8］中针对天然气/柴油双燃料RCCI 发动机不同负荷工况下的燃烧和排放特性进行了研究，结果发现在低负荷时掺氢可以改善燃烧，降低CO 和HC排放。文献［9］中通过试验研究也得到相似结论。掺氢可以一定程度改善缸内燃烧，降低部分排放物排放值，但压力升高率升高，NOx排放恶化。而引入废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）可在一定程度上控制缸内燃烧速率，降低压力升高率及NOx排放［10］。文献［11］中采用模拟手段研究了EGR 率对进气掺氢后柴油机工作过程的影响，研究表明适宜的掺氢比与EGR 率可以控制最大压力升高率，降低NOx和碳烟排放。国内外学者针对进气掺氧对发动机的影响也开展了较多研究［12-15］。其中，文献［14］中采用进气掺氧耦合EGR 策略对一台船用柴油机的燃烧和排放进行了研究，结果表明掺氧燃烧与EGR 优化组合可以同时降低NO 和碳烟排放。

目前针对天然气/柴油双燃料发动机在高替代率低负荷下不同进气氛围（H2、O2）耦合EGR 的研究较少，故本文中通过构建三维CFD 模型就不同进气氛围耦合EGR 对缸内燃烧过程及排放规律进行了研究，旨在改善各排放物之间的折中关系，同时为双燃料发动机低负荷工况下的清洁燃烧提供可行途径和科学理论指导。

1 三维模型构建及验证

1.1 试验台架

以某重型高压共轨增压中冷柴油机为试验机型，在此基础上改装配置电控天然气进气道喷射供给系统，改装成一台柴油引燃天然气双燃料RCCI发动机，试验发动机的主要结构参数如表1所示。其中，曲轴转角在上止点前用负数表示，在上止点后用正数表示。

表1 试验发动机主要结构参数

通过搭建双燃料发动机试验台架，开展相关试验，发动机试验台架布置如图1所示。试验中所用的测试设备主要包括进气流量计、排气分析仪、烟度计、燃烧分析设备等，具体参数见表2。

表2 主要仪器设备

图1 试验台架示意图

1.2 三维CFD 模型的构建

基于表1中发动机结构参数、燃烧室几何尺寸、喷油器等参数，构建三维CFD 数值仿真模型。由于喷油器8 个孔在燃烧室内均匀布置，为提高计算效率，使用1/8 燃烧室模型进行耦合计算。三维CFD 模型如图2所示。1/8 模型在上止点时网格数为40 775 个，在下止点时网格数为151 050 个，主要物理模型的选取详见表3。

表3 计算模型设置

图2 三维CFD 模型

1.3 化学反应机理的选择

本文中基于三维计算软件与简化化学动力学模型进行耦合模拟计算。采用文献［16］中构建的天然气/柴油多组分替代混合物简化动力学机理，该机理中包含141 种物质和709 个基元反应，以甲烷、乙烷、丙烷混合物和正庚烷机理来分别模拟天然气和柴油燃料在双燃料发动机中的燃烧特征。文献［16］中以一台通用公司4 缸高压共轨涡轮增压轻型柴油机为基础试验机型来验证所构建的机理，结果表明该多组分简化动力学机理能够较为准确地预测天然气/柴油RCCI 发动机燃烧特性。在此基础上，本文中采用文献［17］中简化的NOx和碳烟生成机理来模拟发动机的NOx和碳烟排放，其中NOx反应机理是基于扩展的Zeldovich 机理［18］，并增加了N2O 中间产物的反应机理及NO 与NO2之间的转换反应；碳烟生成机理采用文献［19］中提出的以多环芳香烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH）为前驱物的多步现象学模型，该模型以始于多环芳香烃芘（A4）的碳烟成核为开端，并由C2H2辅助其表面生长。文献［17］中对两个排放模型进行了激波管、定容燃烧弹及实际共轨柴油机试验台架的试验数据验证，结果表明该反应机理能够准确地反映高EGR 率和低EGR 率下NOx和碳烟排放趋势。通过耦合以上简化化学动力学模型，为研究天然气/柴油双燃料发动机在不同进气氛围条件下的燃烧和排放特性提供可行方法和可靠的理论基础。

1.4 三维CFD 耦合模型验证

本文中选取不同转速、转矩工况下的不同替代率和EGR 率进行试验和模拟研究，试验工况选取如表4所示。模型仿真计算时长为从进气门关闭时刻至排气门开启时刻。在CFD 耦合模型计算的初始条件设置中，根据试验测量得到的缸内压力、增压器压气机后温度等参数，确定进气门关闭时刻的初始缸内压力与压缩温度。其中，压缩温度等关键参数是根据发动机结构参数与试验实测数据，通过GTPOWER 构建一维热力学仿真整机模型计算得到。数值模型计算中EGR 率定义为进气与排气中CO2质量分数之比，见公式（1）。

