噴射壓力對(duì)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

李玉蘭，王 謙，芮 璐，邵長勝

(1. 江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

0 引 言

高效清潔的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)需求不斷增加。其中，微量柴油引燃天然氣缸內(nèi)高壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)因其良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能受到關(guān)注。近年來，采用缸內(nèi)高壓直噴柴油/天然氣技術(shù)引燃可靠性好，燃燒穩(wěn)定性和排放性能得到顯著提高，對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)柴油引燃缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開展了廣泛的研究。趙睿等[1]研究了船用柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣體燃料中摻入氫氣對(duì)燃燒和排放的影響。王雨心等[2]通過調(diào)節(jié)柴油和天然氣的噴射，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式，進(jìn)而改善燃燒，研究了噴射策略對(duì)引燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排放和性能的影響。徐向[3]通過試驗(yàn)與仿真探究了部分預(yù)混燃燒模式中預(yù)噴比例、預(yù)噴提前角及渦流比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響。張寧等[4]通過建立三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）柴油/天然氣雙燃料噴射模型，研究不同 EGR 率對(duì)高壓直噴（HPDI）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響。Saeed等[5]試驗(yàn)研究了使用柴油/天然氣和柴油/天然氣燃料輕型發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫燃燒。Yousefi等[6]研究了高低負(fù)荷和高低轉(zhuǎn)速條件下柴油噴射時(shí)刻對(duì)天然氣柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響。Wei等[7]分析了天然氣柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排放和性能。Poorghasemi等[8]數(shù)值模擬研究了直噴策略對(duì)柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性。江蘇大學(xué)采用同軸噴射策略對(duì)柴油引燃天然氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧和燃燒開展了試驗(yàn)和模擬研究[9-10]。

國內(nèi)針對(duì)天然氣噴射壓力對(duì)柴油引燃天然氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧和燃燒是影響研究較多，而國外較少。李夢(mèng)涵等[11]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性工作時(shí)的燃燒循環(huán)變動(dòng)，試驗(yàn)分析了轉(zhuǎn)速、天然氣噴射壓力、天然氣噴射提前角對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響。康佳明等[12]進(jìn)行在定容彈上利用紋影法開展了不同噴射壓力和噴射間隔下的天然氣/柴油雙燃料噴射中天然氣射流特性研究。周洋[13]對(duì)微量柴油引燃天然氣燃燒過程可視化研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著噴射脈寬和噴射壓力的增加，此時(shí)柴油的動(dòng)能以及湍流強(qiáng)度增加，提高了點(diǎn)火能量，使得火焰投影面積空間分布更加廣泛，加快了火焰投影面積的變化速率。Ying等[14]模擬研究了噴射壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響。王雨心等[15]研究了減少排放噴射時(shí)刻、噴射壓力和噴射間隔3種噴射參數(shù)對(duì)引燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排放和性能的影響。Li等[16]采用數(shù)值模擬的方法，分析了不同天然氣噴射壓力和噴射時(shí)刻，對(duì)低負(fù)荷工況下柴油機(jī)/天然氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程以及排放的影響。

船用柴油引燃天然氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣噴射壓力達(dá)100~300 bar，采用同軸噴射策略試驗(yàn)條件受限，因此，有必要借助數(shù)值計(jì)算手段對(duì)燃料噴射、混合及燃燒過程進(jìn)行研究分析。本文在定容燃燒彈內(nèi)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)附近的高溫高壓環(huán)境，利用CONVERGE軟件計(jì)算分析不同天然氣噴射壓力對(duì)采用同軸噴射策略下柴油引燃天然氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的射流燃燒及排放的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型的建立

計(jì)算區(qū)域選在定容燃燒彈內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)附近的高溫高壓環(huán)境，參考實(shí)際定容彈規(guī)格設(shè)計(jì)幾何尺寸，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將定容彈模型進(jìn)行縮小，使其能完全包含燃料發(fā)展區(qū)域即可。天然氣、柴油均采用單孔噴嘴，由于天然氣噴孔傾斜設(shè)置，故將頂面設(shè)計(jì)為斜切面，使得上表面與天然氣噴射方向垂直，從而實(shí)現(xiàn)柴油和天然氣噴射方式為同軸噴射。基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為4 mm，同時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格加密，根據(jù)流場(chǎng)中速度、溫度梯度自動(dòng)加密網(wǎng)格，在柴油噴嘴和天然氣噴孔附近分別設(shè)置噴嘴加密和圓柱加密。研究幾何模型及計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 幾何模型及計(jì)算網(wǎng)格Fig. 1 Geometric model and computational grid

