噴射策略對引燃直噴天然氣發動機燃燒和排放的影響綜述

王雨心 劉世通 李旭 張強

摘要：柴油引燃直噴天然氣發動機具有熱效率高而排放低的優點，并且受爆震的影響小，可以采取較大的壓縮比。直噴天然氣發動機的早期研究在于工況點的性能比較和噴射參數的優化上，近年來噴射策略成為了學者們的研究重點，通過調節柴油和天然氣的噴射，改變發動機的燃燒方式，進而改善燃燒，減少排放。本文在以前文獻的基礎上，總結了噴射策略對引燃直噴天然氣發動機燃燒和排放的影響。

Abstract： Pilot ignited direct injection natural gas engine has the advantages of high thermal efficiency and low emission. And it is less affected by detonation and can take a larger compression ratio. The early research of direct injection natural gas engine lies in the performance comparison of operating point and the optimization of injection parameters. In recent years， the injection strategy has become the focus of scholars. By adjusting the injection of diesel and natural gas， the combustion mode of the engine can be changed to improve combustion and reduce emissions. Based on the previous literature， this paper summarizes the effects of injection strategy on combustion and emission of direct injection natural gas engine.

關鍵詞：柴油引燃;天然氣;噴射策略;燃燒;排放

Key words： pilot ignited;nature gas;injection strategy;combustion; emission

1? 緒論

內燃機的排放對大氣環境產生了許多危害，其中NOx是光化學煙霧形成的重要組成部分，也是酸雨的主要來源之一[1];PM是內燃機排放入空氣中的微小顆粒物，危害人體健康降低大氣質量。為了改善大氣環境，環境法規日益嚴格，專家們開始重視尋求更加清潔的能源代替傳統燃油以達到降低排放的目的。

天然氣的主要成分為甲烷，C/H比值小，熱值高，以天然氣為燃料的發動機在獲得和傳統柴油機相當的動力性的同時，排放更低、經濟性更好，因此天然氣作為傳統燃料的替代燃料，在發動機上得到了廣泛的應用。但是天然氣自燃溫度比柴油高，在沒有外部的點火源或者缸內高溫條件下，天然氣的點燃是個問題。

柴油引燃是解決天然氣點火困難的一種方法，但是傳統的火花點燃式發動機使用預混合天然氣進行燃燒，受爆震的限制，導致熱效率下降而熱負荷增加。為了在使用天然氣的同時，能夠匹配柴油機的熱效率和動力性，加拿大英屬哥倫比亞大學[2]提出了柴油引燃高壓直噴天然氣技術（HPDI），在上止點附近噴射少量引燃柴油（5-10%燃油能量），形成多點火核，隨后高壓噴射天然氣，非預混天然氣會被火核引燃，開始擴散燃燒。研究發現HPDI發動機不受爆震的限制，可以獲得與柴油機相當的動力性，同時NOx排放減少40%，PM排放減少65%。通過調節噴射參數靈活的改變燃燒模式，還可以進一步優化整體性能，所以HPDI發動機是未來天然氣發動機發展的一個可靠選擇。

2? 噴射策略

HPDI發動機的早期研究主要集中于擴散燃燒模式下不同測點的性能比較和噴射參數的優化方面，Douville[3]利用六缸兩沖程發動機進行13工況點穩態試驗，試驗發現HPDI發動機能夠得到與柴油機相似的動力性，而所有工況點下的NOx和PM排放均有所下降，燃燒速率更加平緩，峰值溫度更低，所以最高溫度的降低可能是NOx排放下降的主要原因。McTaggart-Cowan[4]為了降低NOx排放，嘗試采用添加EGR和調節噴射參數的方法，結果表明可以采用推遲噴射時刻、降低噴射壓力和提高EGR率等方法降低NOx的排放，但是PM、CO和HC排放會相應的增加;而在高EGR率下，縮短柴油/天然氣噴射間隔可以減緩EGR對PM和CO排放的負面影響。