表4 试验工况

式中，R为EGR 率；φin、φout分别为进气和排 气中CO2的质量分数。

另外，模型验证中，发动机试验中缸压采用KISTLER 6125A 传感器测量（采集间隔为0.5°），并进行测量值平均光滑处理。碳烟由AVL 415S 烟度计测量得到的烟度值换算得到，二者之间具体的换算见公式（2）。

式中，St为碳烟质量，kg；S为实测烟值，FSN；mair、mfuel、mCNG分别为进气流量、柴油小时油耗量、天然气每小时气耗量，kg/h。

仿真计算模型中使用的两种燃料主要特性如表5所示，天然气替代率的计算见公式（3）。

表5 燃料主要特性

式中，P为天然气替代率；HC、Hd分别为天然气和柴油的低热值，MJ/kg；mC、md分别为天然气、柴油的质量，kg。

图3、图4分别为不同工况下模型计算所得到的缸压、瞬时放热率及工况3 下排放物质量分数（占排气总质量分数）的模拟值与试验值的对比。不同工况下缸压和瞬时放热率试验与模拟曲线吻合度较好，误差在5% 以内；工况3 下不同排放物的模拟值与试验值整体变化趋势基本一致且保持在同一数量级。由此表明，研究中所构建的三维CFD 仿真模型边界条件参数设置均较合理，能够预测真实天然气/柴油双燃料发动机工作过程，满足仿真计算要求。

图3 不同工况下缸压和瞬时放热率模拟值与试验值对比

图4 工况3 下排放模拟值与试验值对比

基于以上仿真模型，选取表4中工况3 即高替代率低负荷工况，研究进气氛围（H2、O2）耦合EGR对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响机理。其中，EGR 率用符号E 表示，取值为18%、29%、37%。掺氢比（体积分数）用符号H 表示，取值为0%、1.0%、2.5%、5.0%、8.0%。掺氧比（体积分数）用符号O 表示，取值为0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%。如EGR 率18%、掺氢比1.0% 表示为E18H1.0，掺氢比1.0% 表示为H1.0，其他算例以此类推。

2 结果与分析

2.1 掺氢耦合EGR 对发动机燃烧特性的影响

图5为不同EGR 率下掺氢比对缸内压力及瞬时放热率的影响。如图5所示，在相同EGR 率下，随掺氢比增大，缸压和瞬时放热率峰值增大，峰值对应的曲轴转角均向上止点靠近，提升了发动机的做功能力。瞬时放热率曲线的形状随掺氢比的增大由“矮宽形”变成“高窄形”，燃烧始点提前，燃烧速率加快，放热更为集中。这主要是由于H2作为气体燃料，具有燃烧速度快、火焰传播速度快等特点，进气掺氢后削弱了天然气火焰传播速度慢这一主要缺点，使混合气能够快速燃烧，缩短燃烧持续期。如在较低EGR率（18%）下，掺氢比增大至8.0% 时，与未掺氢相比缸压峰值由5.6MPa 增大至9.3 MPa，提升了66.1%；瞬时放热率峰值增大至893.4 J/（°），提升了403.5%。当EGR 率增大后，相同掺氢比下的缸压峰值随EGR 率的增大而降低，且在EGR 率较高时，随掺氢比例的增加，其提高发动机缸压峰值的作用更加显著。

图5 不同EGR 率下掺氢比对缸内压力及瞬时放热率的影响

图6为不同EGR 率下掺氢比对发动机最大压力升高率和缸内最高燃烧温度影响的对比。如图6所示，相同EGR 率下，进气掺氢后，因H2燃烧速度快，燃烧放热较集中，缸内压力升高率和最高燃烧温度随掺氢比的增加而增大。在EGR 率为18%、掺氢比为8.0% 时，最大压力升高率已达到1.6 MPa/（°），与相同掺氢比、EGR 率为37% 时相比增大33.9%，与相同EGR 率、掺氢比为0% 时相比增大485.8%。由此可见，掺氢对提高缸内燃烧速度、缸压与瞬时放热率峰值等的作用明显强于EGR 对其的抑制作用。掺氢后可显著改善RCCI 发动机的燃烧特性，但考虑到限制压力升高率和缸压峰值，掺氢比不宜过高。

