掺烧天然气的柴油机燃烧与排放特性仿真

王静 冯是全 仲兴 吴时 卜天意

常熟理工学院 汽车工程学院 江苏 常熟 215500

摘要：本文利用简化机理构建了柴油机中掺加天然气的燃烧模型，论述了不同比例天然气对柴油发动机燃烧过程和燃烧产物的影响。柴油在缸内喷射，通过改变进入发动机气缸内天然气的比例，仿真计算不同工况下发动机缸内燃烧情况并分析污染物生成情况。通过计算发现，掺烧天然气在一定程度上能增加缸内温度和压力峰值，一定程度上减少了NO和NO₂的生成，同时soot的生成情况也有所变化。

关键词：天然气 柴油机 仿真计算 燃烧产物

1.引言

柴油机在现代社会是被普遍使用的发动机，它应用比较广泛，涉及的领域也比较多。柴油机的热效率比较高，与汽油机相比它的排气污染要少。柴油机是靠消耗柴油来工作的，所以必然会产生一定量的有害气体，所以我们要尽可能把废气排放降到最低。在我们中国北方省份，雾霾现象一直很严重^[1]，全国前10空气污染严重地区都在北方，其中有7个在河北省，是我国雾霾比较严重的地方。特别是到了冬季，空气污染指数会一直居高不下，严重危害我国居民的身体健康，引起雾霾现象的主要原因就是消耗了大量的化石燃料。燃烧后产生了诸如氮氧化物、细微粒物和硫氧化物等污染物，这些废气会对人体造成很大伤害。在柴油机中掺烧天然气是一种较为理想的降低排放的措施，而且我国的天然气储量也较为可观，根据国家国土资源部的统计资料显示^[2-4]，至2020年底，我国探明的可采储天然气量大约为7800.65亿立方米，居世界第13位。天然气燃料有燃烧热值高、储存简单、燃烧排放物清洁等优点，是比较理想的清洁能源，在柴油机中掺烧天然气可以较为有利的提高燃烧效率，降低发动机的污染物排放^[5-7]。

本文以一台涡轮增压、进气中冷柴油机为仿真模型，根据仿真的需要对燃油喷射参数进行相应调整，以柴油为主要燃料，在进气道中加入不同比例的天然气，制取混有不同比例的天然气/柴油的混合燃料。针对添加不同比例的天然气/柴油混合燃料研究其对发动机燃烧与排放的改善情况。

2.柴油机基本参数

本文仿真研究对象为一台济南柴油机厂生产的4190ZLC-2型柴油机为仿真模型。发动机排量是23.82L，涡轮增压四缸四冲程。说明: ABDC=下止点以后；ATDC=上止点以后；BBDC=下止点以前;；BTDC= 上止点以后。

3.建立模型

为了仿真加入不同比例天然气条件下对发动机性能的影响，在仿真计算中，只改变了混合气体中天然气的比例，其他参数均无改变。仿真条件为：喷油提前角为上止点前7.5°，总的喷油时间控制在0.004sec内，喷油总量定为0.0535g，发动机额定转速为1000r/min。喷油嘴有八个喷孔，且在圆周上均匀分布，因此在研究中，我们可以只研究气缸中的一个喷油嘴即只研究1/8的气缸体积来减少运算量。可以用扇形模型来代表整个发动机气缸的几何形状，因为气缸和喷油嘴都具有对称性，这种扇形模型的网格数量相比整个气缸模型的网格数量要小得多，因此模拟运算更快。在尾气成分中我们选取了几种具有代表性的成分，选取了CO、CO₂、NO、NO₂和soot作为柴油机燃烧生成污染物的代表并进行仿真分析。

4.仿真结果和讨论

随着加入天然气比例的越高，缸内压力和缸内温度明显上移，温度和压力的峰值均有所上升。因此，混合燃料中天然气比例越高对发动机燃烧有着明显的改善作用，有助于发动机的充分燃烧。

在进气过程中加入的天然气比例增加，缸内的燃烧速度会大幅增加，可以使得缸内的燃烧反应更充分，提高了发动机的燃烧效率和燃油经济性。因此，加入越高比例的天然气对发动机燃烧有着明显的改善作用，能提高发动机的燃烧效率,使缸内残留废气燃烧更加充分，提高燃烧热效率，实现发动机高效清洁的燃烧过程

观察不同比例的天然气和柴油混合燃料和纯柴油的缸内各种污染物气体的变化。纯柴油排放CO的峰值要远远高于其他天然气/柴油混合燃烧，加入一定比例的天然气以后，CO排放峰值远小于纯柴油，但最终排放污染物的数量纯柴油反而是最少的，这是因为缸内大部分没有燃烧完全的气体，再加上天然气本身热值高，燃烧速度变慢导致的，所以反应生成的CO要多一些。在曲轴转角-16°CA左右，气缸内反应便开始产生CO₂，最后排放结果同上，理论也相似。

图71NO与曲轴转角的变化曲线图

由图1可知，2%比例的天然气/柴油混合燃烧产生的NO与其他比例的天然气/柴油燃料以及纯柴油相比，排放量和最大值都大幅度降低，对发动机排放的改善效果更显著。

图2NO₂与曲轴转角的变化曲线图

由图2可知，4%比例的天然气/柴油混合燃料燃烧室产生的NO₂的最大值与其他比例的天然气/柴油混合燃料以及纯柴油相比大幅度降低，由此可以看出掺加4%天然气对发动机排放污染物改善效果更好。

5总结

本文针对一般柴油机，分析了在掺烧不同比例天然气策略下，柴油机所表现出的燃烧性能和燃烧产物性能的不同。我们分别建立了纯柴油，2%天然气，3%天然气和4%天然气的仿真模型，并对它们进行仿真分析。从前四来看，加入一定比例天然气可以改善柴油机燃烧条件，使其工作更加平稳，可以有效的减少燃烧产物中NO和NO₂的质量，在这些方面，天然气和柴油双燃料发动机具有很大的优势。但同时因天然气燃烧不完全，其燃烧产物中CO和CO₂会急剧上升，这不同于改善柴油机燃烧产物的预期诉求，因此我们还需要不断改进方式，保证在燃烧良好的情况下减少CO和CO₂排放。

参考文献

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