近年來為了進一步減少排放，學者們的研究重心逐漸轉到新的噴射策略上。Faghani[5]在單缸發動機上進行試驗，研究中等轉速和負荷下HPDI后噴策略對排放和發動機性能的影響，研究發現當后噴比例為15-20%，天然氣主-后噴射間隔為1.5-2.5ms時，PM排放可以降低80%，CH4排放減少25%，而NOx排放和油耗量只是略微增加，這些結果表明合適的主-后噴射間隔可以分開主、后噴射所引起的燃燒，使燃燒室內的空氣得到充分利用，但噴射間隔過大時，兩次噴射的燃燒產物之間的相互作用將會減弱，后噴燃燒引起的溫升也不會促進主燃燒階段產生的PM氧化。隨后Faghani[6]在之前的試驗基礎上進一步展開研究，以燃油消耗量的增加<1%而PM下降最大為基準，找到試驗工況下的最優后噴比例和噴射間隔，同時指出燃油主噴射量的減少是PM排放降低的主要原因。但是關于HPDI后噴策略的研究還有一些不足，試驗僅在單缸機上進行，研究結果的合理性還需要在渦輪增壓多缸發動機上進行驗證，而且PM排放減少的詳細原因也沒有給出合理的解釋。

Zoldak[7]為了減少峰值壓力升高率，實現NOx和PM的低排放，首次提出了DI-NG燃燒模式，其通過將柴油在壓縮沖程進行分段噴射，兩次柴油噴射分別位于天然氣噴射前后，在避免過度預混合的同時實現了點火源和活性反應的梯度分布。模型計算結果表明在沒有引起缸內壓力峰值和壓力升高率增大的情況下，PM和NOx的排放降低，但是HC和CO排放仍然很高，而且因為引燃柴油噴射次數增加，為了保證穩定點火，引燃柴油比例不應低于5%。

McTaggart-Cowan[8]為了減少高壓直噴天然氣發動機的PM排放，提出了微預混燃燒（SPC）模式，并通過試驗進行研究。研究結果表明在給定的EGR率下，天然氣略微提前于柴油噴射，在降低30%PM排放的同時會伴隨著NOx和CH4排放的增加;而將SPC模式、降低引燃柴油量和優化EGR率三種措施相互配合，卻能夠不以NOx為代價降低20-30%的PM排放，或者在NOx排放的增加小于25%條件下，降低40%的PM排放。Faghani[9]將SPC模式應用于HPDI發動機，研究發現在合適的EGR率和EQR下，微預混燃燒能夠明顯降低PM排放，而NOx和CH4排放不會惡化;而且通過調節柴油/天然氣的噴射間隔、EGR率和EQR，可以找到最佳微預混燃燒工況點，此時PM排放下降90%，NOx和CH4排放只是略微增加。但是該燃燒模式的主要缺點就是引燃柴油和天然氣的相互作用，導致循環波動和峰值壓力升高率很大，從而產生更高的發動機噪聲。

Munshi10]在直噴天然氣發動機上研究了擴散燃燒、部分預混合燃燒和均質預混合燃燒三種燃燒模式的聯合使用，研究發現在怠速、低負荷工況下只有擴散燃燒模式可以保證可靠的點火和穩定的燃燒，但是該模式下NOx和PM排放很高;在25-50%負荷下均質預混合燃燒匹配合適的EGR率，可以實現NOx和PM幾近零排放，且熱效率獲得較大的提高，但是缸內峰值壓力和發動機爆震是限制該燃燒模式高負荷運行的重要因素，同時CO和CH4排放問題仍沒有得到有效解決;部分預混合燃燒是均質預混合燃燒和擴散燃燒的折中模式，不僅削弱了缸內峰值壓力和爆震的影響，還拓展了負荷的運行范圍，在高負荷下NOx排放很低而熱效率可以超過40%，但是PM排放較高是該燃燒模式的一大缺點，可能是預混比例和噴射時刻不合適的原因。與Munshi的研究不同的是，Li[11]的數值模擬把研究重點放在了部分預混合燃燒模式的噴射參數研究上，如圖1-圖3所示，模擬發現提高天然氣預噴射比例可以減少soot和CO排放，并且提高指示熱效率，但是NOx排放會增加;而天然氣預噴射時間對熱效率的影響在不同預噴射比例下卻是不同的，這應該是天然氣的噴束特性和缸內流場相互作用的結果;通過協調天然氣預噴射比例、預噴射時刻和EGR率，可以在NOx排放和熱效率不惡化的基礎上明顯降低Soot和CO的排放。

