缸內直噴雙燃料發動機噴孔數對性能影響研究*

張宇寬 王 謙 帥志杰 芮 璐

（江蘇大學能源與動力工程學院 江蘇 鎮江 212013）

引言

近年來環境污染問題和能源緊缺問題日益嚴重，天然氣因其綠色環保、安全可靠、儲量豐富的特點，成為傳統內燃機最具潛力的替代燃料之一[1-2]。常規的天然氣發動機采用火花塞點火、天然氣進氣道或進氣歧管噴射的方式，存在壓縮比低、充氣效率差的問題，而缸內直噴雙燃料發動機采用微量柴油引燃模式和天然氣缸內高壓直噴進氣模式，利用微量柴油壓燃產生的高溫和自由基引燃直接被高壓噴射進入缸內的天然氣。因此能夠使用與柴油機相仿的壓縮比，并且天然氣進氣完全不影響發動機進氣，這使得缸內直噴雙燃料發動機相比于常規天然氣發動機具有燃燒效率高、動力性強的優勢[3-6]。

天然氣的主要成分為甲烷，分子式為CH4，標準狀態下密度為0.717g/L，是一種低密度氣體燃料，這就造成了燃料在缸內的擴散不利，而且天然氣的火焰傳播速率較慢[7]，并且直噴雙燃料發動機燃燒室內主要發生擴散燃燒，所以天然氣發動機噴射器參數對缸內燃燒具有重大影響。許多學者都對其進行了深入的研究，但都集中于進氣道噴射發動機，哈爾濱工程大學Enzhe Song，Zhenting Liu[8]研究發現采用交叉多孔氣體噴嘴結構有助于形成更均勻的氣體混合物，有利于缸內燃燒。濟南大學蔡少娌等[9]用數值模擬和實驗方法研究了噴射壓力和噴孔數對天然氣射流貫穿距的影響，并對天然氣射流在進氣歧管內的發展過程進行了模擬研究。在柴油引燃天然氣高壓缸內直噴發動機方面目前國內只有江蘇大學韓丹等人[10]研究了柴油噴孔和天然氣噴孔間幾何關系對缸內燃燒的影響，研究結果表明噴孔間幾何關系會對發動機性能造成顯著影響。不列顛哥倫比亞大學的SILVRJ DUMITRESCU[11]通過實驗發現，天然氣孔數對發動機穩定性有影響，但是該實驗結論是建立在實驗采用的西港公司開發的雙燃料噴射器（US application patent：US005996558A）的特性基礎之上：該噴射器的前端會產生旋轉，使柴油噴孔和天然氣噴孔相對夾角發生周期性變化。不同的天然氣噴孔在旋轉時與柴油噴孔的平均夾角不同造成了發動機穩定性的差異。

高壓直噴雙燃料發動機的燃料全部都由噴射器射入缸內，噴射器參數直接影響缸內燃料分布和著火情況，燃燒室內的燃燒既與火花塞點火的傳統汽油機不同，也與柴油機有很大差距。本文利用converge 軟件建立直噴雙燃料發動機模型，模擬研究天然氣噴孔孔數對發動機燃燒和排放的影響。

1 發動機相關參數

本文基于一臺由康明斯ISX 車用發動機改造而成的天然氣缸內直噴雙燃料發動機建立模型，發動機與噴射器參數如表1 所示。原機燃燒室為ω 形，為了節約計算成本，不考慮進排氣過程，計算區域僅包括燃燒室和氣缸，不包括進排氣道，如圖1 所示。

圖1 上止點時燃燒室模型剖視圖

表1 發動機基本參數

進氣造成的流場影響以渦流比方式修正，渦流比定義為1.3。計算時間由進氣門關閉時刻-172°CA ATDC 持續到排氣門開啟時刻142°CA ATDC。天然氣與柴油采用雙燃料同軸噴射器噴射入缸內，原機孔數均為8 孔且柴油噴孔與天然氣噴孔夾角為0°，如圖2 所示。

圖2 噴孔位置示意圖

本研究保持柴油噴孔參數不變，改變天然氣噴孔孔數，研究其對發動機燃燒及排放特性的影響。為了控制不同孔數造成的2 種噴孔夾角變化，每次改變孔數時，均保持俯視角水平方向上總有一組噴孔相互對齊。

2 計算模型

計算所選用模型如表2 所示。

表2 計算模型

本文采用甲烷（CH4）作為天然氣的參比燃料，正庚烷（C7H16）作為柴油化學反應替代物，用正十四烷（C14H30）模擬柴油物理特性。反應機理選用Rahimi[11]基于CH4的GRI 3.0 機理與NC7H16的Valeri 機理整合的簡化柴油-天然氣雙燃料燃燒反應機理，包含76 個組分，464 步反應。

