基于RCCI的柴油-天然氣-氫氣三燃料發動機整機性能研究*

秦文瑾，石晶晶，徐禮輝，張振東，孫躍東

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

前言

如今環境污染以及能源消耗問題日益嚴重，為了解決現有柴油發動機有害物排放以及能源消耗等問題，針對柴油發動機的獨特燃燒方式，研究人員決定從改善油氣混合效果和降低缸內燃燒溫度兩個角度入手解決此問題。研究者們開發了一種基于雙燃料燃燒的新型低溫燃燒模式，即反應活性控制壓燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）。該燃燒模式最早由威斯康星大學的Kokjohn 等［1-2］提出，它的出現解決了燃燒相位可控性差和燃燒負荷范圍窄兩個關鍵問題。目前，在RCCI 模式下，針對天然氣和柴油雙燃料燃燒特性的研究居多［3-4］。

由于氫氣具有寬的可燃極限、稀薄燃燒能力強、火焰傳播速率高等優點，可以彌補天然氣燃燒速率低、點火能量高等缺陷［5-6］，Belkebirsm 等［7］對摻氫天然氣發動機進行數值模擬研究，研究結果表明天然氣摻氫能夠提高發動機熱效率，改善天然氣的稀燃極限，降低CO 和HC 的排放。冷先銀等［8］在一臺6ACD320 型天然氣發動機上，對氫氣體積分數為0～30%的天然氣-氫氣混合燃料的燃燒過程進行了數值模擬，研究結果表明，在天然氣燃料中添加氫氣加速了缸內火焰傳播，發動機的指示燃氣消耗率下降、指示熱效率提高，CO、THC 和非甲烷碳氫化合物（NHMC）排放下降，NOx排放上升。同時氫氣的添加有望提升柴油/天然氣RCCI 發動機的性能。國內外研究者將氫氣納入研究范疇，添加進柴油/天然氣RCCI 發動機形成三燃料RCCI 混合燃燒。天津大學的劉世文等［9］通過實驗發現，隨著氫氣比例的增加，缸內最高爆發壓力升高，放熱大幅增加，THC 和CO排放隨著氫氣比例的增大而降低。Alrazen 等［10］通過FLUENT 建立單缸柴油機CFD 模型，對比了不同混合比的天然氣和氫氣對發動機缸內壓力的影響。結果表明，氫氣比例越大，缸內峰值壓力越高，并且氫氣可以增加火焰傳播速率，天然氣又可以使得氫氣燃燒更平穩，二者相輔相成。昆明理工大學的張韋等［11］在三燃料燃燒機理方面做了一些工作，他們構建了一套含有79 種組分244 步反應的柴油/天然氣/氫氣（DNH）三燃料燃燒反應機理，其能在不同當量比下準確預測柴油、天然氣和氫氣三者的缸內燃燒和污染物生成特性。此外，還有一部分工作集中在船用發動機上，例如趙睿等［12］通過搭建柴油-天然氣-氫氣三燃料混燒發動機實驗臺架，研究了在船用背景下不同摻氫比例對柴油/天然氣動力發動機（LNG）尾氣排放的影響。結果表明，摻氫后對LNG發動機NOx排放的改善不明顯，但由于氫氣不含碳原子，能夠顯著減少CO、CO2排放，且THC 和PM 排放也適當減少。

通過上述研究可知缸內燃燒過程與發動機排放特性成為目前RCCI 發動機的研究重點。為了進一步探究在RCCI 新型燃燒技術下不同氫氣添加比例對發動機整機性能的影響，本文以基于柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI 發動機為研究對象，采用大渦數值模擬方法LES（large eddy simulation），從發動機的動力特性、經濟特性、抗爆震特性和排放特性等方面，探究不同氫氣添加比例對發動機整機性能的影響。

1 研究對象

芬蘭阿爾托大學的Cheng 等［13-14］針對一臺改進的單缸四沖程柴油發動機開展了一系列的實驗工作，研究了不同氫氣添加比例下，柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI 發動機燃燒特性。該發動機采用博世NGI2雙端口噴油器，允許天然氣和氫氣與進氣歧管中的空氣混合，采用兩個質量流量控制器控制CH4和H2的質量流量，而少量引燃柴油由安裝在氣缸蓋中心的6 孔壓電噴油器提供。本文研究基于該實驗展開，運用數值模擬方法進行發動機缸內燃燒計算，發動機幾何模型如圖1 所示，發動機技術參數和噴油參數如表1所示。

