缸内直喷双燃料发动机喷孔数对性能影响研究*

张宇宽 王 谦 帅志杰 芮 璐

（江苏大学能源与动力工程学院 江苏 镇江 212013）

引言

近年来环境污染问题和能源紧缺问题日益严重，天然气因其绿色环保、安全可靠、储量丰富的特点，成为传统内燃机最具潜力的替代燃料之一[1-2]。常规的天然气发动机采用火花塞点火、天然气进气道或进气歧管喷射的方式，存在压缩比低、充气效率差的问题，而缸内直喷双燃料发动机采用微量柴油引燃模式和天然气缸内高压直喷进气模式，利用微量柴油压燃产生的高温和自由基引燃直接被高压喷射进入缸内的天然气。因此能够使用与柴油机相仿的压缩比，并且天然气进气完全不影响发动机进气，这使得缸内直喷双燃料发动机相比于常规天然气发动机具有燃烧效率高、动力性强的优势[3-6]。

天然气的主要成分为甲烷，分子式为CH4，标准状态下密度为0.717g/L，是一种低密度气体燃料，这就造成了燃料在缸内的扩散不利，而且天然气的火焰传播速率较慢[7]，并且直喷双燃料发动机燃烧室内主要发生扩散燃烧，所以天然气发动机喷射器参数对缸内燃烧具有重大影响。许多学者都对其进行了深入的研究，但都集中于进气道喷射发动机，哈尔滨工程大学Enzhe Song，Zhenting Liu[8]研究发现采用交叉多孔气体喷嘴结构有助于形成更均匀的气体混合物，有利于缸内燃烧。济南大学蔡少娌等[9]用数值模拟和实验方法研究了喷射压力和喷孔数对天然气射流贯穿距的影响，并对天然气射流在进气歧管内的发展过程进行了模拟研究。在柴油引燃天然气高压缸内直喷发动机方面目前国内只有江苏大学韩丹等人[10]研究了柴油喷孔和天然气喷孔间几何关系对缸内燃烧的影响，研究结果表明喷孔间几何关系会对发动机性能造成显著影响。不列颠哥伦比亚大学的SILVRJ DUMITRESCU[11]通过实验发现，天然气孔数对发动机稳定性有影响，但是该实验结论是建立在实验采用的西港公司开发的双燃料喷射器（US application patent：US005996558A）的特性基础之上：该喷射器的前端会产生旋转，使柴油喷孔和天然气喷孔相对夹角发生周期性变化。不同的天然气喷孔在旋转时与柴油喷孔的平均夹角不同造成了发动机稳定性的差异。

高压直喷双燃料发动机的燃料全部都由喷射器射入缸内，喷射器参数直接影响缸内燃料分布和着火情况，燃烧室内的燃烧既与火花塞点火的传统汽油机不同，也与柴油机有很大差距。本文利用converge 软件建立直喷双燃料发动机模型，模拟研究天然气喷孔孔数对发动机燃烧和排放的影响。

1 发动机相关参数

本文基于一台由康明斯ISX 车用发动机改造而成的天然气缸内直喷双燃料发动机建立模型，发动机与喷射器参数如表1 所示。原机燃烧室为ω 形，为了节约计算成本，不考虑进排气过程，计算区域仅包括燃烧室和气缸，不包括进排气道，如图1 所示。

图1 上止点时燃烧室模型剖视图

表1 发动机基本参数

进气造成的流场影响以涡流比方式修正，涡流比定义为1.3。计算时间由进气门关闭时刻-172°CA ATDC 持续到排气门开启时刻142°CA ATDC。天然气与柴油采用双燃料同轴喷射器喷射入缸内，原机孔数均为8 孔且柴油喷孔与天然气喷孔夹角为0°，如图2 所示。

图2 喷孔位置示意图

本研究保持柴油喷孔参数不变，改变天然气喷孔孔数，研究其对发动机燃烧及排放特性的影响。为了控制不同孔数造成的2 种喷孔夹角变化，每次改变孔数时，均保持俯视角水平方向上总有一组喷孔相互对齐。

2 计算模型

计算所选用模型如表2 所示。

表2 计算模型

本文采用甲烷（CH4）作为天然气的参比燃料，正庚烷（C7H16）作为柴油化学反应替代物，用正十四烷（C14H30）模拟柴油物理特性。反应机理选用Rahimi[11]基于CH4的GRI 3.0 机理与NC7H16的Valeri 机理整合的简化柴油-天然气双燃料燃烧反应机理，包含76 个组分，464 步反应。