3 模型驗證

本文以加拿大不列顛哥倫比亞大學雙燃料發動機實驗數據[12]驗證模型的有效性，選用工況如表3 所示。圖3 為實驗和模擬缸壓及放熱率曲線，模擬結果與國外實驗結果基本吻合，圖4、5 為排放結果對比，可以看出NOx排放結果吻合得較好，soot 模擬生成量小于實驗生成量。為了控制模擬計算時間在較為合理的長度內，采用單一組分正庚烷作為柴油化學反應替代物，因此碳煙前驅物生成量較少，soot 模擬值與實際產生量相比較低，但誤差（小于18%）仍在可接受范圍內，可以基于此模型進行研究。

表3 驗證工況

圖3 缸壓和放熱率結果對比

圖4 NOx 排放結果對比

圖5 soot 排放結果對比

4 模擬結果及分析

為了研究不同天然氣噴孔孔數對發動機性能的影響，設計了天然氣孔數為4～10 孔總計7 種方案，噴孔布置如圖6 所示，其中紅色代表柴油噴孔，藍色代表天然氣噴孔。所有方案天然氣和柴油噴射量均一致，天然氣噴嘴總面積不隨天然氣孔數變化而變化且與原機一致，具體燃料噴射參數如表4 所示。

表4 燃料噴射參數

圖6 模擬方案示意圖

4.1 天然氣噴孔孔數對缸內壓力和放熱率的影響

圖7 顯示了不同天然氣噴孔數下缸內壓力的變化。由圖可以看出，上止點后，各組方案均產生了顯著區別，特別是4、5 孔的壓力曲線與其他組差異明顯。上止點后6～10 孔缸內壓力上升更早，峰值處較為平緩；且隨著孔數的增加，壓力上升率也隨之增加，壓力峰值均出現在10°CA ATDC。而4、5 孔在上止點后壓力上升明顯滯后，4 孔方案壓力峰值出現在13°CA ATDC，5 孔方案壓力峰值出現在9.2 °CA ATDC。

圖7 天然氣孔數對缸內壓力的影響

圖8 為天然氣孔數對放熱率的影響。由圖8 也可發現，4、5 孔方案與其他方案差距明顯。-5 °CA ATDC 時每一組方案都出現了柴油燃燒峰值，與柴油噴射時刻相差5°CA，因為柴油噴射量僅3.6 mg/cycle，柴油與空氣混合形成混合氣比較稀薄不易著火。6～10 孔方案的放熱率曲線存在兩個明顯的峰值，第一個峰值是由被柴油引燃的天然氣多點預混燃燒引起的，放熱率峰值除8 孔外隨孔數增加而提高。6～10孔方案在10°CA 左右出現第二個天然氣放熱峰值，這是缸內天然氣的擴散燃燒，類似柴油機的緩燃期，其峰值與第一個放熱率峰值相反，隨孔數增加而降低。4、5 孔方案只存在一個天然氣放熱峰值，且出現在6～10 孔方案的第二個天然氣放熱峰值處，說明柴油對4、5 孔方案的引燃效果不佳，但是絕大多數天然氣都參與擴散燃燒，使得這兩組方案的放熱率峰值更高。

圖8 天然氣孔數對放熱率的影響

圖9 為不同天然氣孔數時CA10CA50CA90 與指示熱效率的比較，可以看出雖然4、5 孔的燃燒模式CA10 更晚，但燃燒持續期更短，天然氣擴散燃燒更集中；6～10 孔的燃燒模式CA10 更提前，且隨天然氣孔數增加而提前，說明增加孔數將減短天然氣預混燃燒滯燃期。

圖9 天然氣孔數對CA10CA50CA90 及指示熱效率的影響

4.2 天然氣噴孔孔數對缸內溫度場分布的影響

不同方案下缸內溫度場分布對比如圖10 所示，圖中所選截面為沿天然氣噴孔中軸線的錐面，采用這種截面能更好地觀察天然氣在燃燒室內燃燒的情況。1°CA ATDC 時，燃燒室內的高溫區域呈現八瓣的花瓣狀，這是由引燃柴油燃燒產生的高溫區域，圖中深藍色區域為天然氣射流，可以發現柴油產生的高溫區域受到缸內渦流的影響，逆時針旋轉了一個角度，使原本與柴油噴孔重疊的噴孔產生了夾角，原本夾角較大的噴孔更加靠近。觀察1°CA ATDC、3°CA ATDC 與5°CA ATDC，可以發現隨著孔數的增加，高溫區域越多，其原因是天然氣射流的總表面積隨著孔數的增加而增加，擴散燃燒面積增大。七組方案的天然氣射流總共有2 種著火位置，一種為頭部著火，如5 孔方案左上角、6 孔方案上方兩束射流，另一種為射流側壁著火，如4 孔方案的4 束射流、6 孔方案水平的兩束射流。結合圖6 可以發現，頭部著火的射流都是在高溫區域旋轉后與其夾角較小的，側壁著火的射流都是與兩邊高溫區域距離較遠。上述發現解釋了4、5 孔與6～10 孔方案之間5°CA ATDC 前放熱率顯著不同的原因：4、5 孔的射流基本都是射流側壁著火，4 孔射流頭部在5°CA ATDC 完全未燃燒，5孔則只有一束射流頭部被引燃，這使得2 種方案前期的火焰燃燒并不理想。

