0 引　言

在2016年1月1日起实施Tier Ⅲ排放法规^[1]，NO_x的排放较 TierⅠ相比，降低了约80%；自2020年9月22日起，中国力争在2060年前达到零碳排放，节能减排是当代内燃机领域最重要的挑战。RCCI（活性控制压燃燃烧）^[2-3]是一种新型低温燃烧模式，主要通过燃烧相位可控策略实现高效燃烧并有效降低NO_x排放的燃烧模式。本文采用多种理化性质和活性差异大的燃料，通过改变不同燃料掺混方式和掺混比例调节缸内可燃混合气浓度来控制燃烧过程，实现柴油机RCCI燃烧，达到提高柴油机燃烧效率降低NO_x排放的效果。李鹏等^[4]通过仿真研究喷油策略对柴油机RCCI燃烧模式的性能影响，研究表明：引燃柴油采用预喷策略后，缸内燃烧更加平缓，对于soot，NO_x排放有明显改善。

甲醇原料来源广泛，可通过煤、木材、天然气等制备，并且其高汽化潜热值和低含碳量能降低NO_x和CO₂排放等优点，在众多替代燃料中应用前景较好，具有重要的研究价值^[5]。姚春德等^[6]通过试验研究缸内直喷不同甲醇掺混比对柴油机工作性能的影响，研究表明与单点喷射相比采用多点喷射法后，柴油机NO_x排放有一定的改善，甲醇替代率提高，燃烧效率提高。

水与柴油二者理化性质差异较大且水的比热容大，掺水乳化油会降低缸内温度，对缸内燃烧滞燃期影响极大，掺水乳化油技术对于改善NO_x效果显著^[7]，是船舶满足Tier Ⅲ排放法规的主要技术之一。史德胜等^[8]在1135柴油机上研究了可控掺水燃烧试验，研究表明，柴油机最佳掺水率在不同负荷下比例是不同的，可控的掺水燃烧可以在高负荷下大幅度降低NO_x排放。

本文通过改变进气道甲醇掺混比和缸内直喷乳化油掺水率，研究柴油机缸内可燃混合气浓度和燃烧过程火焰传播速率对柴油机RCCI燃烧模式的影响，可为实现Tier Ⅲ NO_x排放法规和碳中和目标提供理论依据。

1 建立仿真模型 1.1 研究对象

TBD620单缸机为四冲程、高压共轨柴油机，其主要参数如表1所示。甲醇燃料和柴油燃油燃料的理化性质对比如表2所示，相较于柴油，甲醇燃料的含碳量与热值较低，含氧量和汽化潜热值远高于柴油。

1.2 模型选择

本文仅研究柴油机从进气门关闭到排气门打开过程，为节省计算时间，建立1/5燃烧室模型如图1所示。模拟研究中使用的子模型^[9–10]如表3所示，使用的柴油/甲醇双燃料反应机理已在广泛的运行条件下得到验证^[11]。

1.3 仿真方案

以TBD620型柴油机为研究对象，在额定工况下，研究甲醇进气道喷射对柴油机的工作性能影响，将甲醇进气道掺混比例分为10%，20%，30%，40%，50%，其掺混比的定义为：在相同工况下，部分柴油等热值替换成甲醇后燃烧放出的热量与柴油和甲醇总热量的比值。掺水乳化油掺混比例定义为柴油和水的质量百分比，即

$ {R_{\rm{m}}} = \frac{{{M_{\rm{m}}} \cdot {H_{\rm{m}}}}}{{{M_{\rm{m}}} \cdot {H_{\rm{m}}} + {M_{\rm{d}}} \cdot {H_{\rm{d}}}}} \times 100\% ，$

$ R_{\rm{w}} = \frac{M_{\rm{w}}}{M_{\rm{w}} + M_{\rm{d}}} \times 100\% 。$

式中：R_m和R_w分别为甲醇掺混比和掺水率；M_m，M_d和M_w分别为甲醇、柴油和水的质量，kg；H_m为甲醇低热值，取值为19.6 MJ/kg；H_d为柴油低热值，取值为42.5 MJ/kg；柴油喷射相位D_SOI为701°CA。