图6 不同EGR 率下掺氢比对最大压力升高率和缸内最高燃烧温度的影响

2.2 掺氢耦合EGR 对发动机排放特性的影响

图7为不同EGR 率和掺氢比对缸内OH 活性自由基生成量影响的对比。如图7所示，在相同EGR 率时，随掺氢比增大，缸内OH 活性自由基生成量大幅增加；相同掺氢比时，增大EGR 率后OH活性自由基生成量降低，并均在燃烧后期以不同的消耗速率被消耗至稳定值。

图8为不同EGR 率和掺氢比对碳烟生成量的影响。如图8所示，相同EGR 率下，在掺氢比小于2.5% 时碳烟生成量峰值小幅升高，但排放量降低；在掺氢比大于2.5% 后碳烟生成量峰值大幅升高且排放量也呈上升趋势。这主要是因为随缸内H2的增多，缸内燃烧温度升高，且H2的燃烧消耗了部分O2，营造了对碳烟生成较有利的高温缺氧氛围，从而使碳烟生成量升高。同时，由于H2的混入，在燃烧时使缸内的OH 活性自由基增多（见图7），随掺氢比的增大，其对碳烟的后期氧化反应作用显著增强。在以上两种影响的共同作用下，碳烟最终排放值呈现先降后升。而在相同掺氢比时，随EGR 率的增大，碳烟的后期氧化作用减弱，从而使最终排放量升高。

图7 不同EGR 率和掺氢比对OH 活性自由基生成量的影响

图8 不同EGR 率和掺氢比对碳烟生成量的影响

图9为不同EGR 率和掺氢比对CO 生成量的影响。如图9所示，相同掺氢比时，随EGR 率增大，CO生成量和最终排放量均小幅度升高。这是由于EGR率增大后，废气中CO2和H2O 等惰性气体比例增大，惰性气体比热容较大且缸内氧含量降低，最终导致缸内温度和燃烧温度降低（见图6），燃烧不完全。相同EGR 率时，随掺氢比增大，CO 生成量和最终排放量均升高。其主要原因是H2作为无碳燃料，其在缸内燃烧时仍需消耗部分O2，导致部分混合气出现不完全燃烧现象，从而使CO 生成量和排放量均升高。

图9 不同EGR率和掺氢比对CO 生成量的影响

图10为CO 排放稳定时（70°）不同EGR 率和掺氢比下CO 缸内分布。如图10所示，在相同EGR 率下，随掺氢比增大，CO 分布区域逐渐扩大且浓区主要集中于气缸顶部。这是由于缸内局部缺氧区域增加且气缸顶部附近温度、氧含量较低，导致生成大量CO。在相同掺氢比下，随EGR 率的增大，也呈现出相同的趋势。

图10 CO 排放稳定时（70°）不同EGR 率和掺氢比下CO 缸内分布

图11为不同EGR 率下掺氢比对NOx生成量和NO2/NOx排放比例的影响。如图11所示，在相同EGR 率时，随掺氢比增大，NOx生成量峰值升高，最终排放量先升后降，均在掺氢比为5.0% 时达到最高。一方面是因为掺氢后缸内燃烧温度明显升高，且在燃烧初期缸内氧含量较高，形成了较多高温富氧区域，促进NO 生成量快速升高；另一方面，掺氢使得缸内产生的OH 活性自由基增多，对NO 的生成也起到促进作用。但随着燃烧的发展，一部分NO 在缸内高温氛围下向着逆反应方向进行，一部分NO 被分解为N2和N［18］，且较高掺氢比时NO 在后期被逆向转化的程度更为显著，故在掺氢比为8.0% 时NOx的最终排放值低于掺氢比为5.0%时。此外，随着掺氢比增加，NO2/NOx比例逐渐减小。这主要因为掺氢比增加会导致缸内燃烧温度明显升高，部分NO2在高温氛围下被分解为NO［18］。

图11 不同EGR 率下掺氢比对NOx排放和NO2/NOx排放比例的影响

图12为不同EGR 率下剩余CH4质量分数随掺氢比的变化。如图12所示，相同掺氢比时，随EGR 率增大，剩余CH4增多，在掺氢比为零时增加趋势显著；相同EGR 率下，剩余CH4质量分数总体呈下降趋势，掺氢比小于2.5% 时剩余CH4质量分数下降较明显，而掺氢比大于2.5%时剩余CH4质量分数变化平缓。

图12 不同EGR 率下剩余CH4 质量分数随掺氢比的变化

图13为不同EGR 率和掺氢比下缸内剩余CH4质量浓度分布。如图13所示，掺氢后缸内壁面附近和气缸顶部的CH4质量浓度显著降低，在较高EGR率时更加明显。这主要是由于掺氢后缸内燃烧温度升高，火焰传播速度加快，使壁面附近及凹坑处的混合气燃烧更为充分。