圖10 缸內溫度場分布

當曲軸轉角為7°CA ATDC 時，可以看到天然氣射流頭部到達燃燒室壁面，且孔數越少到達壁面越早，原因是孔數少方案的噴孔孔徑更大，對射流的阻力較少。10°CA ATDC 時，可以看到射流撞壁后，天然氣沿燃燒室壁擴散，火焰也已經傳播至撞壁后擴散的天然氣外側。當活塞繼續下行至15°CA ATDC，比較不同方案的溫度云圖，可以看到天然氣撞壁后的火焰面積與天然氣噴孔孔數正相關。

4.3 天然氣噴孔孔數對當量比分布的影響

由缸內當量比分布圖11 可以看出，天然氣在燃燒室內擴散速度比較緩慢，缸內渦流對擴散效果不理想。5°CA ATDC 時，天然氣射流左側當量比梯度受渦流影響明顯小于右側。結合溫度分布可以發現這導致了左側的火焰厚度大于右側。比較10°CA ATDC與之后的曲軸轉角，發現天然氣射流撞壁后沿燃燒室壁面擴散并形成渦流，相鄰射流產生的渦流在12°CA ATDC 時發生碰撞，使天然氣更靠近氣缸中心，且孔數越少，天然氣分布越靠近燃燒室中心。因為孔數越少，單個射流動能更大，渦流碰撞更劇烈，天然氣向中心擴散得越多。天然氣分布靠近壁面對缸內燃燒不利，會使火焰靠近壁面增加壁面熱損失，燃燒室中心的空氣利用率也會降低，從而降低發動機的熱效率。20°CA ATDC 時，燃燒室內仍殘留大量天然氣，說明壁面作用也使孔數多的方案燃燒持續期增長。

圖11 缸內當量比云圖

4.4 天然氣噴孔孔數對排放的影響

圖12 給出了天然氣噴孔孔數對排放的影響。可以發現NOx排放隨孔數的增加先減少后增加，soot排放隨孔數的增加而增加，其中soot 排放最低的4孔方案比最多的10 孔方案低了56.2%，而各組間NOx變化的幅度則相對較小，最低的7 孔方案與最高的10 孔方案僅相差25%。這并不符合內燃機排放NOx和soot 的trade-off 關系，為了探究其中的原因，以下將從NOx和soot 在不同時刻的分布云圖進行分析。

圖12 天然氣噴孔孔數對NOx 和soot 質量的影響

圖13 為缸內沿天然氣噴孔方向NOx與soot 分布云圖，左側為NOx，右側為soot。缸內的NOx是在燃燒過程中氧原子和氮原子在高溫高壓下化合的結果，因此NOx的生成速率與溫度和當量比的關系很大。10°CA ATDC 和15°CA ATDC 時，孔數多的方案NOx分布更廣、濃度更高，因為NOx主要在溫度高、當量比適中的區域生成。而根據之前兩小節的發現，孔數的增加使得天然氣在缸內分布更加均勻，著火區域也更多，這對NOx排放不利，但較少的孔數也會使天然氣更集中，高溫區域平均溫度更高，也不利于減少NOx生成。這2 種因素使NOx排放隨孔數增加呈先減后增的趨勢。觀察soot 分布云圖的10 °CA ATDC 時刻，發現4 孔方案soot 生成較少，5 孔方案在左上產生了大量soot，6～10 孔方案在射流撞壁處及兩側都有大量soot 生成，說明火焰發生淬熄導致大量碳煙生成。15°CA ATDC，soot 在天然氣射流間渦流相撞處大量生成，這是因為渦流碰撞使局部混合氣濃度過高，這些區域的燃燒不充分，導致soot 大量生成。

圖13 缸內NOx 和soot 分布

5 結論

1）天然氣噴孔孔數的增加使得柴油射流和天然氣射流相對夾角發生變化，而且缸內渦流也會改變引燃柴油高溫區域位置。因此為了獲得更好的引燃效果，可以選擇增加噴孔孔數并根據缸內渦流調整角度。

2）根據天然氣噴孔孔數的不同，發動機缸內燃燒存在2 種燃燒模式：孔數多時類似柴油燃燒模式，首先生成一個預混燃燒的峰值，隨后產生天然氣擴散燃燒峰值；孔數少時類似于奧托循環，但主要燃燒階段是天然氣擴散燃燒。第二種燃燒模式燃燒更集中，發動機動力性能更好。

3）增加天然氣噴孔孔數可使天然氣在缸內分布更廣，增加擴散燃燒反應區域，導致NOx生成增加，射流間相互干涉加劇，局部過濃區域增加，導致soot生成量也增加。

要強化研究型大學建設同國家戰略目標、戰略任務的對接，加強基礎前沿探索和關鍵技術突破，努力構建中國特色、中國風格、中國氣派的學科體系、學術體系、話語體系，為培養更多杰出人才作出貢獻。

——習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話