0 引　言

内燃机以其优越的动力性、可靠性、耐用性和良好的经济性而得到广泛应用，在交通运输领域发挥了重要作用^[1]。进入21世纪以来，经济全球化进程不断加速，全球95%以上的商品运输量都是由航运业来承担的。据船用柴油机制造商MAN B&W公司统计，90%以上的船舶使用柴油机作为发电机或主推进动力装置^[2]。船舶柴油机也是燃油消耗与废气有害物排放的主要来源。随着传统化石能源的不断消耗以及环境污染不断加重，这对船用柴油机提出了更高的要求。为了缓解传统化石能源的消耗以及应对日益严格的排放法规。近年来，使用替代燃料被认可为降低船舶发动机排放、缓解能源危机的重要途径^[3]，比较有潜力的替代燃料包括天然气、醇类和生物柴油等^[4]。已有研究表明，天然气作为主要燃料可同时降低多种污染物排放^[5]。因此，天然气已被作为一种广泛使用的船舶发动机的替代燃料^[6]。天然气发动机中根据天然气供气方式可分为进气道喷射和和缸内直喷2种类型。直喷天然气能解决天然气进气道喷射方式带来的充气效率较低的问题，进而提高发动机的做功能力，因此缸内直喷天然气发动机具有较好的发展前景。

在船用发动机中，柴油引燃直喷天然气发动机在解决能源和环境问题方面具有较好的前景。对直喷天然气发动机喷射参数的研究表明，增大引燃柴油的喷射压力，缸内最高爆发压力会增大，燃料经济性得到改善，但氮氧化物（NOx）排放有所恶化^{[7 − 9]}。高负荷下增大天然气喷射压力可显著降低CO和颗粒物排放，但NOx排放增大^{[10 − 12]}。采用合适的天然气喷射提前角可获得较好的缸内燃烧过程，并能提高发动机热效率和降低污染物排放^[13−14]。喷射策略的优化对柴油引燃天然气高压直喷发动机具有重要意义^{[15 − 19]}。Li等^[20]研究了天然气分次喷射对高压直喷发动机性能的影响，结果表明天然气分次喷射会降低缸内最高爆发压力和热释放率峰值，后喷有利于降低NOx 和 HC 排放，但会引起CO排放的增加。范新雨^[21]对燃烧室结构和天然气喷射参数进行了研究，发现燃烧室结构对于混合气的均匀性有很大影响，天然气喷射参数对燃烧热效率、HC 排放有较大影响。还有研究发现，天然气分段喷射采用较小喷射间隔可以降低HC和NOx排放，同时采用合适的预喷提前角能改善CO排放^[22]。当天然气分段喷射间隔较大时宜采用较大比例的预喷量^[23]。

当前对船用发动机天然气预喷比例耦合EGR率对燃烧及排放特性的研究涉及较少。对部分预混高压直喷天然气发动机的甲烷逃逸问题研究不足。本研究从天然气部分预喷的角度出发，采用CONVERGE仿真软件研究了5种天然气预喷比例耦合5种EGR率对高压直喷天然气发动机性能及排放的影响。对比了高压直喷方案和不同预喷量耦合EGR的预喷方案对发动机性能以及排放的影响，旨在对部分预混高压直喷天然气发动机有更深的理解，为优化高压直喷天然气发动机燃烧和排放特性提供参考。

1 模型建立和验证 1.1 模型建立

本文以Kheirkhah所开展的发动机实验为基础^[24]，建立了发动机的三维仿真模型。试验所用的发动机为一台经过改造的六缸四冲程康明斯ISX-400重型柴油机，发动机各项参数如表1所示。试验所用的喷射器为西港公司研发的柴油-天然气高压直喷喷射器^[25]，简化示意图如图1所示。为了模拟天然气直接喷入气缸的过程，采用进口流动形式将天然气通过固定喷孔和压力喷入气缸内^[26−27]。由于原机采用了7孔喷油器，考虑到数值计算效率，建立了1/7燃烧室模型，图2为上止点时燃烧室的几何形状。

1.2 模型设置和验证

本文采用当前比较高效的三维计算流体动力学软件CONVERGR3.0进行数值模拟计算。仿真过程中采用70%正庚烷（C₇H₁₆）和30%甲苯（C₇H₈）混合物模拟引燃柴油的理化性质^[28]，采用甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）混合物模拟天然气^[29]。计算程中所使用的子模型如表2所示，燃烧过程中的化学反应机理包含56种组分和168个化学反应^[30]，能够较为准确地模拟柴油引燃天然气的燃烧化学反应。氮氧化物（NOx）的生成和氧化采用扩展的泽尔多维奇机理（Extended Zeldovich）进行模拟^[31]，Hiroyasu Soot模型用来预测缸内碳烟（soot）生成和氧化^[32]。