改变可燃混合气浓度的柴油机RCCI燃烧模式研究方案如表4所示。在额定工况下，柴油机转速为1 800 r/min，10%~50%共5组甲醇掺混比，在5组甲醇掺混比对应0~20%共6组掺水率，共30组模拟研究组合，后文中M0表示为柴油机纯柴油燃烧。

1.4 仿真模型校核

如图2所示，柴油机缸内压力曲线仿真值和试验值高度吻合，误差范围在5%以内。因仿真研究中无法完全模拟出实际的燃烧过程，所以仿真与试验结果难免存在一定的误差，但误差很小，故该模型可用于模拟研究。

2 改变R_m对RCCI柴油机燃烧性能影响

甲醇和柴油理化性质相差较大，进气道喷射法与直接掺混法不同，进气道甲醇掺混比不同在预混燃烧阶段形成可燃混合气浓度、活性差异极大，通过进气道喷射法改变R_m研究混合气浓度对RCCI柴油机燃烧和排放性能的影响。

2.1 改变R_m后RCCI柴油机燃烧情况分析

图3（a）为进气道喷射法不同R_m时缸压与放热率的变化。可知，随着R_m增加柴油机缸内爆压呈先升高后下降趋势，当R_m为40%时对应缸内爆压最高为18.43 MPa，与M0相比升高5.96%，并且随着R_m增加缸内压力峰值对应的曲轴转角前移，燃烧后期缸压下降速度较快，柴油机缸内爆压大小受缸内温度和可燃混合气浓度影响。与柴油相比，甲醇汽化潜热值较大，随着R_m增加甲醇汽化吸热量增加，缸内温度逐渐下降，但缸内甲醇混合气浓度升高，当R_m小于50%时，甲醇汽化吸热降低缸内温度对缸内压力变化的影响小，甲醇混合气浓度升高促进燃烧对缸内压力变化的影响大，故随R_m增加甲醇热值占比升高，进气道喷入甲醇量增加，预混燃烧阶段燃料总量增加，扩散燃烧阶段柴油燃烧量减少，缸内直喷油持续时间缩短，缸内压力峰值增加且对应的曲轴转角提前，但燃烧后期缸压下降速度较快；当R_m达到50%时，此时甲醇掺混比例过大，通过进气道喷射法进入气缸后汽化吸热较多缸内温度下降明显，柴油喷入缸内雾化蒸发效果下降，使缸内压力峰值与当R_m等于40%相比有所下降，但与M0相比仍高出5.1%。

如图3（a）所示，随着R_m增加着火始点推迟、滞燃期延长1～2.5℃A，但放热率曲线的峰值上升且相对应曲轴转角前移，扩散燃烧持续时间缩短，扩散燃烧阶段放热量下降明显。放热率的高低与缸内着火时混合气浓度有很大影响，随着R_m增大预混燃烧阶段甲醇混合气浓度升高，燃烧初期放热率峰值上升，但由于扩散燃烧阶段柴油燃烧量随着R_m增加而下降，故喷油持续期缩短，扩散燃烧阶段占比减少因此燃烧持续期缩短。

图3（b）为不同R_m时柴油机燃烧效率的变化。可知，随着R_m增加柴油机燃烧效率呈下降趋势，与M0相比随着R_m增加燃烧效率依次下降7.9%，15.9%，24.1%，32.1%，40.0%。随着R_m增加甲醇汽化吸热后缸内温度逐渐下降，不利于柴油雾化蒸发，抵消了甲醇含氧量高对燃烧有利的影响，缸内温度下降太多不利于柴油充分燃烧，故CO与碳烟排放逐渐升高，燃油利用率有所下降，燃烧效率下降。

