大负荷下柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性数值模拟

张光德，罗 露，宋 巍，张嘉诚

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081）

1 引言

在能源与环境的双重压力下，内燃机节能减排技术越来越得到重视。对于柴油-天然气双燃料发动机在大负荷下工作，其最大的弊端便是工作粗暴，导致燃烧与排放性能不理想，采用合适的燃烧策略可以有效改善这一缺陷。国内诸多学者对其做了相关研究，研究表明，预喷燃油燃烧放热可以缩短主喷的着火滞燃期，提前放热导致缸内温度升高。后喷放热可以氧化Soot，同时较大的后喷油量可以改善NOx的排量。故采用多次喷射技术可以改善发动机缸内燃烧过程，降低Soot和NOx的排放，优化二者的trade-off关系[1-2]。经济性方面[3]，引燃柴油只是作为着火火源，能量主要来源于价格便宜的天然气，故比纯柴油节约了12%左右的费用。这方面的研究国外不少学者也做过相应研究，其中包括文献[4]的综述。结合RCCI燃烧技术，探究在大负荷工况下主预喷时刻对柴油-天然气双燃料发动机燃烧与排放的影响，进一步开发柴油-天然气双燃料RCCI的燃烧潜力，降低发动机的工作粗暴倾向。

2 燃烧模型的建立与验证

2.1 试验用发动机基本参数

模型以TBD620柴油机为研究对象，根据其燃烧室的几何模型尺寸[5]在CATIA上建立发动机气缸模型，完成模型表面检查、边界划分、网格设置等初步设定，再根据具体工况条件设定相应的子模型（喷雾模型、燃烧模型等），最后进行计算，完成模型的建立。该发动机主要技术参数[6]，如表1所示。

表1 发动机技术参数Tab.1 Engine Technical Parameters

2.2 几何模型和边界划分

为了提高计算效率，本研究省去了发动机的进排气管道和进排气门，采用该气缸的1∕6扇形模型进行。本研究模拟的是从进气门关闭时刻（IVC）到排气门开启时刻（EVO）的整个过程，整个模型的边界划分为：活塞、气缸壁、前端面、气缸盖、后端面五个部分，划分情况，如图1所示。

图1 1∕6气缸模型边界划分Fig.1 1∕6Boundary Division of Cylinder Model

2.3 模型工作过程的建立

柴油通过缸内直喷的方式喷入气缸，在缸内经历碰撞、破碎、蒸发等一系列复杂的雾化过程后，再进行压缩膨胀燃烧等过程，在该仿真软件的物理模型设置模块里有关于喷雾、燃烧、湍流模型的设定，结合工况对这三个模型进行合理地设置，可以有效模拟燃油在缸内的变化过程。在进行喷雾设定时，喷雾破碎模型采用KHRT模型、油滴蒸发选用Frossling模型。在该软件喷雾设置这块建立了两个喷油器（Injector0和Injector1）且安装在同一位置。

在进行燃烧设定时，选用SAGE燃烧模型。此外，为了更真实地模拟柴油的喷雾过程，用正十四烷（C14H30）代替柴油模拟其喷射、混合等过程，蒸发后转变成正庚烷（C7H16）代替柴油进行燃烧计算[7]。

在进行湍流设定时，采用雷诺时均方式（RANS）对缸内湍流建模，选用RNG k-ε湍流模型模拟缸内气体湍流运动。

利用SAGE燃烧模型进行计算时，需提供相应的反应机理文件[8-10]。为保证计算精度将网格基本尺寸设置为2mm，上止点时1∕6气缸剖面图，如图2所示。在喷孔喷雾区域、活塞、气缸盖和边界区域等采用嵌入式加密，对缸内流场参数（如：速度、温度）采用自适应加密（AMR）。模型验证所采用的工作参数[6]，如表2所示。

图2 上止点1∕6气缸模型剖面Fig.2 Upper Dead Center 1∕6 Cylinder Model Section

表2 发动机工作参数Tab.2 Engine Working Parameters

为保证模型的可靠性，将算出的实验与文献[6]的研究结果进行对比分析。模型验证结果，如图3所示。可以看到缸压和放热率的大致走向是比较吻合的，燃烧相位基本一致。由于所采用的气缸为简化模型，且各种不确定因素，导致验证结果有一定的误差，但是在可接受范围之内，符合模拟研究的要求。

