双燃料内燃机引燃柴油混合气形成与压燃着火研究

双燃料内燃机引燃柴油混合气形成与压燃着火研究

姚广涛^1、2   姚春德¹    宋金瓯¹    

（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室  天津   300072；   2. 军事交通学院  天津   300161）

【摘要】本文通过采用建立的柴油引燃预混合天然气引燃油喷雾与着火模型，对采用光学发动机进行的纯柴油、双燃料和纯引燃柴油试验时所观察到的一些现象进行了机理分析；论证了在爆燃极限内，由于燃用天然气所造成的进气物性参数的变化，并不主要是双燃料着火延迟期增长的主要原因；采用柴油引燃天然气着火时混合气接近均质。

关键词： 双燃料   引燃油   喷雾与着火模型   着火延迟   雾场

引言

柴油机以其较高的热效率、良好的经济性、动力性和耐久性等优点，在动力装置上得到广泛应用，但随着能源与环境问题日益突出，人们一直寻求采用代用燃料和新的燃烧方式解决柴油机能源和排放污染问题。天然气储量十分丰富，近年来，人们对内燃机燃用天然气进行了大量的研究。但天然气自然温度高，采用火花塞点火时，其火焰传播速度较慢，热效率较低，因此通常采用少量引燃油引燃。试验发现用柴油引燃预混合天然气，使燃烧过程更加复杂，引燃油量的多少、喷射时刻及喷油压力、混合气当量比等诸多因素直接影响了系统的着火时机与着火点的位置，进而决定了双燃料发动机燃烧过程的好坏。本研究利用建立的引燃油喷雾与着火模型，从内部机理上解释了试验中所观察到的现象，为深入研究柴油引燃预混合天然气的工作过程提供有利的理论与预测工具。

1. 引燃油混合气形成与着火模型

1.1 引燃油喷雾模型

   采用离散液滴模型，考虑液滴的湍流扩散，应用随机轨道模拟法，直接从拉格朗日坐标系中液滴运动方程组考虑气体湍流脉动影响，计算液滴变化经历（计算各物性参数时均考虑天然气成分），即求解下列方程组：

   油滴轨迹方程

，      ，                 （1）

   运动方程

               （2）

                

蒸发方程

                                                   （3）

                      

        

        

  or

        其中， 、 传热与传质修正系数。

   传热方程

                              （4）

                 

       为导热率修正因子

1.2 引燃油着火模型

采用多步化学反应动力学模型（Shell模型），考虑加入天然气后对氧气浓度的影响，结合柴油引燃天然气可视化试验结果，对化学反应速率系数进行调整。

反应模型如下：

               RH+O²→ 2R*                     Kq

               R*   → R*+P+Heat         Kp  

               R*   → R*+B              Kp

               R*   → R*+Q              Kp

               R* +Q→R*+B               Kp

               B    →2R*                 Kb

               R*   → 链中断             Kp

               2 R* → 链中断              Kt

化学反应释放的热量

             Q_k=Kp [ R*] 

其中 是链锁反应的循环发热量。

热损失率

           Q_L= （ ）

其中 ， 为燃烧室表面积与容积之比， 为表面传热系数。

当单元温度达到1100K或温度升高率大于107K/s时，表示该单元出现热焰[1]，即形成可见光着火点。

2.试验结果

2.1试验系统

   试验在一台单缸可视化光学发动机[2]上进行，缸盖与燃烧室底部各放置一块石英玻璃，通过光路系统用数字式高速CCD记录双燃料混合气形成与燃烧过程。其拍摄速度为5000F/s。天然气由高压气瓶经减压后通过发动机进气管吸入气缸，同时测量空气及天然气的进气流量；发动机气缸压力、转速以及上止点信号由数字采集系统记录。表1为试验发动机技术参数：

2.2试验研究结果

   为了比较采用少量柴油引燃预混天然气压燃时可见光着火点与燃用纯柴油时的不同，我们进行了发动机转速1000r/min、满负荷时，等热量双燃料与纯柴油以及纯引燃油混合气形成与燃烧过程可视化研究，研究结果见表2和图1。

表1试验发动机技术参数

表2 双燃料、纯柴油和纯引燃柴油着火特性数据

                                                      注：上止点前为“-”