柴油机缸内温度对于污染物排放有很大影响，图4为缸内温度的变化曲线。可知，随着R_m增加柴油机缸内温度峰值下降且峰值对应的曲轴转角前移，但燃烧初期缸内温度升高率逐渐增大，燃烧后期缸内温度下降斜率增大，相比M0，当R_m为50%时缸内温度峰值下降7.4%，峰值对应曲轴转角提前17.4°CA。这主要因为随着R_m增加预混燃烧阶段甲醇混合气浓度升高，所以随着R_m增加预混燃烧阶段燃烧反应加快，缸内着火后，缩短速燃期，使得放热更加集中，缸内温度升高率增大但反应持续期较短，缸内温度峰值前移，并随R_m增加扩散燃烧阶段柴油喷油量下降，喷油持续期缩短，燃烧反应提前结束扩散燃烧阶段缸内温度下降速率较快。

图5为不同R_m下不同曲轴转角对应的缸内温度场。同R_m下，随着曲轴转角增加，高温区由燃油喷射轴线四周向缸内凹坑处扩散。因为随着喷油后液滴撞击缸壁，聚集在缸内凹坑处并向四周流动，逐渐在缸内扩散，同时燃烧反应发生，因此气缸盖、活塞边缘区域温度低，后期凹坑处以及凹坑四周温度较高。在同一曲轴转角下，可明显观察到，随着R_m增加，缸内温度降低，与其他R_m相比，当R_m为50%时曲轴转角为708°CA，下降幅度最为明显甚至未出现着火点，在曲轴转角为712°CA下，随着R_m增加缸内燃烧反应迅速进行，并且火焰传播更快，高温区向缸内凹坑处扩散速度加快。

2.2 改变R_m后RCCI柴油机排放分析

图6为不同R_m时柴油机CO排放的变化。可知，在燃烧初期随着R_m增加柴油机CO生成曲线峰值逐渐下降且对应的曲轴转角提前CO生成始点也有所提前，CO排放呈上升趋势，与M0相比，当R_m为50%时，CO生成峰值对应的曲轴转角提前13.0°CA。影响CO生成因素主要为低温缺氧和氧化时间，一方面，因甲醇汽化潜热高，随着R_m增加缸内甲醇混合气浓度升高，但缸内温度逐渐下降，滞燃期延长对燃烧不利促进CO生成且生成时刻随R_m增加而提前，但甲醇含氧量高使得燃烧时火焰传播速度加快，缸内着火后燃烧反应迅速进行，因此随着R_m增加CO生成峰值逐渐下降。另一方面，因甲醇的加入降低了燃烧室温度，温度较低导致燃油燃烧不彻底，CO排放增加。此外，OH基可以促进CO向CO₂氧化，扩散燃烧阶段缸内温度下降速率较快，温度较低时不利于H₂O₂裂解，从而导致CO氧化速度变慢，CO排放量增加。

图7为不同R_m时柴油机CO₂排放的变化。可知，随着R_m增加柴油机CO₂排放呈下降趋势，当R_m为50%时CO₂排放达到最小值，与M0相比下降41.8%，降幅较大。这主要由于甲醇的热值仅为柴油的46%，并且甲醇的含碳量为柴油的43%左右，故燃烧释放等量热时，燃烧甲醇释放CO₂更少，燃用甲醇燃料属于低碳燃烧，故随着R_m增加CO₂排放逐渐下降。图8为不同R_m时柴油机HC排放的变化。可知，正常情况下柴油机HC排放极低，HC是碳氢燃料裂解及不完全燃烧时产生，随着R_m增加柴油机燃烧效率下降，未完全燃烧部分较多以HC形式排放，柴油机HC排放成倍增长。主要原因是随着R_m增加甲醇蒸发吸热较大，缸内温度降低，不利于燃油蒸发和燃烧过程，并且缸内壁面淬熄作用增强，以及狭隙效应、油膜吸附等影响，导致HC排放剧增。

