学 院： 能源与动力工程学院
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缸内高压直喷LNG双燃料发动机燃烧过程的数值模拟
摘要：本文简要论述了柴油微引燃缸内高压直喷LNG发动机的工作原理、发展历史以及CFD在双燃料发动机燃烧过程数值模拟研究中的发展情况，指出了开发高效低污染LNG双燃料发动机的关键。
关键字：缸内直喷；LNG双燃料发动机；数值模拟
一、前言
由于全世界的能源枯竭问题和环境污染问题的日趋严重，为了应对即将于2021年01月01日生效的IMO Tier III排放标准，在考虑燃油经济性的同时降低船用柴油机的排放标准，研究并应用柴油机合适的替代燃料成为了柴油机行业发展的方向和节能措施的突破口[1]。
天然气被认为是继煤炭、石油之后的世界第三大能源,它是一种产生于气田或油田的天然气体,是目前自然界中大量存在的碳分子数最低的燃料,其主要成分为甲烷。与石油相比,天然气资源比较丰富,全球已探明的天然气储量可以供人类开采和利用200年以上[2]。就其丰富的全球储量和良好的燃烧性能而言,开发天然气发动机具有深远意义。与压缩天然气（CNG）相比，液态天然气（LNG）在气化过程中吸收了大量的热，降低了缸内温度，使最高燃烧温度也下降，从而降低了NOX的生成量。现在的CNG发动机为补偿功率多采用提高压缩比、进气增压等方式，相对又提高了爆震的可能性，LNG液喷对缸内的降温作用明显，可减小爆震的可能性。经过60多年的发展,LNG己经形成了开采，存储，运输到终端完整的工艺流程技术。在安全性方面,LNG具有无色、无味、无毒、无腐烛性等特点,密度也比空气轻,发生泄漏事故时会快速自然气化,不会对水体产生污染[3]。LNG的热值与相同质量的常用燃料柴油基本相当，使用LNG作为动力燃料船舶运营费用可减少约25%。
柴油引燃缸内高压直喷天然气发动机，它的工作原理是压缩行程接近终了时，先往气缸中喷微量的柴油，使其自燃形成点火源从而提高气缸内的温度和压力，然后再用高压往气缸中直接喷入天然气。用柴油燃烧的能量点燃直接喷入的天然气，使天然气的燃烧实现扩散燃烧，同时由于天然气的喷射时刻靠近上止点，属于晚喷，允许采用大一点的压缩比从而摆脱了爆震的束缚。这种形式的发动机可以保持原有柴油机的高效率和低速扭矩，得到较大的平均有效压力，同时降低 NOX和微粒排放，NOX不仅对人的身体有害而且是导致光化学烟雾和酸雨的根源[4-5]。由于柴油的量非常少，所以被定义为柴油微引燃缸内高压直喷天然气发动机。在美国的天然气科研项目中,西南研究所还对高压直喷技术作为6大燃料技术之一进行评估，高压直喷技术被认为是使发动机保持高效低排放的首选方案[6]。
柴油微引燃LNG缸内高压直喷发动机的优势主要表现为[7-11]：
1）采用直喷技术，发动机不需要节气门机构,因而不存在节流损失及容积效率损失，同时消除了因排气重叠角引起的天然气逸出，HC排放问题得到改善。
2）天然气的辛烷值高达130，同时因为采用了缸内直喷，不受爆震，不必像常规点燃天然气发动机时需要降低压缩比，从而提高天然气发动机的热效率。
3）天然气燃烧温度相对较低,并且缸内直喷技术使缸内混合气空燃比远大于理论空燃比,缸内最高燃烧温度进一步得到了降低,可大幅度降低NOX排放。
4）天然气在接近上止点时喷入气缸,其燃烧过程属于扩散燃烧,可以通过质调节的方式迅速适应发动机负荷的变化,尤其是在中低负荷时,传统天然气发动机中由于混合气过稀造成的燃烧不良的状况将得到改善。
LNG成为船舶燃料已经是大势所趋[12]。在保持原有柴油机功率不变的情况下，使用柴油微引燃缸内高压直喷LNG技术，通过合适的喷射参数设置 [13-15]，来提高发动机的燃烧性能，降低NOX的排放将是未来柴油LNG双燃料发动机的研究热点。国际上，只有少数的公司掌握了该项技术。而我国对其核心技术的掌握研究还在起步阶段。