 -14.8⁰CA        -12.6⁰CA         -9.6⁰CA          -6.0⁰CA         -3.8⁰CA                          

（a）  纯柴油

-13.6⁰CA        -11.2⁰CA        -0.2⁰CA           2.2⁰CA          3.4⁰CA

                              (c)    纯引燃柴油

图1 等热值柴油与双燃料及纯引燃油混合与着火过程

 从图、表中可以看出，在喷油提前角相同的情况下，

（1）滞燃期比较

燃用纯柴油时着火滞燃期最短，为10⁰CA左右，而等热值双燃料着火滞燃期则大幅度增长，达到25.6⁰CA，而只燃用纯引燃油的着火滞燃期介于两着之间，为15.8⁰CA。

（2）着火点位置与数量比较

燃用纯柴油时，着火点出现在喷油器喷雾过程中，且距离喷油嘴较近，每个油束有1或2个着火点并且集中在油束附近；而等热量双燃料着火点出现在喷油结束较长一段时间以后，着火点出现在距离原油束方向及喷油嘴较远处，靠近缸壁，着火点的数量较多，并且在随后会出现更多新的着火点；燃用纯引燃油时，着火点的特点位于两着之间。

3. 理论分析

3.1 模型验证

为了验证所建模型用于系统分析的可行性，我们对上述试验，采用建立的模型进行了验证。图2为表2所列情况下缸内压力测量值与模拟值对比，从图中可以看出，测量值与计算值十分接近，因此采用所建立燃油喷雾模型与着火模型进行双燃料混合气与着火研究具有一定的可信度。

3.2 试验结果分析

图3为在上述三种情况下，采用建立的模型计算出的喷油前（-16oCA）缸内的压力、温度、密度等值分布曲线。从图3发现，在进气温度近似的情况下，采用双燃料时，引燃油喷射前，缸内压力、温度、密度有所下降，其中压缩终了温度下降通常在30K左右。温度下降并不是很明显，这其中的原因主要是，燃用天然气时混合气浓度有爆燃极限^[3]，其最大当量比为0.7，在本双燃料试验中，混合气当量比为0.7，因此，预混天然气与空气体积比仅为为5.6%。由此可见，燃用天然气带来的进气压缩温度及压缩压力下降是有限的。那么是什么原因造成了当采用柴油引燃体积比不足6%的天然气时，着火滞燃期明显增长，而且着火点有移向缸壁的趋势呢？采用双燃料和纯柴油出现着火点时缸内雾场分布有何特点？

    （a）纯柴油               （b）双燃料           （c）纯引燃柴油

图2  纯柴油、双燃料和纯引燃油示功图测量值与计算值比较      

                           （a）燃用纯柴油、纯引燃柴油时

                          

（b）燃用双燃料时

图3  喷油前（-16 ^OCA）缸内压力、温度、密度等值图

（1）用少量柴油引燃天然气和采用纯引燃柴油时，由于喷油量少，喷油持续期短，油束贯穿速度及贯穿距离均减少（如图1所示），油束未充分发展到缸壁喷油已经结束。这就造成了引燃油喷射结束时，大量喷雾油滴分布在燃烧室空间，在介质旋流作用下，油雾迅速扩散。图4为引燃油喷射与等热值纯柴油在相同时刻缸内油滴速度分布图，表明少量引燃油较快地在燃烧室内形成的比较大的燃油分布区域，然而较少的引燃油较快地在较大的区域内分布，势必使已蒸发燃油浓度变稀，浓度梯度减小，不利于引燃油的着火，造成双燃料及纯引燃油着火滞燃期延长。另外，从化学反应动力学知识可知：碳氢燃料基元反应通常是非单级，加入一定量天然气，使燃烧系统形成双燃料，气体燃料的加入一方面减少了氧气的浓度，由于化学反应速度与氧气浓度关系为大于1的指数关系，所以氧气浓度的较小变化，会引起化学反应速度明显变化；另一方面天然气的加入阻碍了引燃油与氧气分子的碰撞。因此，尽管加入的天然气数量不是很多，但造成了化学反应速率的下降是非常明显的。这也就是为什么纯柴油着火滞燃期最短，纯引燃油略长于纯柴油，而双燃料由于浓度场与化学反应速度下降的双重作用，着火滞燃期明显延长。

              

（a）纯柴油                     （b）引燃油

图4 相同时刻纯柴油与引燃柴油缸内油滴分布速度场

（2）对采用纯引燃油和双燃料在试验条件下的上止点前燃油蒸发量计算发现，当喷油时刻相同，喷油系统参数均相同时，燃油蒸发量纯引燃柴油只是略大于双燃料引燃柴油。计算结果（不燃烧情况下）如图5所示。其原因主要是由于燃油蒸发速率W’：

