0 引　言

柴油发动机以其效率高、动力性好的优点被广泛应用至各行业，但柴油燃烧带来的排放问题却日益严重^{[1 − 2]}。为保护环境，国际海事组织（IMO）对船舶排放提出了更为严格的标准。在船用柴油机上使用清洁燃料如醇类燃料、生物柴油和天然气等作为替代燃料来降低温室气体排放，被视为是一种有效手段^{[3 − 6]}。天然气碳氢比例较低^[7]，储量丰富易获得^[8]，双燃料燃烧模式下采用天然气为替代燃料，可显著降低NOx和颗粒物排放^[9]。然而，对于缸内流动性差的大缸径船用双燃料发动机，高空燃比下会出现未燃碳氢高排放和失火现象，限制了天然气在船用双燃料发动机的发展^[10]。

EGR和过量空气的复合稀释方式增加了缸内混合气比热比，能显著提高发动机热效率，减缓燃烧速度，对NOx生成具有更好的抑制效果^[11]。采用过量空气稀释时氧浓度不变，高负荷下能获得更高的运行效率，且NO和CO₂排放下降^[12]。采用EGR稀释时，废气中的N₂、CO₂和H₂O阻碍了燃料与氧气的接触，延缓了燃烧进程，缸内温度的降低减少了NOx的排放^{[13 − 14]}。王迅等^[15]通过调节废气中CO₂/H₂O比例发现，增加水蒸气占比对燃烧的抑制作用强于CO₂，从而达到更低的NOx排放。

上述对于EGR和过量空气的单独/复合稀释方式一般基于固定废气比例，且基于复合稀释的可调废气比例研究较少。针对复合稀释下，过量空气系数较高时，缸内燃烧稳定性较差，适当提前喷油正时可延长柴油和空气的混合，有利于形成稳定的着火点和火焰扩散，提高发动机热效率^[16]。本文以船用柴油/天然气双燃料发动机为原型，探究复合稀释下CO₂/H₂O比例对双燃料发动机燃烧和排放影响，结合喷油正时，分析其对双燃料发动机稀薄燃烧稳定性影响。

1 模型建立与验证 1.1 发动机几何模型

本文研究的双燃料发动机为柴油机改造而成，主要技术参数如表1所示。其中天然气为歧管喷射，与空气预混后进入缸内，缸内直喷微量柴油，经压燃后引燃缸内预混混合气。基于CONVERGE软件建立双燃料发动机三维仿真模型，如图1(a)所示。在文中，计算从进气门关闭（IVC）至排气门开启（EVO）内进行的，且所选取的喷油器为轴对称喷油器，故后续采用1/4简化模型进行计算分析，图1(b)为活塞运行至上止点时的简化模型图。

双燃料发动机缸内工作过程包括湍流流动、柴油喷射蒸发破碎、混合着火等物理化学过程，其中采用KH-RT破碎模型分别描述直喷柴油缸内一次破碎和二次破碎过程；采用RNG k-ε湍流模型既可满足计算精度，同时计算量较小。CONVERGE中的SAGE详细燃烧求解模型可描述燃料预混燃烧；排放模型采用拓展Zeldovich model预测NOx排放；Hiroyasu-NSC soot model预测碳烟排放。

1.2 模型网格划分与验证

网格大小会影响数值模拟结果精度，因此需要对网格依赖性进行优化分析，网格尺寸在5～15 mm之间的缸压如图2所示。可以看出，网格尺寸从10 mm减小至7 mm时，缸压变化在3%以内，缸压已趋于收敛。因此网格尺寸采用为10 mm。利用CFD模型与文献[17]对同款发动机机型各缸缸压的试验缸压均值进行比对。图3为100%工况下，仿真计算的缸压曲线与实验值曲线对比，二者缸压曲线吻合较好，可进行后续研究。

模型初始设置的过量空气系数为1.9，在此基础上分别采用过量空气和EGR两种方式继续进行稀释，即空气稀释（纯空气稀释）和复合稀释（空气和废气共同稀释）。其中过量空气稀释方式为增加进气量对天然气进行稀释，EGR稀释方式为引入冷却废气进行稀释。为便于研究2种稀释方式对双燃料发动机燃烧和排放影响，以稀释系数作为判断标准，其定义为：