计算流体力学（CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想：把原来在时间域和空间域连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题流场内各位置上的基本物理量（如速度，温度，压力，浓度等）的分布，以及这些物理量随时间变化的情况[16]。
在初始设计阶段，使用CFD技术模拟复杂的流动行为，为在产品制造之前就了解其性能提供了一条高效，低成本途径。利用CFD数据和自动化分网格技术及并行运算技术可以用更短的时间来评价各种可能的设计方案；使用实物进行大规模的参数调试试验是极为昂贵的。工业界正在越来越多地用更迅速而又廉价的计算分析来取代试验。CFD技术是预测几何与工况变化导致性能变化趋势的强有力的工具；在设计过程中的各个阶段，许多国外企业都在使用CFD技术对已有系统，部件中的传热与流动进行模拟，从而提高性能与效率。优化设计的例子包括从减少燃烧器与内燃机NOX，COX污染物的排放到最大可能地提高离心压气机的效率，范围及其广泛[17]。
二、 本课题国内、外研究现状及发展趋势
2.1缸内高压直喷LNG双燃料发动机国外研究现状
国际上对于高压直喷LNG技术的研究较早。1992年，加拿大英属哥伦比亚大学的Philip Hill教授首先提出柴油微引燃天然气缸内高压直喷技术(HPDI-High pressure Direct Injection)和天然气缸内扩散燃烧理论[18]。在此基础上，西港研究院与哥伦比亚大学合作研制出一款新型的喷油系统，该系统可以实现不对原有柴油机气缸盖进行改动，通过将原有喷射器直接更换成一个柴油和天然气共用的喷油器来实现微量柴油引燃该循环后期直接喷入的高压天然气，此时柴油的燃烧只提供总放热量的5%或者更少，其它的95%及以上均由天然气的燃烧提供。通过实验数据分析得出，与美国1998年EPA排放要求相比，在确保柴油机原有的较高的效率不变的同时，NOX，HC，PM的排放量分别降低了45%，85%和71%[19]。
1997年4月加拿大西港创新公司开发出第一台柴油微引燃缸内高压直喷天然气发动机。其压缩比是17.0，缸径为123mmX127mm,2100转/分时功率为224kw,排量是9L。HPDI 所用的喷油器可以喷射柴油和天然气两种燃料，它有两个同心针阀，一个控制引燃柴油的喷射，另一个天然气的喷射[20]，两个针阀的喷射系统分别由不同的螺线管控制。同时柴油还充当液压流体的功用来抬起喷射针阀。采用电磁阀控制系统和液压系统控制结合的方法，实现对柴油和天然气各喷射参数的精确控制[21-23]。
美国底特律柴油公司使用西港创新公司的高压直喷系统对6V92TA发动机进行了改装，改装后的天然气发动机在保证动力性和经济性基本不变的基础上，NO排放降低了45%，CO2排放降低了25%，PM显著降低，HC排放远低于原柴油机。天然气高压直喷燃烧系统在充分利用天然气做为优质清洁燃料的特点之外，能够保证天然气发动机具有与柴油机基本相当的动力性及经济性。
2012年6月，三菱重工对外宣称，其计划开发低速双燃料发动机UEC一LSGi。该发动机功率范围为1.1万～l.8万千瓦，缸径为600毫米，计划于2015年投入市场。目前，三菱重工已研制出耗电少的紧凑型气体供应系统，该系统使用扩散燃烧技术，这一技术可使LNG以300巴的高压喷射到压缩后的空气中，由少量燃油的引燃火焰点燃，解决了以LNG为燃料的船用发动机的主要技术瓶颈问题，该系统在以LNG为燃料的发动机中将发挥关键作用。在过去3年的研发中，三菱重工已证实了该系统的安全性。
2.2缸内高压直喷LNG双燃料发动机国内研究现状
相对于国外，我国对于缸内高压直喷LNG双燃料发动机的研究起步较晚，但是近些年来，许多国内公司和高校在船用高压直喷LNG双燃料发动机的开发及相关技术的研究上取得了较好的成果。