图13 不同EGR 率和掺氢比下缸内剩余CH4质量浓度分布

图14为不同EGR 率和掺氢比下NOx排放和CH4排放之间的折中关系。如图14所示，增大EGR 率可降低NOx排放，但会导致剩余CH4质量分数升高，掺氢后可以在一定程度上改善这一矛盾。

图14 不同EGR 率和掺氢比下NOx排放和CH4 排放之间的折中关系

综上所述，低负荷工况下，EGR 率小于29% 而掺氢比小于2.5% 时，可以有效提升混合气燃烧速率，改善缸内燃烧品质，降低CH4和碳烟排放。

2.3 掺氧耦合EGR 对发动机燃烧特性的影响

图15为不同EGR 率下掺氧比对缸内燃烧过程的影响对比。如图15所示，在相同EGR 率下，随掺氧比增大，缸压和瞬时放热率峰值升高。这是由于掺氧后增加了缸内氧浓度及其分布区域，增大了燃料分子与氧分子之间的碰撞机率，有利于混合气着火燃烧，使滞燃期缩短，着火时刻提前，燃烧更加充分。如在EGR 率为18% 而掺氧比为4.0% 时，缸压与瞬时放热率峰值较相同EGR 率而掺氧比为0% 时分别升高了13.1%、9.6%。但与掺氢时相比，其燃烧速率与放热速率峰值明显降低。

图15 不同EGR 率下掺氧比对缸压和瞬时放热率的影响

图16为不同EGR 率下掺氧比对缸内最大压力升高率和最高燃烧温度的影响。如图16所示，在相同EGR 率下，随掺氧比增大，缸内压力升高率峰值和最高燃烧温度的整体趋势表现为不断升高。掺氧后使缸内氧浓度升高，增加了燃油分子与氧分子之间的高效碰撞，燃烧更充分。EGR 率为18% 而掺氧比为4.0% 时的缸内最大压力升高率和最高燃烧温度与相同EGR 率而掺氧比为0% 时相比分别升高了11.9% 和6.0%；掺氧比为4.0% 而EGR 率为37%时的缸内最高燃烧温度与相同掺氧比而EGR 率为18% 时相比降低4.0%。由此可知，掺氧可以弱化EGR 的稀释作用。在高EGR 率（37%）相同掺混比时，掺氢比掺氧时的最大压力升高率和最高燃烧温度分别升高22.5% 和5.1%，掺氢相比掺氧对改善缸内燃烧的作用更加显著。

图16 不同EGR 率下掺氧比对最大压力升高率和缸内最高燃烧温度的影响

2.4 掺氧耦合EGR 对发动机排放特性的影响

图17为不同EGR 率和掺氧比对缸内OH 活性自由基生成量的影响。如图17所示，在相同EGR率时，随掺氧比增大，OH 活性自由基生成峰值升高。如在EGR 率为37% 而掺氧比为1.0% 时，OH活性自由基质量分数峰值为1.26×10-3；与同EGR率且同掺氢比时相比降低14.9%。这是由于掺氢后缸内最高燃烧温度、压力较掺氧时更高，更利于OH活性自由基的生成。

图17 不同EGR率和掺氧比对OH活性自由基生成量的影响

图18为不同EGR 率和掺氧比对碳烟生成量的影响。如图18所示，在掺氧比为0% 时，随EGR 率增大，碳烟的生成量升高，后期的氧化不断减弱。在相同EGR 率时，随掺氧比的增大，碳烟的生成量有不同程度的降低，且其后期氧化不断增强，并最终以较低水平排出。主要原因为在掺氧后缸内局部缺氧区域减少，抑制碳烟生成，且在富氧、高温的环境下被氧化。在EGR 率为37% 而掺混比均为1.0% 时，掺氧比掺氢的碳烟生成量峰值减少了0.7%，最终排放量减少了21.2%。

图18 不同EGR 率和掺氧比对碳烟生成量的影响

图19为不同EGR 率和掺氧比对CO 生成量的影响。如图19所示，在相同EGR 率时，随掺氧比增大，CO 的生成量峰值和最终排放量均降低。较大EGR 率（37%）时，相同掺混比例（1.0%）下掺氧相比掺氢时的CO 最终排放量降低30.8%。主要原因为相比H2，O2作为助燃气体为缸内燃料燃烧时提供较好的燃烧环境，使混合气燃烧更充分，从而减少CO 生成和最终排放。