3? 總結

①主后噴射方式通過將少量柴油進行二次噴射，減少燃燒時混合氣的局部濃度和燃燒強度，從而降低PM的排放，并且實現NOx的有效控制。

②微量預混合噴射通過天然氣的略微提前噴射，形成少量的預混合氣，從而改變發動機的燃燒和排放。研究表明該噴射策略以NOx為代價降低PM排放，但是NOx的惡化可以通過添加EGR進行調節。

③DI-NG噴射和部分預混合噴射都是通過天然氣提前噴射的方式，形成小部分的預混合天然氣，從而減小天然氣的擴散時間，增加燃燒速度。

參考文獻：

[1]Seinfeld J.H. and S.N. Pandis. Atmospheric Chemistry and Physics： From Air Pollution to Climate Change. Wiley， New York， 1996.

[2]Harrington J. Munshi S. Nedelcu C. Direct Injection of Natural Gas in a Heavy-Duty Diesel Engine. SAE Technical Paper 2002-01-1630， 2002.

[3]Douville B， Ouellette P， Touchette A， et al. Performance and emissions of a two-stroke engine fuel using high-pressure direct injection of natural gas[C]. SAE World Congress & Exhibition. USA： Detroit， 1998， 981160.

[4]McTaggart-Cowan GP， Bushe WK， Rogak SN， Hill PG， Munshi SR. PM and NOx reduction by injection parameter alterations in a direct injected， pilot ignited， heavy duty natural gas engine with EGR at various operating conditions. SAE technical paper， 2005-01-1733， 2005.

[5]Faghani E， Patychuk B， McTaggart-Cowan G P， Rogak S. Soot emission reduction from post injection strategies in a high pressure direct-injection natural gas engine. Technical Paper No. 2013-24-0114. SAE; 2013.

[6]Faghani E， Kheirkhah P， Mabson CWJ， McTaggart-Cowan GP. Effect of injection strategies on emissions from a pilot-ignited direct-injection natural-gas engine- Part I： late post injection. Technical Paper No. 2017-01-0774. SAE; 2017.

[7]Zoldak P， Sobiesiak A， Wickman D， Bergin M. Combustion simulation of dual fuel CNG engine using direct injection of natural gas and diesel. SAE Int J Engines 2015; 8（2）： 846-58.

[8]McTaggart-Cowan GP， Mann K， Huang J， Wu N， Munshi SR. Particulate matter reduction from a pilot-ignited， direct injection of natural gas Engine. Proc ASME 2012 Int Combust Eng Div Fall Tech Conf 2012： ICEF2012-92162.

[9]Faghani E， Kheirkhah P， Mabson CWJ， Mctaggart-Cowan GP. Effect of injection strategies on emissions from a pilot-ignited direct-injection natural-gas engine-Part II： slightly premixed combustion. SAE technical paper. 2017-01-0763.

[10]Munshi SR， McTaggart-Cowan GP， Huang J， Hill PG. Development of a partially-premixed combustion strategy for a low-emission， direct injection high efficiency natural gas engine. ASME 2011 internal combustion engine division fall technical conference. West Virginia， USA： Morgan town; 2011.

[11]Li MH， Zheng XL， Zhang Q， Li ZG， Shen BX. The effects of partially premixed combustion mode on the performance and emissions of a direct injection natural gas engine. Fuel 2019; 250： 218-34.