2003年，赵春红[34]以OM442自然吸气直接喷射式柴油机为基础，开发了奔驰1929电控喷射柴油LNG双燃料汽车。保留了原发动机的工作方式和基本结构的前提下，另外增加了一套LNG的燃油供给装置和柴油天然气双燃料电控喷油系统。该发动机既可以在柴油LNG双燃料模式下工作，也可以在纯柴油模式下运行，电子转换开关控制发动机的模式、油量的多少。双燃料样车道路试验结果表明：天然气的替代率高达84.1%；与纯柴油模式相比，样车在柴油LNG双燃料模式下运行时的动力性增加；全柴油状况下样车百公里燃料消耗为40 L，双燃料状况下，柴油消耗量为6.37 L，天然气消耗量为34 m3，说明天然气双燃料发动机具有显著的动力性、经济性。
2007年，山东潍柴动力有限公司和西港新能源发动机公司开展合作，成立了潍柴动力西港新能源发动机有限公司，它是中国首家具有生产柴油微引燃缸内高压直喷天然气发动机能力的公司。
2011年，王术新等[35]研究了柴油天然气双燃料系统，将X6170ZC-19柴油机改装成拥有即可以燃用纯柴油，又可以燃用柴油天然气的双燃料发动机，并对发动机进行了性能试验。试验结果表明：改装后发动机工作稳定、可靠，可以根据需要在柴油LNG双燃料运行模式和纯柴油运行模式下随意切换；柴油替代率可以达到84.88%；双燃料发动机的动力性能与原柴油机水平相当；燃料消耗率大幅降低，经济性能得到改善；排气温度和水温略有下降，炭烟排放下降明显。
2011年，吉林大学的陈长军等应用CFD软件STAR-CD对微引燃缸内直喷天然气发动机的缸内喷射以及燃烧过程进行了分析，研究了不同喷射参数对喷射，燃烧和排放的影响。得出当引燃柴油喷油定时为10BTDC，喷油持续期为1℃A，循环喷油量为2mg，天然气喷气定时为5BTDC时，在天然气开始喷射时刻，引燃柴油已经燃烧了约94.5%，柴油的燃烧过程基本结束；随着喷气定时的推后，高压持续期缩短，燃烧持续期增加，缸内平均压力和平均温度的峰值逐渐减小，且峰值出现的时刻不断增大，喷气定时每推后5。CA，缸内平均压力约降低16%；随着喷气定时的退后，天然气高压直喷对缸内流场的冲击作用减弱，混合气的浓度不断降低，范围不断减小，导致缸内高温去的出现时刻不断退后，并且高温区的范围不断缩小，利于NO的排放，同时将导致HC， CO及PM的排放量增加[24]。
2011年，吉林大学汪佳丽、高莹[36]基于某六缸直列四冲程天然气发动机，建立了LNG缸内液喷的数值计算模型，并深入分析LNG闪急沸腾喷雾蒸发与雾化混合的机理，研究了不同影响因素对LNG喷雾的影响。结果表明，LNG喷雾在较低压力下仍能达到较高启喷压力下的喷雾特性，并且LNG液体在喷入气缸后2°CA之内迅速闪急沸腾变为气体。
2012年吉林大学温泷泽[37]修改了FIRE原有蒸发模型，加入了以闪急沸腾为特征的修正模型方程，然后对模型进行类比验证。模拟出LNG液喷最高温度低于800 K，减小可能发生的爆震，提高了LNG缸内液喷发动机的压缩比；但是由于缸内温度过低，点火燃烧变得十分困难。
2012年3月13日，由潍柴动力西港新能源发动机有限公司推出的，中国第一台大功率缸内高压直喷压燃式天然气发动机（简称HPDI发动机）上市发布仪式在北京钓鱼台举行。HPDI发动机采用氧化型催化器，在压缩上止点前用5%的柴油喷入气缸引燃，95%的天然气以30MPar的压力喷入到火焰中成为主燃料燃烧做功。由此颗粒物质排放降低70%，CO2降低约20%，达到国V排放标准。而柴油机要达到国V排放需要采用成本较高的SCR系统[25]。
2012年，吉林大学的张蕾等通过改变引燃油的参数，应用STAR-CD软件模拟柴油微引燃缸内高压直喷天然气发动机的燃烧过程，通过计算得到的气缸内平均压力，气缸内温度场，浓度场合排放物浓度等，通过分析得出引燃柴油对缸内高压直喷的天然气燃烧的影响[26]。