图3 模型验证的缸压和放热率Fig.3 Model Verified Cylinder Pressure and Heat Release Rate

3 柴油喷射时刻对双燃料发动机燃烧与排放的影响

在柴油引燃缸内直喷天然气发动机中，喷射时刻对燃烧有着至关重要的影响。大量数据表明，采用多次喷射燃烧策略能精确控制喷射时间，灵活地改变喷油提前角等相关参数，促进缸内燃油分层，进而改善发动机缸内燃烧过程。在柴油的二次喷射模式下，第一次喷射时刻为预喷时刻SOI1，第二次喷射时刻为主喷时刻SOI2。

3.1 柴油预喷时刻对燃烧与排放的影响

本研究选取的预喷时刻为模型标定的上止点前92.7°CA附近的参数，分别为上止点前90°CA、95°CA、100°CA、105°CA、110°CA，其它条件与模型标定时保持一致。不同预喷时刻的缸压曲线，如图4所示。不同预喷时刻的放热率曲线，如图5所示。

图4 不同预喷时刻的缸压曲线Fig.4 Cylinder Pressure Curve at Different Pre-Injection Time

图5 不同预喷时刻的放热率曲线Fig.5 Heat Release Rate Curve at Different Pre-Injection Time

由图4和图5可知，在大负荷下，当预喷时刻SOI1从上止点前90°CA提前到上止点前105°CA时，随着预喷时刻的提前，缸内峰值压力增大，对应的峰值相位也随之推迟；放热率峰值逐渐增大，峰值相位基本不变，柴油的冷焰反应略微下降。

这是因为随着预喷时刻的提前，缸内混合气混合更加充分，放热提前，进而提升了主喷时缸内的压力和温度，使主喷滞燃期缩短，主燃接近上止点，压力升高。而当预喷时刻为-110°CA ATDC时，缸压和放热率峰值均有所降低。喷油时刻过早导致缸内油气来不及充分混合，从而影响燃烧放热。由此可知，一定范围内提前预喷时刻，油气混合更充分促进燃烧，但过早的预喷时刻会导致燃烧不充分。不同预喷时刻对燃烧性能指标的影响，如图6所示。

图6 不同预喷时刻对燃烧性能指标的影响Fig.6 Influence of Different Pre-Injection Time on Combustion Performance

由图6可知，IMEP（平均指示缸内压力）、燃烧效率等均在SOI1=-105°CA ATDC时出现最大值，以此可知在大负荷工况下，一定范围内的较早的预喷可以改善燃烧过程，提高发动机的动力性和经济性，但过早的预喷会影响燃烧，降低动力性和经济性。大负荷下不同预喷时刻的缸内温度分布云图，如图7所示。

图7 大负荷下不同预喷时刻的缸内温度分布云图Fig.7 Cloud Map of Temperature Distribution in Cylinder at Different Pre-Injection Time Under High Load

从图中可看到燃料在气缸的中心着火燃烧后开始扩散，且预喷时刻越提前，火焰扩散得越快故在缸内分布得越均匀，更有助于燃烧。而高温区主要是由柴油引燃的天然气射流燃烧形成[11]。结合上文可知随着预喷时刻提前，油气混合越充分，提高了燃烧效率和指示热效率。因此，大负荷工况下一定范围内的提前预喷更有利于燃烧。

不难看出当SOI1=（-90～-105）°CA ATDC时随着预喷时刻提前，NOx的排放量逐渐升高而Soot、HC和CO均在降低；而当SOI1=（-105～-110）°CA ATDC时NOx的排放量迅速下降而HC、CO上涨，如图8、图9所示。

图8 不同预喷时刻NOx和Soot累积排放量Fig.8 Accumulated Emission of NOx and Soot at Different Pre-Injection Time

图9 不同预喷时刻HC和CO累积排放量Fig.9 Accumulated Emission of HC and CO at Different Pre-Injection Time

结合图4和图5可知，当SOI1=（-90～-105）°CA ATDC时随着预喷时刻的提前，缸内油气混合更加均匀，燃烧更加充分，而NOx易产生于高温富氧的环境，后喷放热促进了Soot、HC和CO的氧化。因此，NOx的排放量在SOI1=-105°CA ATDC时达到最大，Soot、HC和CO在此时刻排放量最小。