图9为不同R_m时柴油机NO_x排放的变化。可知，随着R_m增加柴油机NO_x排放呈先升高后下降趋势，且NO_x生成时刻对应的曲轴转角提前，当R_m为30%时NO_x排放最高，与M0相比升高5.5%，当R_m为50%时NO_x排放最低，与M0相比下降7.7%，影响NO_x排放的主要因素有氧含量、温度以及燃烧反应持续时间。甲醇其自身含氧量较高达到50%，当R_m小于40%时，随着R_m增加缸内氧含量增加，并且掺烧甲醇后燃烧反应速度变快，燃烧初期缸内温度升高幅度增大，故NO_x排放随R_m增加而升高。而当R_m达到40%时，随R_m增加缸内温度进一步下降，但甲醇燃烧时火焰传播速度较快，燃烧反应迅速，以至于燃料在高温区滞留时间缩短，以及随着R_m增加，扩散燃烧阶段占比减少，缸内温度下降斜率较大，高温持续期明显缩短，综合多重因素导致NO排放下降。

图10为不同R_m时柴油机soot排放的变化。可知，随着R_m增加，柴油机soot生成峰值逐渐下降且对应的曲轴转角有所提前，但soot排放呈先下降后上升趋势，当R_m为10%柴油机soot排放达到最低，与M0相比下降33.2%，当R_m大于10%时soot排放开始上升，R_m为50%时soot排放达到最大值，与M0相比提高23.7%，但R_m为30%时与M0相比soot排放下降14.1%。柴油机soot排放受温度和氧含量影响较大。随着R_m增加缸内甲醇混合气浓度升高，因甲醇汽化汽化吸热，缸内温度逐渐下降，滞燃期延长且对燃烧不利故soot生成时刻随R_m增加而提前，但甲醇含氧量高使得燃烧时火焰传播速度加快，缸内着火后燃烧反应迅速进行，因此随着R_m增加soot生成峰值逐渐下降。虽然随着R_m增加缸内氧含量升高，但缸内温度峰值逐渐下降，并且柴油喷油持续期缩短，燃烧后期缸内温度下降斜率较大。当R_m增加达到10%时，缸内氧含量升高对燃烧反应有利，所以随着R_m增加soot排放下降。而当R_m大于10%时，虽然缸内氧含量较高，但温度较低不利于soot氧化，并且高温持续期缩短，故随着R_m增加soot排放升高。

图11为不同R_m时柴油机甲醛排放的变化。可以看出，相比于M0随着R_m增加，甲醛生成峰值倍增，甲醛排放增加。这是因为随着R_m增加，缸内温度逐渐下降，甲醇燃烧不完全时会生成甲醛。然而R_m增加，缸内氧化活性OH基生成量增加，同时H₂O₂在高温条件下也会分解大量OH基，OH基可与甲醛反应氧化从而降低甲醛排放，故缸内温度峰值对应的曲轴转角甲醛下降速率最快；R_m增加缸内温度峰值下降且对应的曲轴转角提前，扩散燃烧阶段缸内温度下降速率较快，温度较低时不利于H₂O₂裂解，导致部分甲醛无法被完全氧化，故甲醛排放高于原机并随着R_m增加而增加。

3 改变R_w对柴油机RCCI工作性能影响

在采用甲醇进气道喷射法后，减少了柴油的使用，CO₂排放下降明显，NOx下降效果不佳，燃烧效率有所下降，对柴油机RCCI燃烧效果改善一般。水与柴油二者理化性质差异较大且水的比热容大，掺水乳化油会降低缸内温度、改变火焰温度和燃油扩散性以及降低混合燃油活化能，对柴油机缸内燃烧滞燃期影响极大，在高温作用下会分解为H，O和OH的活泼原子和自由基能提高火焰传播速率，研究缸内直喷改变R_w对RCCI柴油机的性能影响。