综上所述，缸内高压直喷LNG双燃料发动机不但能保持柴油机的动力性，而且排放效果十分出众。由于缺少高效，高压的气体供应系统，低速双燃料发动机一直被认为难以在大型船舶领域适用。而随着这一问题的解决，基于缸内高压直喷LNG低速双燃料发动机的开发必将更进一步发展。近几年，我国在高压直喷天然气双燃料发动机领域，随着各大高校和公司研发力度的加大，已经取得了显著的成绩。而在保持原机型功率的基础上，如何增加燃油替代率，优化参数的选择，降低NOX，COX等的排放，将是下一步研发的重点。
2.3CFD运用于发动机燃烧过程数值模拟的研究现状
CFD在发动机燃烧过程数值模拟研究的初期，由于受相关学科的发展程度及计算机发展水平的，对常规的工作过程计算做了很大的简化，主要采用零维模型。如Fitzgeorge,Dent,Davis,Kodo.H等人先后建立的不同的模型[27]。它以时间做为唯一变量，假定系统边界内各点参量完全相同，用常微分方程对系统内的状态变化进行描述，可以预测某些参数变化对发动机性能的影响。但是，零维模型忽略了燃烧过程中复杂的物理—化学反应过程的本质，无法从本质上把握其规律，因而不能预测排放物的生成。
准一维模型是在零维模型的基础上建立的，与零维模型一样，它也是以时间为唯一变量，但是为了预测内燃机的排放特性，发展了一些分区模型。在这些模型中把燃烧室分成几个区，在不同区域内考虑性质不同的物理过程，而每个区域内的物理参数是均匀的，与空间坐标无关。如2013年，清华大学航空航天学院的牛东圣，侯凌云，潘鹏飞等以Euler方程组作为基本控制方程，建立了适用于气态或液态燃料、包含隔离段结构、跨声速工况准一维通用计算模型。依次以NAL氢燃料发动机实验、气态煤油燃料发动机实验和液态煤油燃料发动机实验等3个不同燃料实验作为验证算例对模型进行考核,计算结果与实验数据均吻合良好,验证了模型的有效性和准确性。该模型可进一步应用于各类燃料的超燃冲压发动机燃烧室结构及工作参数的设计与优化等研究工作 [28]。准一维模型在一定程度上能够反映有关参数随燃烧室空间位置的变化，对于特定的机型，可以较准确地预测其燃烧过程的主要性能参数，还能在一定程度上预测排放性能，相对于模型，计算成本非常低。但同零维模型一样，它远不能从本质上去揭示有关燃烧现象的机理。
由于进气及压缩过程存在着非常复杂的动力学行为，是多种复杂场的叠加，其特性严重影响油气混合过程及燃烧过程。模型以时间和空间尺度为自变量，通过计算能够提供内流系统空间任意位置，任意时刻的速度，压力，温度，组分浓度等的分布，进而进行燃烧，放热规律，火焰传播，污染物生成等的分析，为改进现有发动机结构，开发新型燃烧系统提供预见性指导。60年代初,Borman的单液滴弹道模型是模型在柴油机喷雾计算中应用的首例。一维计算模型在70年代初期就完成了,初始的二维计算在70年代末出现,到80年代初,已取得三维模型的初步研究结果。而现在，已开发出许多反应流体的计算模型程序,如RPM、PHOENICE和KIVA等。还有Bracco，Gupta，Reitz和Diwakar，Hiroyasu，Ahmadi-Be-frul及Bruno等人分别提出的各自的喷雾混合模型[29]。
零维模型和准一维模型都具有形式简单，便于计算的特点，适于一般性预测及对发动机的综合参数进行研究。模型可以向内燃机研究和设计人员提供有关燃烧过程的更多有用的信息。随着人们对紊流混合，火焰形成及传播机理，传热及边界条件等方面的研究的进一步深入以及计算机技术等相关学科的飞速发展，模型将会更加完善，它代表了发动机模拟的发展方向。
柴油机燃烧模拟由三大部分组成:应用单相流体力学对缸内空气运动进行模拟；应用两相流体力学对缸内的喷雾混合过程进行模拟；应用燃烧化学对缸内的燃烧过程进行模拟。常用的数值模拟工具有:SCRYU、Star-CD、FIRE、KI-VA、FLUENT等。