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中，柴油在上止點(diǎn)前噴入氣缸，此時(shí)缸內(nèi)溫度、壓力達(dá)到850 K，4 MPa左右，基本參數(shù)及方案如表1所示。

表1 基本參數(shù)Tab. 1 Basic parameters

1.2.2 物理模型

噴霧模型選用KH-RT模型，綜合考慮了沿氣液界面切向擾動(dòng)波和沿氣液界面法向擾動(dòng)波對(duì)破碎過程的影響。燃燒模型采用適用于雙燃料燃燒的SAGE模型。排放模型中NOx生成模型選用Extended Zeldovich，Soot生成氧化模型選用Hiroyasu Soot模型，湍流模型采用了普遍適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的RNGk-ε模型。

1.2.3 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型可靠性，與在定容彈內(nèi)得到的冷態(tài)雙燃料噴霧試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種結(jié)合PIV和紋影法的雙燃料噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括定容彈、雙燃料噴射系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，雙燃料噴射系統(tǒng)在定容彈內(nèi)實(shí)現(xiàn)了雙燃料直噴，此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙燃料噴射混合過程的可視化研究，獲得了定容彈內(nèi)環(huán)境氣體的速度場(chǎng)和天然氣射流圖像。以天然氣啟噴時(shí)刻作為0時(shí)刻，圖2對(duì)比了雙燃料工況下天然氣噴射壓力為5 MPa噴射間隔為0.5 ms的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果。可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，但是由于天然氣射流貫穿距的計(jì)算結(jié)果較大，天然氣射流更早的與柴油噴霧接觸。模擬中的天然氣射流輪廓與實(shí)驗(yàn)中的天然氣射流輪廓基本相同，天然氣射流速度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果也呈現(xiàn)出與PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的規(guī)律。而且本文的模擬結(jié)果與袁小飛[17]得到的定容彈內(nèi)天然氣射流模擬結(jié)果相近。綜合而言，模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可以基于該計(jì)算模型開展進(jìn)一步研究。

圖2 實(shí)驗(yàn)和模擬得到雙燃料濃度結(jié)果對(duì)比Fig. 2 Comparison of experimental and simulated results of dual fuel concentration

2 模擬結(jié)果及分析

為了更好地研究天然氣噴射壓力對(duì)船用柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，選擇13.5 MPa，15.7 MPa，18.7 MPa，21.5 MPa，24 MPa等幾種天然氣噴射壓力條件下模擬分析了其對(duì)船用柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴射及燃燒排放的影響。

2.1 天然氣噴射壓力對(duì)燃燒過程的影響

研究表明，烴類燃料燃燒過程中會(huì)大量出現(xiàn)OH等自由基，可以將大量出現(xiàn)OH的時(shí)刻作為燃料的著火時(shí)刻[18]。圖3和圖4分別為不同天然氣噴射壓力下放熱率和OH生成質(zhì)量曲線。由圖3可以看出，柴油著火時(shí)刻為1.1 ms左右，因此，設(shè)定天然氣噴射時(shí)刻為1.15 ms。由圖3和圖4可知，天然氣噴射壓力越大，天然氣滯燃期越短，著火越快，著火持續(xù)期也越短，燃燒后期放熱率低，總放熱量少。由速度和溫度分布知道，天然氣噴射壓力越大，射流速率越大，與周圍氣體混合更充分，也更早抵達(dá)柴油著火區(qū)，因此，滯燃期短，著火前期燃燒反應(yīng)劇烈，放熱明顯。燃燒中后期，較高壓力噴射的天然氣由于噴射持續(xù)期短，噴射結(jié)束早，動(dòng)能衰減快，與周圍氣體作用減弱，混合質(zhì)量差，燃燒不充分，從而導(dǎo)致放熱率下降。

圖3 不同天然氣噴射壓力下放熱率曲線Fig. 3 Heat rate curve under different injection pressure of natural gas

圖4 不同天然氣噴射壓力下OH生成質(zhì)量Fig. 4 OH formation quality under different injection pressures of natural gas

2.2 天然氣噴射壓力對(duì)排放的影響

圖5 不同天然氣噴射壓力下CO排放量Fig. 5 CO emission under different injection pressures of natural gas