试验工况为75%负荷，18%EGR率。仿真计算范围为进气门关闭（上止点后−90°CA）到排气门打开（上止点后140°CA）之间的曲轴转角。仿真模型的参数设置如表3所示。

数值模型标定前，需对模型的网格无关性进行验证。图3为不同基础网格尺寸下数值模型计算出的缸内压力曲线。3.6 mm网格计算结果偏离较大，网格在2.0 mm、2.4 mm、2.8 mm时计算结果相差不大。当网格从2.4 mm减小为2.0 mm时，缸压曲线变化不大。考虑到计算成本和计算精度，选择2.4 mm的基础网格，对速度、温度和组分的自适应加密等级设置为2级。将计算所得结果与Kheirkhah所做实验结果对比，图4为试验和仿真的缸压和热释放率曲线对比，二者吻合趋势良好，仿真模型可以用来预测缸内燃烧过程；图5对比了试验和仿真的NOx和soot排放，仿真误差均在5%以内。综上所述，所标定的数值模型可以用来进行发动机燃烧和排放研究。

1.3 研究方案

为了研究柴油引燃高压直喷天然气发动机在不同预喷策略下的燃烧性能以及排放特性。预喷策略研究方案如表4所示。天然气预喷时刻为–40°CA ATDC，通过控制天然气喷射持续期的变化来实现不同的预喷比例，然后将不同预喷策略耦合5种不同EGR率。仿真过程中天然气和引燃柴油喷射压力和喷射规律保持不变。

2 结果与讨论 2.1 燃烧特性分析

图6为EGR率和天然气预喷量的变化对缸压和热释放率的影响。同一预喷量下，EGR率的增加会导致缸内气体比热容变大、氧含量降低，推迟燃料的着火与燃烧过程，导致气缸压力下降。当EGR率固定时，天然气预喷量的变化对缸内燃烧也有着较大影响。天然气预喷量的不同会影响缸内可燃混合气的形成，进而影响气缸内燃料的燃烧状态。表5为20%EGR率时不同天然气预喷量对缸内温度和当量比的影响。预喷量的增加会导致缸内天然气混合气更早的燃烧；在上止点时，50%预喷量方案的高温燃烧区域明显大于20%和0%的预喷方案。随着燃烧的进行，在5°CA ATDC时50%预喷量方案的天然气燃烧已经扩散到天然气射流区域的内部。在后续燃烧过程中，天然气预喷量较高的气缸中，高当量比区域较少，燃料与空气混合的较好，因此燃烧区域相对均匀，燃烧时间相对较短。这也解释了图6中热释放率的峰值随着预喷量的增加而更加尖锐的现象。

燃料放热量达到总放热量50%时所对应的曲轴转角（CA50）和燃料燃烧持续期是影响发动机热效率的重要参数。燃料燃烧持续期越短并且CA50越靠近上止点，发动机一般会有着较高的热效率。图7为不同EGR率时不同天然气预喷量对CA50及燃烧持续期的影响。各预喷量方案的CA50随EGR率的升高逐渐远离上止点，但都早于天然气单次直喷方案（DI）。随着天然气预喷量的增加，CA50表现出向上止点移动的变化规律，且在中低EGR率水平时，预喷量越大，CA50的提前程度越明显。这是因为预喷量的增加会增强天然气的预混燃烧，使天然气燃烧速率提高。而在较高的EGR率情形时（30%、40%），这一趋势被逐渐放缓，说明高比例EGR会抵消天然气预喷对燃烧速率提高的效果。

气缸中的最大压力升高率（PPRR）可以衡量发动机工作的粗暴程度，是发动机振动和噪声的重要评判指标。预混燃烧增强会使PPRR升高，导致发动机工作粗暴，甚至引起爆震对发动机造成破坏。图8为不同EGR率下不同天然气预喷量对发动机PPRR的影响。随着EGR率的增大，不同天然气预喷量方案的PPRR都逐渐降低，但都高于DI方案。在整个仿真EGR率范围内，PPRR随天然气预喷量的增加逐渐增大，且增长幅度也随预喷量的增加逐渐变大。其中10%~30%天然气预喷量方案的PPRR差别不大，当天然气预喷量增加到40%和50%时，PPRR大幅升高。结合图6分析可知，较大比例的天然气预喷量使得缸内燃烧过程集中且燃烧速度加快，导致发动机缸压升高速率变大。

图9为不同EGR率水平下天然气预喷量对高压直喷天然气发动机指示燃料消耗率（Indicated Specific Fuel Consumption, ISFC）的影响，各天然气预喷量方案的ISFC随EGR率的增加都呈上升趋势。除10%天然气预喷量方案外，其他方案的ISFC均低于DI方案。在高EGR率情形时，40%预喷量方案的ISFC表现良好。此外，当预喷量从20%增加到30%时，ISFC出现大幅减小，表明此时缸内燃烧过程因预喷天然气得到改善，热效率得到提高。

