毛立通， 张尊华， 梁俊杰， 龙焱祥， 李格升

(武汉理工大学 能源与动力工程学院, 武汉 430063)

近年来，随着国家“气化长江”战略的推行，液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)发动机在国内市场上的应用愈加广泛[1]，但LNG中的主要成分为CH4，具有较高的化学稳定性，发生失火的可能性也远大于传统的汽油和柴油燃料，由于燃烧速率较低，致使发动机热效率降低，因此通常采用进气加热或提高压缩比以减小循环变动和改善发动机的燃烧效率。H2具有较高的燃烧速率和较低的点火能量，因此掺烧H2将是解决LNG作为发动机燃料不足的有效方法之一[2]。

在工业上利用燃料重整制备H2已超过70 a的历史[3]，也有研究将燃料重整制氢的技术运用在发动机上来产生H2[4-6]。在LNG发动机上，可利用废气余热和催化剂将废气中残余的碳氢化合物(以下简称HC)、H2O、CO和O2等进行重整制取富氢气体并重新送入发动机进行循环工作，即废气重整再循环(Reformed Exhaust Gas Recirculation, REGR)制氢技术。

考虑发动机实际废气的组成及热力参数，采取的制氢方式按照化学反应可分为部分氧化重整制氢、水蒸气重整制氢及混合重整制氢[7-9]。所发生的主要化学反应有

1) 部分氧化重整制氢

CH4+0.5O2→CO+2H2

(1)

2) 水蒸气重整制氢

CH4+H2O→CO+3H2

(2)

3) 混合重整制氢

(3)

由于上述3种化学反应所产生的重整制氢成分存在差异，改变发动机的进气成分，影响发动机的燃烧过程，而实际重整过程多种催化反应可能同时进行，船舶排放尾气成分与比例更加多变。

HAGOS等[10]在天然气缸内直喷式发动机上进行掺烧H2和CO的试验，探究掺烧合成气时，当量比对直喷式天然气发动机所产生的影响。KOZLOV等[11]利用计算流体动力学(Computatione Fluid Dynamics, CFD)软件FLUENT对HCCI发动机进行模拟研究，探究了燃用CH4、合成气(CO+H2)、CH4/H2、CH4/合成气的HCCI发动机燃烧特性和排放特性。HE等[12]通过试验研究重整气中H2和CO对稀燃的点燃式天然气发动机性能的影响，结果表明H2和CO都能改善发动机缸内燃烧和热效率，但H2的效果更加明显。ZHANG等[13]利用CHEMKIN软件进行天然气REGR发动机的闭环仿真试验，从化学动力学的角度分析掺烧重整气对HCCI发动机燃烧特性的影响。文献调研可知，现有研究中鲜有利用三维仿真手段研究REGR重整气成分差异对点燃式LNG发动机燃烧与排放特性的影响，为REGR系统优化提供参考。

因此，利用CFD模拟软件CONVERGE建立船用点燃式LNG发动机三维仿真模型，模拟LNG发动机掺烧REGR重整气的燃烧过程，研究不同重整反应产生的REGR重整气成分差异及REGR率对点燃式LNG发动机燃烧与排放特性的影响规律，可为运用REGR技术的LNG发动机排放控制提供理论依据。

1 模型建立

利用CONVERGE软件，以YC6MK200NL-C20船用点燃式LNG发动机为模型，建立三维仿真模型，其技术参数见表1。

表1 发动机技术参数

建立的三维模型见图1。利用CONVERGE软件体网格自动生成笛卡尔坐标理想正交六面体网格，基础网格为边长3.2 mm的立方体；对火花塞周围加密至边长为0.4 mm的网格，以保证火核形成初期的计算准确；同时启用网格自适应加密功能，对较大温度和速度梯度区域加密至0.4 mm网格，燃烧初期火花塞附近网格划分见图2。

考虑到计算精度的需求和时间成本，仿真过程中的湍流模型采用工程上常用的RNGk-ε湍流模型[14]；选用的燃料燃烧化学反应动力学机理为天然气GRI-Mech3.0机理，该机理包括53种物质，325个基元反应式[15]，能较好地反映点燃式LNG发动机缸内的燃烧过程。

2 模型验证

基于上述船用点燃式LNG发动机模型，对发动机100%负荷工况进行仿真并与实机试验数据进行比较，以验证仿真模型的可行性。计算时假定天然气组分为纯甲烷，100%负荷工况下运行参数见表2。