3.1 改变R_w后RCCI柴油机燃烧性能分析

图12为R_m为50%时，随着掺水乳化油R_w增加，柴油机缸内压力与放热率曲线的变化。可以看出，随着R_w增加缸内压力总体呈下降趋势，但在R_w为4%时，其缸内压力与R_w为0%时基本重合。当R_w超过4%时，缸内压力峰值开始下降。随着R_w增加，放热率曲线相对的曲轴转角后移，着火点推迟，滞燃期延长1～2℃A，在燃烧初期峰值上升，在扩散燃烧阶段峰值下降。如图13所示，在不同R_m时随着R_w增加，柴油机缸内压力变化曲线基本一致，在R_w较小时，缸内压力下降幅度较小，在R_w较大时，缸内压力下降幅度增大，与R_w为0%时相比，当R_w达到20%时，随着R_m从10%增加至50%，缸内压力依次下降1.1%，1.2%，1.2%，1.3%，1.4%，由此可知，在相同R_w时随着R_m增加，缸内压力下降幅度也有所增加。在不同R_m时随着R_w增加，柴油机缸内温度整体呈下降趋势，且下降幅度逐渐增大，与R_w为0%时相比，当R_w达到20%时，随着R_m从10%增加至50%，缸内温度依次下降12.5K，18.1K，18.6K，21.2K，17.1K，下降幅度先升高后降低，在R_m为40%时，缸内温度峰值下降最多。在不同R_m时随着R_w增加，柴油机燃料燃烧效率逐渐升高，当R_m与R_w组合比为M10W16，M10W20时燃烧效率与原机接近。主要原因是随着R_w增加，水的汽化潜热大，水分子汽化会吸收较多热量降低缸内温度，着火点滞后，预混燃烧阶段燃油增多，虽然水分子不能直接燃烧，但在高温和触媒反应下，会分解为H，O和OH的活泼原子和自由基有利于活化燃烧反应^[13]，其次水分子蒸发后燃烧室内可燃混合气均匀化，油束区域大大扩大，增加油气接触面积，使能量传递效率增加，同时降低缸内各部分温差，防止出现粗暴燃烧，降低压力升高率，燃烧更平稳进行，同时加快了火焰传播速度，缓解因进气道R_m过大出现预混燃烧阶段燃油过多缸内出现燃烧粗暴现象，并且水分子在燃烧时，会形成水包油结构产生微爆反应，减小油滴颗粒直径，改善燃料与空气混和状态，燃烧效率有所提高，加之水分子在高温缺氧区域会与碳粒发生“水煤气”反应，故着火后燃烧初期放热量增加，扩散燃烧阶段缸内温度降低，放热率峰值也有所下降。但由于水汽化后，水蒸气分子加入，降低缸内氧气浓度，也会对缸内燃烧有一定抑制作用，故随着R_w增加，缸内温度下降，燃烧效率升高，缸内压力逐渐降低，且降幅会逐渐增大。

图14为R_m50%不同R_w时对应燃烧室温度场。在相同曲轴转角时，可明显观察到，随着Rw增加，缸内温度降低，与其他R_w相比，当R_w达到12%时曲轴转角为710°CA，缸内温度下降显著，未出现着火点，当R_w为20%时曲轴转角在712°CA，才出现明显的着火点，相比R_w为0%时滞燃期延长2℃A，随着R_w增加缸内燃烧反应更迅速，并且火焰传播加快，高温区迅速向缸内凹坑处延伸，曲轴转角在716°CA时高温区域基本一致，随着R_w增加，缸内温度降低，柴油机着火始点推迟，滞燃期延长，但水分子蒸发后缸内可燃混合气均匀化，油束区域扩大，增加油气接触面积，能量传递效率增加，同时加快火焰传播速度，达到着火点后燃烧反应迅速进行。