圖5為不同天然氣噴射壓力下CO排放量。CO是HC燃料在燃燒過程中生成的主要中間產(chǎn)物，燃料與空氣混合不均是CO生成的主要原因。天然氣燃燒前期，噴射壓力越大，混合氣越均勻，對(duì)天然氣擴(kuò)散燃燒越有利，燃燒更充分，所產(chǎn)生的CO越少，同時(shí)，由溫度分布可知，此時(shí)天然氣燃燒所形成的高溫區(qū)域面積更大，溫度更高，有利于CO氧化成CO2，從而降低CO排放。到了燃燒后期，天然氣動(dòng)量衰減，噴射壓力越大，同一時(shí)刻動(dòng)量越小，與周圍氣體混合越差，燃料燃燒不完全，CO生成量增加。

圖6為燃燒過程中HC排放質(zhì)量圖。從圖中可以看出，在天然氣噴射前HC排放量緩慢增加，但總體排放較少，這是因?yàn)閷?duì)于柴油微引燃天然氣直噴技術(shù)，引燃柴油量很少，柴油噴入定容彈后，氧氣充足，燃燒較充分，因此，由柴油燃燒產(chǎn)生的HC排放較少；天然氣噴射階段，隨著噴氣壓力的提高，HC排放速率加快，此時(shí)的HC化合物的主要成分是不斷噴入定容彈內(nèi)的CH4氣體，噴射壓力越高，單位時(shí)間內(nèi)氣體噴射量越多，導(dǎo)致HC質(zhì)量增長加快；天然氣燃燒初期HC排放量隨噴氣壓力的升高而略有降低，主要是因?yàn)楦邍娚鋲毫ο碌奶烊粴馍淞靼l(fā)展速度更快，更早接觸火焰核心被引燃，同時(shí)也更易形成均勻混合氣，燃燒更充分，CH4消耗量較大，HC質(zhì)量稍有下降；在燃燒末期，高噴氣壓力下HC排放量明顯增加，這是因?yàn)楫?dāng)天然氣噴射壓力過高時(shí)，射流運(yùn)動(dòng)速度快，噴束湍動(dòng)能強(qiáng)，湍流拉伸率高，使火焰中產(chǎn)生的活性自由基失效，燃燒反應(yīng)鏈中斷，火焰前鋒面產(chǎn)生局部淬熄現(xiàn)象，從而導(dǎo)致HC排放量增加。

圖6 不同天然氣噴射壓力下HC排放量Fig. 6 HC emissions under different injection pressures of natural gas

圖7為不同天然氣噴射壓力下NOx排放量。空氣中的N2被氧化生成NO，NO是NOx的主要成分，高溫、富氧、足夠的高溫停留時(shí)間是NO生成的三大條件。由圖7可知，當(dāng)溫度低于1 800 K時(shí)，NO生成速率極低，而當(dāng)溫度達(dá)到2 000 K時(shí)，NO生成速率呈指數(shù)函數(shù)急劇增加。在天然氣燃燒前期，高噴射壓力下混合氣含氧量高，燃燒更快，NOx生成量多，但由于低溫天然氣射流穿過柴油著火區(qū)域降低了燃燒區(qū)域溫度，使得NOx生成量并未明顯增多。在燃燒后期，天然氣逐漸被引燃溫度升高，高溫區(qū)范圍擴(kuò)大，燃料燃燒過程中在高溫區(qū)域停留時(shí)間長，NOx生成量顯著增加，噴射壓力較高時(shí)，混合不充分，燃燒不完全，放熱量少，NOx相對(duì)較少。

圖7 不同天然氣壓力噴射下NOx排放量Fig. 7 NOx emission under different natural gas pressure injection

圖8為不同天然氣噴射壓力下Soot排放量。燃燒過程中Soot形成過程非常復(fù)雜，包括一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，目前關(guān)于Soot還沒有形成完整的化學(xué)燃燒理論。高溫和濃混合氣利于烴燃料發(fā)生裂解反應(yīng)生成碳煙。由圖8可知，由于天然氣燃燒程度的不同，隨著天然氣噴射壓力增大，Soot排放的變化趨勢(shì)較復(fù)雜。在天然氣燃燒1.5 s時(shí)刻前，隨著噴射壓力增大，混合氣混合均勻，產(chǎn)生的Soot少，因此對(duì)Soot排放影響較小；在天然氣燃燒1.5~1.8 s時(shí)刻，隨著噴射壓力增大Soot排放減少。在天然氣燃燒2.3 s時(shí)刻后，到了燃燒后期，隨著噴射壓力增大Soot排放增大。這是因?yàn)榈搅巳紵笃冢烊粴馊毖跞紵琒oot生成量增加。

圖8 不同天然氣壓力噴射下Soot排放量Fig. 8 Soot emission under different natural gas pressure injection