表1 發動機技術參數與噴油參數

圖1 發動機幾何模型

由于天然氣和柴油組成成分復雜，種類較多，想要準確模擬真實燃料特性較為困難且耗費時間，故通常選擇適當的表征燃料來代替真實天然氣和柴油。甲烷在天然氣中所占比例高達95%左右，是最常用的天然氣表征燃料；正庚烷的十六烷值與柴油接近，可用于表征柴油。因此，本文選取甲烷和正庚烷來作為天然氣和柴油的表征燃料。本研究中，從燃料能量份額出發去控制變量。能量份額的計算公式如下：

在算例設置中，保持正庚烷的能量份額為5%不變。氫氣通過一定的體積比例去替代甲烷。由于控制了正庚烷的能量份額，所以氫氣添加比例的改變會引起正庚烷質量略有變化。本文的算例設置如表2所示，噴油時刻為壓縮上止點前7°，保持恒定。

表2 三燃料燃燒算例設置

2 計算模型建立

LES 是基于空間過濾思想，對大尺度的渦團直接進行數值模擬，而小尺度的渦團則是套入模型中，其能夠對湍流流場結構的空間分布進行更有效的模擬，可以高質量地捕捉大小渦團［15］。不管是從計算效率，還是從數值計算結果來講，大渦模擬都有很好的表現。在LES 方法中，又有諸多的子模型：Smagorinsky 模型、動態Smagoringsky 模型、WALE 模型、動態結構模型等。動態結構模型是由Rutland等［16］提出的未使用湍流黏性概念的模型，其將亞網格應力寫成了一個與張量系數和亞網格湍動能相關的函數表達式，該模型可以有效避免因不當黏性系數對數值模擬造成的影響。因此，本文使用基于動態結構的LES 方法來模擬湍流場。在該模型中，速度和其他熱力學變量用Favre形式表示，而密度和壓力用Reynolds 形式表示。通過對N-S 方程進行濾波處理，即可得到LES控制方程。

動量方程：

發動機缸內燃燒過程涉及到復雜的湍流燃燒現象，直接決定發動機的動力性、經濟性和排放特性［17］。本文燃燒模型為詳細化學反應動力學模型，采用KH-RT［18］模型來模擬噴霧的破碎過程，選擇Rahimi等［19］提出的76種組分、464步反應的正庚烷-天然氣化學動力學機理。由于氫氣的化學反應機理已作為子機理包含在其中，故該機理可用于模擬本文中的柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI 燃燒。數值計算采用CONVERGE 軟件，為了平衡計算時間和精度要求，網格采用局部固定加密和自適應加密策略，局部最小網格尺寸為0.2 mm，計算域最大網格數量約為200 萬。計算域初始條件和邊界條件主要根據實驗數據和經驗數據來設定，如表3所示。

表3 初始條件和邊界條件

3 結果分析與討論

3.1 動力特性分析

（1）缸內壓力

圖2 顯示了3 種不同氫氣添加比例下三燃料RCCI燃燒的缸內壓力隨曲軸轉角的變化曲線對比，此時壓力曲線呈現雙峰值的特點，第1 個峰值出現在壓縮上止點，是由于壓縮沖程產生的峰值，第2 個峰值則在壓縮上止點后活塞下行過程中，此時，由于缸內低活性燃料被點燃，缸內熱量增加，壓力上升，隨后由于活塞下行膨脹做功，當燃料燃燒放出的熱量不足以抵消其影響時，壓力開始下降，由此形成第2 個峰值。觀察發現，隨著氫氣添加比例的增加，缸內壓力峰值也相應增加。主要原因在于氫氣燃燒極限較寬且火焰傳播速率較高，添加氫氣后，加快了缸內燃料混合氣的燃燒速率，缸內壓力進一步升高，峰值壓力出現的相位也相應提前。圖中還顯示了3 種情況下單缸四沖程發動機所測得的缸壓的實驗數據，缸壓數據吻合較好，進一步說明了該模型的準確性。