${\lambda _\beta } = \frac{{{m_{{\mathrm{EGR}}}} + {m_{{\mathrm{air}},{\mathrm{act}}}}}}{{{m_{{\mathrm{air}},{\mathrm{t}}}}}}。$

(1)

式中：${m}_{{\mathrm{air}},{\mathrm{act}}}$、${m}_{{\mathrm{EGR}}}$、${m}_{{\mathrm{air}},{\mathrm{t}}}$分别为实际进入的空气量、EGR稀释时的气体量和理论空气量，kg。

采用EGR稀释方式时，需固定EGR率以便于研究不同废气组分比例对双燃料发动机性能和排放影响，EGR率及各废气组分占比定义为：

$\beta_{{\mathrm{EGR}}}=\frac{m_{{\mathrm{EGR}}}}{m_{{\mathrm{air}},{\mathrm{act}}}+m_{\mathrm{CH}_4}+m_{{\mathrm{EGR}}}}，$

(2)

$\beta_{\mathrm{CO}_2}=\frac{m_{\mathrm{CO}_2}}{m_{{\mathrm{EGR}}}} ，$

(3)

$\beta\mathrm{_{H_2O}}=\frac{m_{\mathrm{H_2O}}}{m_{{\mathrm{EGR}}}} 。$

(4)

式中：$m_{\mathrm{CH}_4}$、$m_{\mathrm{CO}_2}$、$m\mathrm{_{H_2O}}$分别为甲烷、CO₂、H₂O质量，kg。

2 结果分析与讨论 2.1 EGR废气组分比例对双燃料发动机燃烧特性影响

在λ=1.9基础上采用EGR稀释至λ_β=2.0和λ_β=2.1的复合稀释，稀释率分别为5%和9.5%，图4为不同CO₂/H₂O比例下双燃料发动机放热率曲线变化。可以看出，CO₂和水蒸气的引入，燃料燃烧放热率峰值均有不同程度下降。λ_β=2.0时，各CO₂/H₂O比例对放热率影响较小；λ_β=2.1时，水蒸气占废气比例增加时，放热率峰值及后续放热率曲线的下降，表明水蒸气的加入对缸内燃烧具有一定的抑制作用。随着废气量的增加，各CO₂/H₂O比例所对应的放热率峰值下降明显。稀薄程度的增加，缸内燃烧速度下降，放热曲线下降速度放慢。

图5为不同CO₂/H₂O比例下的发动机滞燃期和燃烧持续期变化。可以看出，不同CO₂/H₂O比例的滞燃期基本持平，说明CO₂和水蒸气对柴油喷雾初始燃烧影响不大，但对后续主燃烧影响较大。λ_β=2.0时，复合稀释下燃烧持续期相比于原始设置大幅上升。最初引入水蒸气时，燃烧持续期相对持平，随水蒸气比例增加，燃烧持续期上升幅度明显，表明水蒸气对燃烧的抑制作用较CO₂明显。λ_β=2.1时，稀释程度较高，缸内预混可燃气变得更为稀薄，CO₂/H₂O为1.0/0时燃烧持续期达到最大，后续水蒸气比例的增大，燃烧持续期持续减小，此时缸内燃烧缓慢甚至停滞，燃烧效率较低。

2.2 EGR废气组分比例对双燃料发动机排放特性影响

不同CO₂/H₂O比例下的缸内温度和NOx排放情况如图6所示。可以看出，复合稀释下，缸内温度明显下降，由此生成的NOx量相比于原始方案下降超过70%，远低于IMO 第3阶段NOx排放标准。当废气仅含水蒸气时，缸内温度最低，生成的NOx量最少，下降幅度高达80%。高温、富氧是促进NOx生成的重要影响因素，缸内较低的氧气浓度不利于燃烧进行及火焰传播。λ_β=2.1时各CO₂/H₂O比例下的缸内温度相较于λ_β=2.0时均大幅下降，缸内高温区域减少，NOx生成下降。

图7为不同CO₂/H₂O比例下THC排放变化情况。废气引入降低了缸内氧浓度，减缓了燃烧放热速度，因此与原始设置相比，废气稀释下THC排放增加。水蒸气对燃烧的抑制作用更强，使生成的THC量随水蒸气比重增加而上升，λ_β=2.1时的THC排放量较λ_β=2.0的增幅高达97%。