2.3 天然氣噴射壓力對(duì)流場(chǎng)的影響

圖9給出了天然氣噴射壓力為13.5 MPa和21.5 MPa條件下，在1.2 ms和1.4 ms時(shí)的燃燒室內(nèi)速度場(chǎng)分布情況。從速度矢量圖可以看出，高壓噴射的天然氣射流對(duì)定容彈內(nèi)速度場(chǎng)分布具有重要影響。在天然氣噴射過程中，高噴射壓力使得噴束運(yùn)動(dòng)速率快，天然氣射流側(cè)面與周圍氣體速度差較大，天然氣與周圍氣體存在強(qiáng)烈的動(dòng)量交換，這導(dǎo)致在天然氣射流側(cè)面形成了一個(gè)剪切力，使這部分天然氣不斷地與周圍氣體混合，帶動(dòng)周圍氣體運(yùn)動(dòng)，將周圍的氣體卷吸入天然氣射流中，天然氣射流周圍因這種卷吸作用形成湍流渦旋。當(dāng)天然氣噴出后，天然氣射流的中心區(qū)域速度很快，沿天然氣射流徑向，從射流中心到射流邊緣，天然氣速度快速下降；沿天然氣射流軸向，從射流底部到射流頭部，天然氣速度逐漸下降。隨著時(shí)間的發(fā)展，天然氣射流頭部的速度逐漸下降，而射流底部仍保持較快的速度。當(dāng)天然氣停止噴射后，天然氣射流底部的速度快速下降，天然氣射流內(nèi)部的速度趨于一致。噴氣壓力越大，射流動(dòng)能越大，與周圍氣體相互作用越劇烈，天然氣擴(kuò)散混合更充分，縮短了天然氣的滯燃期。噴氣結(jié)束后，射流對(duì)流場(chǎng)分布影響減弱，在天然氣噴射時(shí)刻相同的情況下，噴氣壓力越大，噴射持續(xù)期越短，噴氣結(jié)束越早，對(duì)后期流場(chǎng)影響越小。此外，天然氣射流在穿過柴油著火區(qū)時(shí)，由于火焰中心高溫高壓，天然氣所受阻力大。同時(shí)，相比于沖擊較穩(wěn)定的空氣，沖擊柴油火焰使得天然氣頭部受到更大擾動(dòng)，天然氣射流頭部的湍流強(qiáng)度更大，湍流運(yùn)動(dòng)會(huì)造成能量的耗散，湍流運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，能量耗散越大，這也是天然氣發(fā)展后期動(dòng)量明顯減小的原因之一。噴射壓力越大，天然氣沖擊柴油已燃區(qū)受到的阻力和擾動(dòng)越大，動(dòng)量衰減越快。

圖9 21.5 MPa和13.5 MPa天然氣壓力下速度場(chǎng)分布Fig. 9 Velocity field distribution under 21.5 MPa and 13.5 MPa natural gas pressure

圖10給出了天然氣噴射壓力為13.5 MPa和21.5 MPa下的溫度場(chǎng)分布情況。從溫度變化可以看出，噴氣壓力越大，天然氣射流速率越快，更早接觸到柴油已燃區(qū)，并迅速穿過火焰中心向前發(fā)展，柴油隨即逐漸引燃天然氣。由于越高的噴射壓力下天然氣與周圍氣體混合程度更高，因此天然氣燃燒速率更快。同時(shí)，天然氣射流在穿過柴油著火區(qū)時(shí)會(huì)攜帶小部分柴油火焰向前發(fā)展，噴射壓力越大攜帶的火焰相對(duì)更多，所以在被引燃過程中著火范圍更廣。

圖10 天然氣噴射壓力為21.5 MPa和13.5 MPa時(shí)溫度場(chǎng)分布Fig. 10 Temperature field distribution of natural gas injection pressure of 21.5 Mpa and 13.5 Mpa

3 結(jié) 語

在定容彈內(nèi)充入高溫高壓空氣，模擬計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)前的工況，研究了不同天然氣噴射壓力對(duì)燃料噴射、燃燒、排放的影響，得出結(jié)論如下：

天然氣噴射壓力越大，天然氣滯燃期越短，著火越快，著火持續(xù)期也越短，燃燒后期放熱率低，總放熱量少。

天然氣噴射壓力越高，NOx排放越低，HC排放越高，在天然氣燃燒前期Soot和CO排放低，噴射后期Soot和CO排放高。

天然氣噴射壓力越高，噴射階段射流速度動(dòng)能越大，與周圍氣體混合越均勻，接觸柴油引燃區(qū)域時(shí)間更早，燃燒更充分。噴射結(jié)束后天然氣射流速度衰減較快，不利于燃料的混合與燃燒。