圖2 不同氫氣添加比例下的缸壓

（2）缸內溫度

圖3 顯示了3 種不同氫氣添加比例下缸內平均溫度隨曲軸轉角的變化曲線對比?？梢钥闯?，在壓縮上止點之前溫度分布差別不大，因為燃燒前期，氣流運動主導燃燒過程，隨著氫氣添加比例的增加，缸內平均溫度越高，且峰值溫度出現的相位提前。添加氫氣后，燃料混合氣的燃燒速率顯著提升，燃燒更快速的發生，著火時刻提前，由此導致峰值溫度出現的相位提前。同樣的，由于燃燒速率的增加，使得缸內壓力增加，故引起缸內峰值溫度的上升。著火時刻提前，可知燃燒質心越靠近壓縮上止點，燃燒質心CA50可用于表征發動機能耗，燃燒質心離壓縮上止點越遠，發動機能耗越高［20］。故可以看出氫氣的添加降低了發動機的能耗，發動機效率增加。

圖3 不同氫氣添加比例下的缸內平均溫度

圖4 為不同氫氣添加比例下的缸內溫度云圖分布，可以更加直觀地觀察到缸內火焰擴散過程以及不同時刻的溫度分布情況。由圖可以看出，如前文所述在壓縮上止點之前缸內溫度分布差別不大，到達壓縮上止點后，溫度開始發生變化，在4°CA 時刻，可以發現缸內開始出現多處著火點，隨后，火焰開始向周圍擴展，燃燒過程開始受火焰傳播速率影響?？梢园l現，隨著氫氣添加比例的增加，缸內火焰傳播速率增加，火焰擴展區域增加，燃燒溫度上升。在20°CA 時刻，40%氫氣添加比例下的火焰幾乎充滿整個燃燒室。同時由圖可以看出，從50°CA 時刻開始，缸內溫度變化與先前呈現相反的趨勢，氫氣添加比例越高，缸內溫度反而越低。造成這一現象的原因是添加氫氣后，缸內后燃現象得到抑制，因此溫度較低。

圖4 不同氫氣添加比例下的缸內溫度云圖分布

3.2 經濟性分析

發動機燃燒過程中，所產生的熱能轉化為機械能，而表征二者能量轉換比例的參數即為發動機指示熱效率，是發動機最重要的性能指標之一。本文中燃料為混合燃料，故先須計算3 種燃料燃燒的總熱值，然后結合發動機輸出的指示功從而得出發動機指示熱效率。計算公式如下：

針對柴油-天然氣-氫氣RCCI燃燒的燃油經濟性，由于3 種燃料熱值各不相同，通常采取燃料低熱值進行轉換，即將甲烷和氫氣的消耗量轉化成正庚烷的消耗量。并提出了等效指示燃油消耗率（equivalent indicated specific fuel consumption，EISFC）的概念，用于分析燃油經濟性。計算公式［21］如下：

圖5 顯示了3 種不同氫氣添加比例下的發動機p-V圖對比，主要表現為缸內壓力的升高，而p-V所包圍的面積即為發動機完成一個循環內所做的指示功，可知隨氫氣添加比例的增加，指示功隨之增加。圖6 為計算得到的3 種不同氫氣添加比例下發動機指示熱效率和等效指示燃油消耗率?？梢钥闯觯S著氫氣添加比例的增加，指示熱效率和等效指示燃油消耗率呈現相反的趨勢，指示熱效率隨著氫氣添加比例的增加逐漸增加，而等效指示燃油消耗率逐漸減小?？芍?，添加氫氣后，火焰傳播速率的增加使得混合氣的燃燒速度相應增加，缸內峰值壓力出現的相位提前，接近最佳做功時刻，熱能與機械能的轉換效率提高，指示熱效率增加。當輸出指示功相同時，所需的燃料質量減少，因此氣體燃料消耗量減少，提高了發動機的燃油經濟性。

圖5 p-V圖

圖6 指示熱效率及等效指示燃油消耗率

3.3 抗爆震特性分析

由于氫氣的燃燒速率較快，在燃燒時發動機產生爆震的幾率較大，這是氫氣燃燒的負面影響。故在分析氫氣添加的影響時應重點關注發動機爆震的問題。壓力升高率可用于量化分析發動機爆震情形。相關文獻指出，對于RCCI 低溫燃燒策略，為了防止發動機爆震現象的發生，壓力升高率應低于1.5 MPa/（°CA）［22］。