上述研究表明，适当引入废气结合过量空气的复合稀释方式对减缓燃烧过程，缸内温度下降，既保证发动机较高动力性能又减少NOx生成；随着稀释系数增加，缸内燃烧稳定性变差，燃烧减缓甚至停滞，不利于燃烧进行，不完全燃烧现象严重，THC排放过高。废气中的CO₂和水蒸气都具有阻碍燃料和氧气接触、降低反应温度的作用，其中水蒸气对于燃烧的抑制作用较CO₂强，水蒸气占比的上升，生成的NOx量更低，THC生成也更高。考虑到发动机动力性能和NOx低排放，废气比例为CO₂/H₂O=0.5/0.5时效果较好。

2.3 空气稀释和复合稀释在不同喷油正时对双燃料发动机性能影响

针对上述存在缸内燃烧条件较差导致的THC排放过高的情况，为保证发动机燃烧稳定性、提高热效率，计划调节喷油时刻以改善油气混合情况。设置喷油正时在337～347°CA之间，间隔2°CA，分析稀释系数为2.0时复合稀释（CO₂/H₂O=0.5/0.5）和纯空气稀释在不同喷油正时对发动机燃烧和排放影响。

图8为空气稀释和复合稀释不同喷油正时对双燃料发动机燃烧性能影响。从图8(a)可知，2种稀释方式下的燃烧持续期和滞燃期变化趋势一致。喷油时刻的提前，滞燃期逐渐延长，燃烧持续期先减再增。与纯空气稀释相比，复合稀释方式下的燃烧持续期普遍延长20%以上，而滞燃期相差不大。表明废气通过减缓火焰传播速度来延长燃烧过程，复合稀释的热效率相比于纯空气稀释的下降3.08%以上。而随着喷油正时的提前，滞燃期的延长，柴油喷雾与混合气有充分混合过程，燃烧速度加快，有助于缩短燃烧进程，复合稀释下SOI-339°CA时热效率较SOI-347°CA上升13%，同时燃油经济性更佳。

图9为空气稀释和复合稀释的缸内平均温度变化。可以发现，缸内平均温度随着柴油喷射时刻的提前呈现先升后降的趋势，缸温在SOI-339°CA时最高，结合图9(c)发现，此时压力升高率异常高，说明柴油在SOI-339°CA喷射会导致缸内粗暴燃烧，NOx排放急剧升高。复合稀释下的缸内温度变化趋势与空气稀释一致，但变化幅度较小，其压力升高率总体相对持平，同时生成的NOx量较空气稀释下降一半以上，均低于IMO排放标准。

提前喷油正时可以延长油气混合时间，均匀油气混合程度，有助于加快火焰传播速度。柴油喷射过晚，则滞燃期缩短，柴油与空气还未充分混合即被压燃，着火点较少，燃烧速度较慢，因此缸内温度、压力升高率均较低。柴油喷射过早，油气混合充分，燃烧过快导致缸温上升、燃烧粗暴、NOx排放过高。对于纯空气稀释情况，适当提前喷油时刻有助于改善稀混合气不完全燃烧情况，但过早喷油可能会导致燃烧不稳定；而复合稀释下喷油时刻对燃烧和排放影响变化相对持平，适当提前喷油可以提高发动机热效率，改善发动机燃烧不充分情况，同时保证了发动机燃烧稳定性。

3 结　语

本文基于船用双燃料发动机建立仿真模型，研究分析了废气比例对双燃料发动机燃烧过程影响，同时结合喷油正时探讨2种稀释方式对发动机燃烧和NOx排放影响，主要结论如下：

1）双燃料发动机引入废气后的稀薄燃烧，燃烧时间大幅延长，EGR稀释率的上升，放热率峰值明显下降，燃烧速度下降。不同CO₂/H₂O下的滞燃期相对持平，说明CO₂和水蒸气对柴油燃烧影响不大。

2）随水蒸气占废气比例增加，燃烧持续期持续延长，缸内平均温度下降，NOx生成量下降，同时THC排放大幅上升，燃料不完全燃烧现象严重。

3）过早或过晚喷油都不利于提高发动机热效率。纯空气稀释下过早喷油可能会导致粗暴燃烧，造成NOx排放上升；而复合稀释对喷油时刻敏感性较低，适当提前喷油正时可改善燃烧不充分情况，提高发动机燃烧稳定性。