3.2 柴油主喷时刻对燃烧与排放的影响

这里取的主喷时刻为模型标定的上止点前20.4°CA，分别为上止点前10°CA、15°CA、20°CA、25°CA、30°CA，其它条件与模型标定时保持一致。主喷时刻在-10°CA ATDC～-25°CA ATDC之间时随着主喷时刻的提前，缸压和放热率均有不同程度的上升，而当主喷时刻为-30°CA ATDC时，二者的值均下降了，如图10、图11所示。

图10 不同主喷时刻的缸压曲线Fig.10 Cylinder Pressure Curve at Different Main Injection Time

图11 不同主喷时刻的放热率曲线Fig.11 Heat Release Rate Curve at Different Main Injection Time

且当预喷时刻为-30°CA ATDC时，柴油引起的焰前反应比其它情况都大，极大降低了燃烧效率。这是因为临近上止点，缸内压力温度都较高，主喷时刻提前使燃料更快喷入气缸进行放热，故缸内压力温度均在上升，而当主喷时刻过于提前时即活塞离上止点较远的情况下喷油，会导致燃烧提前，焰前反应增大，在压缩冲程末端只有较少量的燃油在燃烧，释放的能量较低，故缸温缸压下降。综上，主喷时刻在-20°CA ATDC～-25°CA ATDC之间燃烧状况较为理想。

大负荷下不同主喷时刻的缸内温度分布图，如图12所示。由图可知主喷时刻为-20°CA ATDC时燃料在气缸中心着火燃烧并迅速向周围扩散，缸内的温度分布较为均匀，而其他两种情况存在着火延迟、缸内温度太低和温度分布不均匀等问题，故一定范围内提前主喷时刻可改善燃烧过程。

图12 大负荷下不同主喷时刻的缸内温度分布云图Fig.12 Cloud Map of Temperature Distribution in Cylinder at Different Main Injection Time Under High Load

IMEP（平均指示缸内压力）、指示热效率和燃烧效率在主喷时刻为-20°CA ATDC～-25°CA ATDC间取得较好值，这时燃烧状况最佳，发动机的动力性、经济性较好，如图13所示。

图13 不同主喷时刻对燃烧性能指标的影响Fig.13 Influence of Different Main Injection Time on Combustion Performance

四种污染物的累积排放量，如图14、图15所示。给出了由图可知，主喷时刻在-10°CA ATDC～-25°CA ATDC之间时Soot、HC和CO的排放量呈下降趋势而NOx的量持续上升，但在-25°CA ATDC～-30°CA ATDC时与上述情况恰好相反。原因是随着主喷时刻的提前，缸内压力和温度上升，生成大量NOx的同时也促进了Soot、HC和CO的氧化反应；而主喷时刻过于提前时，缸内燃烧情况不佳，压力和温度较低，故与上述情况相反。考虑到NOx的数量级比其他三个排放物的小得多，将主喷时刻设在（-20～-25）°CA ATDC时的污染物排放量最小。

图14 不同主喷时刻NOx和Soot累积排放量Fig.14 Accumulated Emission of NOx and Soot at Different Main Injection Time

图15 不同主喷时刻HC和CO累积排放量Fig.15 Accumulated Emission of HC and CO at Different Main Injection Time

4 结论

（1）大负荷工况下当预喷时刻在（-90～-105）°CA ATDC时，提前预喷时刻可提高IMEP、燃烧效率和指示热效率等多个参数，但过早的预喷时刻使这些参数有所下降，影响燃烧。当预喷时刻为（-100～-105）°CA ATDC时排放最优，故（-100～-105）°CA AT‐DC之间的预喷时刻能提高燃烧效率，降低大负荷工况下发动机工作粗暴的倾向。（2）大负荷工况下当主喷时刻为（-10～-25）°CA ATDC时，随着主喷时刻的提前，燃料燃烧越充分，燃烧效果越好，但当主喷时刻为-30°CA ATDC时，IMEP、指示热效率和燃烧效率等均有不同程度的降低，且尾气排放量也在增加，故在（-20～-25）°CA ATDC之间的主喷时刻能提高发动机的动力性、经济性和排放性，稳定燃烧过程。（3）在大负荷工况下，燃烧相位并没有随喷射时刻的提前而有太大的变化，但发动机的性能得到了提升，而过早的喷射正时反而会降低发动机的性能，影响燃烧。