圖7 給出了3 種不同氫氣添加比例下的壓力隨曲軸轉角的變化率即壓力升高率。從圖中可以看出，3種情況下的壓力升高率均低于1.5 MPa/（°CA），在允許范圍內，發動機不會發生爆震現象。對比不同氫氣添加比例下的情況來看，在噴油時刻-7°CA時的壓力升高率無明顯差異，由微量引燃柴油的噴入導致的缸內壓力波動基本一致。而在壓縮上止點后，隨著氫氣添加比例的增加，峰值壓力升高率逐漸增大并且缸內壓力波動較大?；鹧鎮鞑ニ俣鹊目炻怯绊憠毫ι呗首钪匾脑蛑?，火焰傳播速度的增加使得著火時刻提前，放熱量迅速增加，故在缸內壓力波動較大。與前文所述的缸內壓力的分布情況一致，在形成第2 個峰值以后，壓力開始下降。

圖7 壓力升高率

另一個分析發動機運行工況的指標是聲響強度（ring intensity，RI），目前已被廣泛用于衡量低溫燃燒發動機振動情形。圖8 顯示了不同氫氣添加比例下的聲響強度?？梢钥闯?，隨著氫氣添加比例的增加，聲響強度呈現上升趨勢，且氫氣添加比例越大，聲響強度上升越快，主要原因在于氫氣的添加增加了缸內火焰傳播速度和燃燒速率。由Eng［23］的研究可知，當聲響強度小于5 MW/m2時，發動機運行較為平穩。因此，本文的氫氣添加比例仍可保證發動機在合理的范圍內運行。但需要注意的是，氫氣添加比例越高，越容易發生爆震，故應合理控制氫氣的添加比例。

圖8 發動機聲響強度

3.4 排放特性分析

排氣溫度可用于表征發動機性能，并可反映排放特性。排氣溫度較低說明發動機燃料燃燒充分，不完全燃燒現象減少，故排放也相應降低。圖9 顯示了3 種不同氫氣添加比例下的排氣溫度隨曲軸轉角的變化曲線。整體看來，排氣溫度隨氫氣添加比例的增加而降低。結合前面的分析可知，添加氫氣后，缸內燃燒溫度升高，燃料得以充分燃燒，后燃現象被抑制，后期缸內溫度較低，所以排氣溫度降低。故可知發動機整體排放也較低。

圖9 發動機排氣溫度

發動機中的廢氣能量主要包括兩部分：由于廢氣和環境間的溫差所產生的顯熱和由于不完全燃燒而產生的氣體能量。Gharehghani 等［24］通過分析實驗數據對廢氣能量做出了定義。為了便于比較3 種情況下的廢氣能量，定義廢氣能量占比來進行判定，即為廢氣能量占燃料燃燒釋放總能量的比值。圖10 顯示了3 種不同氫氣添加比例下的廢氣能量占比?？梢钥闯?，隨著氫氣添加比例的增加，廢氣能量占比呈現下降趨勢，表明添加氫氣后，缸內燃燒過程得以改善，發動機燃燒效率增加，排氣損失變小，發動機運行狀態更好。

圖10 不同氫氣添加比例下的廢氣能量占比

4 結論

本文通過數值計算，對比了體積分數為0、20%和40% 3種不同氫氣添加比例下對柴油-天然氣-氫氣三燃料RCCI發動機整機性能的影響，分別從動力特性、經濟特性、抗爆震特性和排放特性4 個方面進行分析，發現將氫氣含量控制在合理范圍內，能夠提高發動機的整機性能，主要結論如下：

（1）隨著氫氣含量的增加，混合氣的火焰傳播速率加快，缸內的壓力峰值與平均溫度得到提高，有利于提高發動機的效率，并抑制缸內后燃現象的發生。

（2）隨著氫氣含量的增加，發動機的指示熱效率得到有效提高，等效指示燃油消耗率降低，發動機燃油經濟性得以提高。

（3）隨著氫氣含量的增加，缸內壓力升高率和聲響強度均呈現上升趨勢，且上升幅度增大，在這3 種氫氣添加比例下壓力升高率與聲響強度都在可允許的范圍內，發動機的運行工況良好。

（4）氫氣含量的增加導致燃燒溫度較高，燃料充分燃燒，后燃現象得到抑制，進而使得排氣溫度降低，由于廢氣能量呈現降低趨勢，排氣損失變小。