在双燃料发动机燃烧模型的选择中，Karim，严兆大等人率先提出了双燃料发动机爆震预测模型，并不断对爆震模型进行改进[30]，认为天然气的爆震是在压缩上止点附近的高温下，由于火源分布不广泛及传播速度慢，混合气在火焰到达之前出现自燃而产生的。该模型可以针对不同双燃料发动机及不同运行工况,通过计算预测出在混合气初始温度、天然气辛烷值和引燃油量微小变化的情况下,双燃料发动机输出功率的爆震极限。而后,Karim、严兆大、Liu、费少梅等建立并完善了双燃料发动机燃烧过程的热力学-化学反应动力学数学模型,模型的特点是采用含有14种化学成分的32个化学反应方程来模拟均匀的空气/甲烷混合气缸内的燃烧过程,同时针对引燃油的燃烧先是提出了引燃油定容燃烧模型和热释放模型,而后又建立了引燃油多区燃烧模型,并考虑了辐射传热因素。该模型可给出缸内各种成分的温度、压力、浓度和放热率的变化,并能反映引燃油量当量比、喷油定时、进气温度等运行和结构参数对双燃料发动机性能和排放的影响,模拟计算精度完全符合工程需要[31]。针对涡流室双燃料发动机的特点,黄敬党等人提出了副燃烧室的燃烧主要由引燃油扩散燃烧控制,主燃烧室的燃烧主要取决于火焰传播的涡流室双燃料发动机的燃烧模型。
在双燃料发动机燃烧理论研究方面，Pirouzpanah等人建立了包含引燃包含引燃油喷射燃烧和天然气火焰传播的多区燃烧模型[32]，通过对四个污染物子模型预测了HC，CO，NO和微粒的排放；Hountalas等人采用燃油喷射半经验公式建立了柴油/天然气双燃料发动机双区模型，利用一步总包反应模拟燃烧过程研究了天然气喷射、混合、着火时刻等参数对燃烧过程的影响，并且进一步完善了天然气—柴油双燃料发动机污染物形成机理[33]。Zhang和Singh等人建立了包含燃烧时间尺度混合控制（mixing controlled timescale combustion）的三维CFD模型，着重对双燃料发动机的引燃油喷射特性和天然气燃烧过程进行了研究[34]。Kusaka等人建立了结合详细化学反应动力学的天然气-柴油双燃料发动机的模型，对双燃料发动机的燃烧及排放特性进行了模拟和试验研究[35]。
国内,北方交通大学张欣等人建立了双燃料发动机的二维燃烧模型,能够反映引燃油量、发动机转速与负荷等运行参数对发动机燃烧过程的影响[36]。浙江大学刘震涛等人建立了基于径向基函数(RBF)神经网络的天然气/柴油双燃料发动机的排放模型[37]。天津大学尧命发等人建立了柴油喷雾扩散燃烧子模型和气体燃料均质混合气火焰传播燃烧子模型,并利用该模型研究了双燃料发动机的燃烧机理[38]。宋金瓯等人利用KIVA-III软件研究了涡流比对柴油引燃天然气发动机燃烧速率的影响,发现随涡流比增强,燃烧速率先增后降[39]。合肥工业大学左承基等人根据涡流室、主燃室中气体流动过程的质量和能量的交换关系,建立了涡流室LPG/柴油双燃料发动机准维燃烧模型[40]。
此外还有经典的液滴破碎模型：TAB模型和WAVE模型；引燃油液滴的碰撞模型：O’Rourke随机碰撞模型；Hardenburg和Hase提出的滞燃期公式等。
三．总结
在缸内高压直喷LNG双燃料发动机中,作为主燃料的LNG的喷射雾化、蒸发以及喷雾发展过程在很大程度上决定了LNG在发动机缸内的时空分布，从而决定了发动机的燃烧品质，最终影响发动机的性能和排放。所以，开发高效低污染发动机的关键，是通过各种手段改善发动机缸内LNG的时空分布，提高喷雾质量，改善燃烧过程。同时由于柴油是作为点火源存在的，所以引燃柴油量的多少，也直接影响着后期喷入的LNG燃烧的稳定性。然而，LNG在缸内高压直喷时存在极为复杂的气液两相流过程，因此国内外在这方面的研究尚处于探索阶段。
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