2.2 排放特性分析

直喷天然气进入缸内会导致燃料混合不均匀，天然气边扩散边燃烧，导致大量碳烟生成。增加天然气预混比例可以减少缸内soot生成，但会导致较高的氮氧化物（NOx）排放，因此需要引入EGR来控制NOx排放。图10为不同EGR率下天然气预喷量对NOx和soot排放的影响。随着EGR率增大，各预喷量方案的NOx排放逐渐降低，且降低幅度随EGR率的逐步增大而减弱，整个EGR率范围内NOx排放都高于DI方案。随着EGR增加，soot排放呈现增加趋势，但预喷比例的增加会降低soot排放，在整个仿真EGR率范围内soot排放均低于天然气单次直喷情形（DI）。

表6为20%EGR率时不同预喷量对缸内NOx和soot排放及温度的影响，可以看出，预喷比例的增加会增强气缸内的预混燃烧，增加缸内着火区域面积。图中天然气预混燃烧区域的温度高于天然气扩散燃烧区域的温度，在NOx和soot切片图中，温度较高区域中的soot质量分数较低，但NOx质量分数较高；这是因为高温促进了热力型NOx的生成。另一方面，高温有助于soot的氧化，使soot的质量分数降低。

为进一步研究和分析NOx-soot间的“trade-off”关系，将不同EGR率下天然气预喷量方案的NOx和soot排放绘制于图11中。随着天然气预喷比例的逐步增加，NOx-soot间随EGR增加的“trade-off”关系逐渐减弱，即EGR率升高后，NOx排放明显降低，但soot排放不会大幅升高；在10%预喷比例下，NOx-soot“trade-off”关系与DI方案基本相同，且二者的“trade-off”曲线随预喷量的增加整体向低soot排放、高NOx排放区域移动，移动幅度随着预喷量的增加而加大。图11中实线方框中的耦合策略的排放是优于原机的；当采用大比例的预喷方案时，耦合中等大小的EGR率有助于同时降低NOx和soot排放，实现较好的排放特性。

图12为不同EGR率下各天然气预喷量方案的缸内未燃HC和CO的排放量。除10%预喷量方案外，其余方案的HC排放随EGR率的升高呈增加趋势。10%和20%预喷量方案在整个仿真EGR率范围内的HC水平都较高；而在较高的预喷比例下，缸内HC水平较低，这与燃料预喷后燃烧过程的改善有关。天然气预喷比例较低时，产生的稀混合气较多，燃烧所产生的未燃HC也就增加。各天然气预喷量方案的CO排放随EGR率的增大逐步增加，10%和20%的天然气预喷量下的CO排放高于DI方案，当预喷量增大后，缸内CO排放有所改善，排放低于DI情形。但预喷量过大时，CO排放又会小幅升高，表明天然气预喷量对缸内CO水平的影响具有“两极”性，即在较低和较高的预喷比例下都会对CO排放产生不利影响。

天然气的预混燃烧会造成甲烷逃逸问题，这会增加温室气体的排放。图13为不同EGR率时缸内甲烷逃逸随天然气预喷量的变化规律。甲烷逃逸的规律与未燃HC的排放规律较为相似。对比较低的天然气预喷量方案，较高的预喷量方案有助于缓解甲烷逃逸问题，甚至在高EGR率下高预喷方案的甲烷逃逸量比原机更少。较大比例的天然气预喷量有利于形成当量比适宜的混合气，进而促进天然气的完全燃烧；相反，较低的天然气预喷量在特定的预喷时刻下形成了较多的稀混合气，导致了发动机甲烷逃逸量的上升。

3 结　语

本文研究了5种天然气预喷量耦合5种EGR率对部分预喷天然气发动机的燃烧和排放特性的影响，主要得到如下结论：

1）天然气的部分预喷模式会使缸内压力峰值、热释放率峰值和最大压力升高率都增大，且都大于天然气单次直喷情形；缸内热释放率随天然气预喷比例的增加趋向于尖锐单峰形态。

2）随着预喷比例的增加，发动机的CA50会提前，燃烧持续期会缩短，此时发动机具有较低的ISFC；但是EGR的加入会削弱这种效果。

3）部分预喷模式会增加NOx排放，降低soot的生成；中等EGR率时（20%、30%），采用较高的预喷量可同时降低发动机的NOx和soot排放，得到优于原机的NOx和soot排放特性。

4）较低的预喷比例（10%、20%）有着较差的未燃HC、CO以及甲烷排放特性。在40%的预喷量耦合30%EGR率时，发动机有着较低的ISFC，较低的甲烷逃逸量、未燃HC量、CO量，以及优于非预喷方案的NOx和soot排放特性。