3.2 改变R_w后RCCI柴油机排放性能分析

图15为在不同R_m时随着R_w增加，HC、CO₂、CO排放变化。可以看出，随着R_w增加，CO₂排放变化较小呈降低趋势，CO排放先减少后增加，与R_w为0%时相比，在R_w为4%时，其CO排放有所降低，而当R_w超过4%时，CO排放开始上升，当R_w达到20%时，随着R_m从10%增加至50%，CO排放依次升高5.0%、3.0%、2.8%、1.6%、2.5%，CO排放整体升高。在不同R_m时随着R_w增加，HC排放逐渐上升，与R_w为0%时相比，当R_w达到20%时，随着R_m从10%增加至50%，HC排放依次上升7.9%、7.0%、8.0%、10.1%、11.1%。当R_w为4%掺水率较小时，缸内平均温度变化不大，水蒸气与碳发生“水煤气”反应，可以促进碳烟颗粒的氧化，使积碳、结胶和含碳颗粒明显减少，改善缸内燃烧，促进CO氧化，故CO排放下降。而随着R_w继续增加，滞燃期延长，预混燃烧阶段燃油增加，水分子的加入会吸收缸内温度，降低燃烧火焰峰值温度及局部温度，并且水汽化后会稀释缸内氧浓度，对缸内燃烧有一定的抑制作用，不利于燃油蒸发和燃烧过程，导致HC排放剧增，同时也不利于CO向CO₂的转化，故CO排放逐渐升高CO₂下降。

如图16所示，不同R_m时随着R_w增加柴油机soot排放整体呈上升趋势，与R_w为0%时相比，当R_w达到20%时，随着R_m从10%增加至50%，soot排放依次升高9.3%，15.8%，16.7%，5.3%，3.6%，随着R_m增加soot排放升高幅度也呈先增大后减小趋势，在R_m为30%时soot排放升高幅度最大。在不同R_m时随着R_w增加，柴油机NO_x排放逐渐下降，与R_w为0%时相比，当R_w达到20%时，随着R_m从10%增加至50%，NO_x排放依次下降6.1%，9.3%，13.3%，12.2%，9.5%，随着R_m增加下降幅度呈先增大后减小趋势，在R_m为30%时NO_x排放下降幅度最大。在不同R_m时随着R_w增加，柴油机CH₂O排放呈上升趋势，但整体变化幅度较小，与R_w为0%时相比，当R_w达到20%时，随着R_m从10%增加至50%，CH₂O排放依次下降8.5%，6.4%，5.1%，6.2%，4.6%。随着R_w增加，着火时刻滞后1℃A～2℃A，预混燃烧阶段缸内油气含量过多，同时水分子汽化吸收缸内热量，降低燃烧火焰峰值温度，缸内温度下降，水汽化后水蒸汽会稀释燃烧室氧浓度，避免富氧区的形成，NO_x排放下降CH₂O排放升高，同时导致在预混燃烧阶段生成大量碳烟，因缸内温度降低碳烟氧化速率也明显下降，大量碳烟不能及时被氧化，因此soot排放随R_w增加而上升。

4 结　语

本文研究采用甲醇进气道喷射法和掺水乳化油缸内直喷2种方法，通过改变不同燃料掺混方式和掺混比例调节缸内可燃混合气浓度研究对柴油机RCCI燃烧的性能影响，主要是通过改变可燃混合气浓度和火焰传播速率实现燃烧过程相位定向调控，结论如下：

1）甲醇汽化潜热值约为柴油4倍，甲醇火焰传播速度快，达到着火点后缸内燃烧迅速，采用甲醇进气道喷射法后，随着R_m增加，燃烧始点滞后、燃烧初期放热率峰值上升，燃烧效率下降，缸内压力峰值升高，CO₂，NO_X排放显著下降。

2）掺水乳化油技术不仅能降低缸内温度，高温作用下会分解为H，O和OH的活泼原子和自由基能提高火焰传播速率。采用掺水乳化油技术后，随着R_w增加，柴油机燃烧始点滞后，燃烧初期放热率峰值升高，燃烧效率提高，NO_X排放显著下降。

3）通过甲醇进气道喷射法和缸内直喷掺水乳化油技术相结合，实现柴油机RCCI燃烧策略，R_m与R_w最佳组合比为M10W20，与原机相比柴油机燃烧效率提高，soot，CO₂，NO_X排放显著改善。