3 模型验证

本文以加拿大不列颠哥伦比亚大学双燃料发动机实验数据[12]验证模型的有效性，选用工况如表3 所示。图3 为实验和模拟缸压及放热率曲线，模拟结果与国外实验结果基本吻合，图4、5 为排放结果对比，可以看出NOx排放结果吻合得较好，soot 模拟生成量小于实验生成量。为了控制模拟计算时间在较为合理的长度内，采用单一组分正庚烷作为柴油化学反应替代物，因此碳烟前驱物生成量较少，soot 模拟值与实际产生量相比较低，但误差（小于18%）仍在可接受范围内，可以基于此模型进行研究。

表3 验证工况

图3 缸压和放热率结果对比

图4 NOx 排放结果对比

图5 soot 排放结果对比

4 模拟结果及分析

为了研究不同天然气喷孔孔数对发动机性能的影响，设计了天然气孔数为4～10 孔总计7 种方案，喷孔布置如图6 所示，其中红色代表柴油喷孔，蓝色代表天然气喷孔。所有方案天然气和柴油喷射量均一致，天然气喷嘴总面积不随天然气孔数变化而变化且与原机一致，具体燃料喷射参数如表4 所示。

表4 燃料喷射参数

图6 模拟方案示意图

4.1 天然气喷孔孔数对缸内压力和放热率的影响

图7 显示了不同天然气喷孔数下缸内压力的变化。由图可以看出，上止点后，各组方案均产生了显著区别，特别是4、5 孔的压力曲线与其他组差异明显。上止点后6～10 孔缸内压力上升更早，峰值处较为平缓；且随着孔数的增加，压力上升率也随之增加，压力峰值均出现在10°CA ATDC。而4、5 孔在上止点后压力上升明显滞后，4 孔方案压力峰值出现在13°CA ATDC，5 孔方案压力峰值出现在9.2 °CA ATDC。

图7 天然气孔数对缸内压力的影响

图8 为天然气孔数对放热率的影响。由图8 也可发现，4、5 孔方案与其他方案差距明显。-5 °CA ATDC 时每一组方案都出现了柴油燃烧峰值，与柴油喷射时刻相差5°CA，因为柴油喷射量仅3.6 mg/cycle，柴油与空气混合形成混合气比较稀薄不易着火。6～10 孔方案的放热率曲线存在两个明显的峰值，第一个峰值是由被柴油引燃的天然气多点预混燃烧引起的，放热率峰值除8 孔外随孔数增加而提高。6～10孔方案在10°CA 左右出现第二个天然气放热峰值，这是缸内天然气的扩散燃烧，类似柴油机的缓燃期，其峰值与第一个放热率峰值相反，随孔数增加而降低。4、5 孔方案只存在一个天然气放热峰值，且出现在6～10 孔方案的第二个天然气放热峰值处，说明柴油对4、5 孔方案的引燃效果不佳，但是绝大多数天然气都参与扩散燃烧，使得这两组方案的放热率峰值更高。

图8 天然气孔数对放热率的影响

图9 为不同天然气孔数时CA10CA50CA90 与指示热效率的比较，可以看出虽然4、5 孔的燃烧模式CA10 更晚，但燃烧持续期更短，天然气扩散燃烧更集中；6～10 孔的燃烧模式CA10 更提前，且随天然气孔数增加而提前，说明增加孔数将减短天然气预混燃烧滞燃期。

图9 天然气孔数对CA10CA50CA90 及指示热效率的影响

4.2 天然气喷孔孔数对缸内温度场分布的影响

不同方案下缸内温度场分布对比如图10 所示，图中所选截面为沿天然气喷孔中轴线的锥面，采用这种截面能更好地观察天然气在燃烧室内燃烧的情况。1°CA ATDC 时，燃烧室内的高温区域呈现八瓣的花瓣状，这是由引燃柴油燃烧产生的高温区域，图中深蓝色区域为天然气射流，可以发现柴油产生的高温区域受到缸内涡流的影响，逆时针旋转了一个角度，使原本与柴油喷孔重叠的喷孔产生了夹角，原本夹角较大的喷孔更加靠近。观察1°CA ATDC、3°CA ATDC 与5°CA ATDC，可以发现随着孔数的增加，高温区域越多，其原因是天然气射流的总表面积随着孔数的增加而增加，扩散燃烧面积增大。七组方案的天然气射流总共有2 种着火位置，一种为头部着火，如5 孔方案左上角、6 孔方案上方两束射流，另一种为射流侧壁着火，如4 孔方案的4 束射流、6 孔方案水平的两束射流。结合图6 可以发现，头部着火的射流都是在高温区域旋转后与其夹角较小的，侧壁着火的射流都是与两边高温区域距离较远。上述发现解释了4、5 孔与6～10 孔方案之间5°CA ATDC 前放热率显著不同的原因：4、5 孔的射流基本都是射流侧壁着火，4 孔射流头部在5°CA ATDC 完全未燃烧，5孔则只有一束射流头部被引燃，这使得2 种方案前期的火焰燃烧并不理想。