图19 不同EGR 率和掺氧比对CO 生成量的影响

图20为CO 排放稳定时（70°）不同EGR 率和掺氧比下CO 缸内分布。如图20所示，不同EGR率下随掺氧比增大，CO 最终排放均降低，缸内局部缺氧区域显著减少，CO 主要分布在气缸头部区域附近。

图20 CO 排放稳定时（70°）不同EGR 率和掺氧比下CO 缸内分布

图21为不同EGR 率下掺氧比对NOx排放和NO2/NOx排放比例的影响。如图21所示，在相同EGR 率时，随着掺氧比增大，NOx的生成量峰值和最终排放量均升高。主要原因是掺氧后增加了缸内氧浓度，缸内高温富氧区域增多，为NOx的生成提供了有利条件。此外，随着掺氧比增加，NO2/NOx比例整体趋于减小。这主要因为掺氧比增加使缸内燃烧温度明显升高，部分NO2在高温氛围下被分解 为NO［18］。在EGR 率为37% 而掺混比例为1.0% 时，掺氧与掺氢相比，NOx排放降低了12.1%。主要原因为相比掺氧，在相同EGR 率下掺氢时的缸内燃烧温度更高，为NOx生成提供了更有利的条件。

图21 不同EGR 率下掺氧比对NOx排放和NO2/NOx比例的影响

图22、图23分别为不同EGR 率和掺氧比对剩余CH4排放及缸内剩余CH4浓度分布的影响。如图22、图23所示，在引入相同比例EGR 率时，剩余CH4质量分数随掺氧比增大而降低。主要原因是掺氧后，O2比例增大使壁面淬熄和狭隙效应减弱，燃烧更为充分，燃烧室中心处、缸内壁面附近和凹坑处的CH4浓度明显降低。掺氧相比掺氢时的剩余CH4降低幅度较小。如在EGR 率为37% 而掺混比例为1.0% 时，掺氧时剩余CH4质量分数为2.6×10-5，与掺氢相比升高88.0%。这主要是因为在掺氧时缸内燃烧温度、压力、火焰传播速度及燃烧速率较掺氢时低，从而导致更多CH4未被氧化。

图22 不同EGR 率下剩余CH4质量分数随掺氧比的变化

图23 不同EGR 率和掺氧比下缸内剩余CH4浓度分布

图24为不同EGR 率和掺氧比下NOx排放和CH4排放之间的折中关系。如图24所示，高EGR率下掺氧效果显著，高EGR 率而低掺氧比可在较低碳烟、CO 排放的基础上较好地改善CH4排放与NOx排放之间的矛盾。

图24 不同EGR 率和掺氧比下NOx 排放和CH4 排放之间的折中关系

图25为不同EGR 率下不同掺混比例时，掺混H2与O2对排放的影响对比。如图25所示，与掺氢相比，不同EGR 率下掺氧对碳烟、CO 排放有显著降低作用。掺氧或掺氢均会导致NOx排放升高，但掺氧较无掺混时升高幅度较小；二者均使CH4排放降低，但在掺混比例较小时，H2的作用大于O2的作用，随掺混比例增大，掺氧后的降幅大于掺氢。在相同NOx排放和CH4排放水平情况下，掺氧的作用优于掺氢。

图25 不同掺混比例耦合EGR 对排放的影响

3 结论

（1）不同EGR 率下，掺氢后燃烧速率加快，缸压、瞬时放热率峰值及最大压力升高率显著升高，CH4排放总体下降；NOx排放在掺氢比为5.0% 时最大，在掺氢比大于5.0% 时部分NO 高温下被分解，NOx排放降低；随掺氢比增加，更多O2被H2燃烧所消耗，CO 生成增多且氧化减弱。碳烟排放在掺氢比大于2.5% 时也显著增加。

（2）不同EGR 率下，掺氧利于混合气着火燃烧，缸压、瞬时放热率峰值及最大压力升高率升高，NOx排放增加；随掺氧比的增加，碳烟和CO 后期氧化增强，最终排放降低；O2比例增大减弱了壁面淬熄和狭隙效应，剩余CH4质量分数降低。

（3）与掺氢相比，掺氧对碳烟、CO 排放有显著降低作用，在EGR 率为37% 而掺混比为1.0% 时，掺氧比掺氢的碳烟排放少21.2%，CO 排放少30.8%；掺氧时的剩余CH4降低幅度较小，在EGR率为37% 而掺混比例为1.0% 时，掺氧时剩余CH4质量分数与掺氢相比升高88.0%。

（4）在EGR 率小于29% 而掺氢比小于2.5%时，掺氢可以在较低CO、碳烟排放的同时降低CH4排放；在高EGR 率时掺氧作用显著，CH4和NOx排放之间的折中关系得到改善。