W’∝

其中： 为导热系数， 为定压比热， 为蒸发驱动力。

天然气导热系数是空气的1.25倍，而定压比热是空气的2.4倍，但双燃料压缩终了温度偏低，其蒸发驱动力 略小，但如前所述，由于天然气预空气容积比不大，上述因素使得双燃料引燃油蒸发速率只是略比纯引燃油小。所以天然气比热容大，密度低，并不是双燃料发动机滞燃期长的主要原因。

       

（a）双燃料引燃油                                （b）纯引燃柴油

图5 纯引燃油、双燃料引燃油非燃烧情况下燃油蒸发曲线

（3） 图6为双燃料引燃油和纯柴油着火时缸内已蒸发燃油的浓度场分布。可以看出，双燃料引燃油燃着火时，在整个燃烧室空间内均有燃油分布且其浓度均匀区较大，只是在右下侧靠近燃烧室壁面处浓度较大；而纯柴油，由于滞燃期较短，喷油尚未结束便出现着火点，加之由于喷油量较大，油束喷向缸壁的速度较高，燃油分布浓密，已蒸发燃油浓度约为双燃料引燃油浓度的2.5倍，且燃油蒸气分布较窄。这反映出柴油引燃预混合天然气压燃接近均质预混燃烧，即为准均质预混燃烧。  

   

（a）纯柴油                      （b）双燃料

图6 纯柴油、双燃料着火前缸内燃油雾场分布图

  （4） 图7为纯柴油和双燃料出现热焰着火点时位置图。从图中可以明显看出：双燃料引燃油着火时，着火点更靠近燃烧室壁。而纯柴油则出现在靠近喷嘴处。这与缸内流场以及喷雾粒子运动特点有关。由图8可知，在压缩过程中靠近燃烧室壁附近为势涡流，靠近中心部分为刚体涡流，对于纯柴油，由于油束速度快，缸内旋流在燃油着火前对油束空间分布作用较小，而在喷嘴附近由于空气旋流较小，在燃油长时间连续喷射过程中势必会形成燃油蒸气积累，而通常燃烧室中心又是压缩温度最高部位，所以，一旦浓度合适，就会形成着火点；而采用双燃料，由于引燃油喷射持续期短，不会在喷嘴附近形成一定浓度混合气。相反，由于引燃油疏松，且径向速度较慢，所以在油束径向中心部分受流场周向旋流的作用最大，该处油滴在作顺流周向运动时，在离心力作用下飞向燃烧室壁附近（见图4（b）），从而在燃烧室壁附近首先形成适合于燃烧的混合气浓度而出现着火点。

       

（a）纯柴油                （b）双燃料            

             图7 纯柴油、双燃料着火时缸内温度场                    图8 缸内旋流速度场

4. 结论

（1）应用考虑湍流影响的引燃油喷雾模型和改进的Shell着火模型，可以有效的预测纯柴和双燃料混合气形成过程及着火位置。为优化双燃料燃烧系统提供了有效的模拟计算手段。

    （2）双燃料引燃油着火滞燃期长是少量引燃油在缸内分布比较均匀，浓度梯度小，以及氧气浓度下降，天然气分子阻碍引燃油蒸气分子与氧气碰撞多种因素所致。

   （3）在爆震极限内，加入一定量天然气带来的进气密度下降，比热容升高是有限的，因此它不是造成双燃料着火滞燃期长的主要原因。

   （4）双燃料更接近均质压燃，其着火点出现位置比纯柴油更靠近燃烧室壁，这是由于引燃油量不是很大时，油束中部喷雾油滴在缸内旋流场作用下，离心力较大所致。

参考文献：

[1]  Song-Charng Kong，Zhiyu Han，and Rolf D.Reitz. The Develoment and Alication of a Diesel Ignition and Combustion Model for Multidimensional Engine Simulation[C]. SAE Paper 950278，1995

[2]   姚春德，刘增勇，高昌卿. 柴油引燃预混天然气准均质压燃着火过程的研究[J]. 内燃机学报，2003，（21）1：7.

  [3]   费少梅. 双燃料发动机燃烧过程的模拟[J]. 浙江大学学报，1997，（3）5：335. 1996，（2）4：349.

  [4]  Cheikh Mansour，Abdelhamid Bounif，Abdelkader Aris，Francoise Gaillard. Gas-Diesel（dual-fuel）modeling in diesel engine environment[J]. International Journal of Therm.Sci，2001，（40）：409-424

[5]  G.H.Abd Alla，H.A.Soliman，O.A.Badr，M.F.Abd Rabbo. Combustion quasi-two zone predictive model for dual fuel engines[J]. Energy conversion and Management，2001，（42）1477-1498