图10 缸内温度场分布

当曲轴转角为7°CA ATDC 时，可以看到天然气射流头部到达燃烧室壁面，且孔数越少到达壁面越早，原因是孔数少方案的喷孔孔径更大，对射流的阻力较少。10°CA ATDC 时，可以看到射流撞壁后，天然气沿燃烧室壁扩散，火焰也已经传播至撞壁后扩散的天然气外侧。当活塞继续下行至15°CA ATDC，比较不同方案的温度云图，可以看到天然气撞壁后的火焰面积与天然气喷孔孔数正相关。

4.3 天然气喷孔孔数对当量比分布的影响

由缸内当量比分布图11 可以看出，天然气在燃烧室内扩散速度比较缓慢，缸内涡流对扩散效果不理想。5°CA ATDC 时，天然气射流左侧当量比梯度受涡流影响明显小于右侧。结合温度分布可以发现这导致了左侧的火焰厚度大于右侧。比较10°CA ATDC与之后的曲轴转角，发现天然气射流撞壁后沿燃烧室壁面扩散并形成涡流，相邻射流产生的涡流在12°CA ATDC 时发生碰撞，使天然气更靠近气缸中心，且孔数越少，天然气分布越靠近燃烧室中心。因为孔数越少，单个射流动能更大，涡流碰撞更剧烈，天然气向中心扩散得越多。天然气分布靠近壁面对缸内燃烧不利，会使火焰靠近壁面增加壁面热损失，燃烧室中心的空气利用率也会降低，从而降低发动机的热效率。20°CA ATDC 时，燃烧室内仍残留大量天然气，说明壁面作用也使孔数多的方案燃烧持续期增长。

图11 缸内当量比云图

4.4 天然气喷孔孔数对排放的影响

图12 给出了天然气喷孔孔数对排放的影响。可以发现NOx排放随孔数的增加先减少后增加，soot排放随孔数的增加而增加，其中soot 排放最低的4孔方案比最多的10 孔方案低了56.2%，而各组间NOx变化的幅度则相对较小，最低的7 孔方案与最高的10 孔方案仅相差25%。这并不符合内燃机排放NOx和soot 的trade-off 关系，为了探究其中的原因，以下将从NOx和soot 在不同时刻的分布云图进行分析。

图12 天然气喷孔孔数对NOx 和soot 质量的影响

图13 为缸内沿天然气喷孔方向NOx与soot 分布云图，左侧为NOx，右侧为soot。缸内的NOx是在燃烧过程中氧原子和氮原子在高温高压下化合的结果，因此NOx的生成速率与温度和当量比的关系很大。10°CA ATDC 和15°CA ATDC 时，孔数多的方案NOx分布更广、浓度更高，因为NOx主要在温度高、当量比适中的区域生成。而根据之前两小节的发现，孔数的增加使得天然气在缸内分布更加均匀，着火区域也更多，这对NOx排放不利，但较少的孔数也会使天然气更集中，高温区域平均温度更高，也不利于减少NOx生成。这2 种因素使NOx排放随孔数增加呈先减后增的趋势。观察soot 分布云图的10 °CA ATDC 时刻，发现4 孔方案soot 生成较少，5 孔方案在左上产生了大量soot，6～10 孔方案在射流撞壁处及两侧都有大量soot 生成，说明火焰发生淬熄导致大量碳烟生成。15°CA ATDC，soot 在天然气射流间涡流相撞处大量生成，这是因为涡流碰撞使局部混合气浓度过高，这些区域的燃烧不充分，导致soot 大量生成。

图13 缸内NOx 和soot 分布

5 结论

1）天然气喷孔孔数的增加使得柴油射流和天然气射流相对夹角发生变化，而且缸内涡流也会改变引燃柴油高温区域位置。因此为了获得更好的引燃效果，可以选择增加喷孔孔数并根据缸内涡流调整角度。

2）根据天然气喷孔孔数的不同，发动机缸内燃烧存在2 种燃烧模式：孔数多时类似柴油燃烧模式，首先生成一个预混燃烧的峰值，随后产生天然气扩散燃烧峰值；孔数少时类似于奥托循环，但主要燃烧阶段是天然气扩散燃烧。第二种燃烧模式燃烧更集中，发动机动力性能更好。

3）增加天然气喷孔孔数可使天然气在缸内分布更广，增加扩散燃烧反应区域，导致NOx生成增加，射流间相互干涉加剧，局部过浓区域增加，导致soot生成量也增加。

要强化研究型大学建设同国家战略目标、战略任务的对接，加强基础前沿探索和关键技术突破，努力构建中国特色、中国风格、中国气派的学科体系、学术体系、话语体系，为培养更多杰出人才作出贡献。

——习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话