表2 100%负荷工况下运行参数

仿真模拟结果的缸内压力和放热率与实机试验数据比较结果见图3。

由图3可知，仿真模拟结果的缸压曲线和放热率与实机相同工况下的数据吻合度较高，着火时刻的预测较为准确，但误差在可接受范围内，建立的三维仿真模型能够较好地反映点燃式LNG发动机缸内的燃烧情况，可用于进一步的模拟研究。

3 模拟重整气组分设置

本文中的仿真模型基于上述船用点燃式LNG发动机模型而建立，负荷为100%，在掺烧REGR重整气时，通过改变天然气的喷射量控制进气工质空燃比恒为1.47。

由文献[6]～文献[8]可知：当发生部分氧化重整制氢反应时，REGR重整气中VCO∶VH2=1∶2；当发生水蒸气重整制氢反应时，REGR重整气中VCO∶VH2=1∶3；当发生混合重整制氢反应时，REGR重整气中VCO∶VH2≈1∶4。同时，REGR重整气中VCO+ H2∶VN2≈1∶2。因此，设置不同重整反应下REGR重整气组分见表3。

表3 REGR重整气组分

4 结果分析

4.1 不同重整方式对发动机燃烧与排放的影响

利用上述点燃式LNG发动机模型，在REGR重整气占进气总气体体积的5%(即REGR率为5%)下，通过改变REGR重整气成分，研究不同重整方式对发动机燃烧与排放的影响。

4.1.1不同重整方式对发动机燃烧特性的影响

根据实际REGR重整气组分差异，通过改变REGR重整气组分，研究不同重整方式对发动机燃烧特性的影响，仿真结果见图4。

由图4可知：相较于原机，由于掺烧的重整气中含有大量H2和CO，其燃烧速率大于CH4，且H2在化学反应初期能产生更多的H基，因此掺烧重整气减少了燃料的化学准备时间，使得着火时间提前；同时，缸内燃烧速度加快，升压率提升，缸内最高压力相较于原机大幅提升。在研究范围内，随着掺烧的重整气中H2含量提高，对燃烧特性的改善愈加明显，由此可知，H2对燃烧特性的促进作用远大于CO。

4.1.2不同重整方式对发动机排放特性的影响

研究不同重整方式对发动机排放特性的影响，以缸内NO浓度表征NOx的排放，以缸内残余CH4浓度表征HC排放，仿真结果见图5～图8。

由图5可知：NOx产生于燃烧后期缸内温度较高的时期；原机中NOx的排放大于掺烧REGR重整气的发动机NOx排放，这是由于：原机中燃气的总热值高，因而缸内温度提升，导致NOx的产生速率提高；随着REGR重整气中H2含量的增大，排放中NOx的浓度增加。

由图6可知：由于缸内总当量比恒定，在燃烧前，原机中CH4浓度较掺烧REGR重整气发动机中缸内CH4浓度高，掺烧不同种REGR重整气的发动机缸内CH4浓度相等；燃烧过程中CH4被迅速消耗；原机尾气中HC浓度较掺烧REGR重整气发动机尾气中浓度高；掺烧混合REGR重整气的发动机尾气中残余HC的浓度相较于掺烧水蒸气REGR重整气的发动机尾气中残余HC的浓度低，考虑到由于混合REGR重整气中H2浓度更高，使得反应更加充分，残余HC浓度低。同时可发现，掺烧部分氧化REGR重整气的发动机尾气中残余HC的浓度相较于其他算例尾气中残余HC的浓度更低，分析缸内残余HC分布见图7。

由图7可知：由于缝隙区的存在，当掺烧部分氧化REGR重整气时，在缸内流体的作用下，部分缝隙区中的CH4被燃烧消耗，导致掺烧部分氧化REGR重整气的发动机尾气中CH4浓度低于掺烧其他类型REGR重整气的情况。

由图8可知：在燃烧前，随着掺烧的REGR重整气中H2浓度的增加，缸内CO浓度降低；原机缸内在点燃后产生CO，并在燃烧后缸内高温氛围下逐渐氧化减少，而掺烧REGR重整气的发动机缸内CO作为燃料燃烧，在着火后浓度逐渐减小；在排气门开启时刻，掺烧REGR重整气的发动机尾气中CO浓度均大于原机尾气中CO浓度，且随着掺烧的REGR重整气中H2浓度的增加，其尾气中CO的浓度降低。同时，类似于掺烧REGR重整气发动机HC排放的规律，由于缸内流体的协同作用，掺烧部分氧化REGR重整气的发动机尾气中CO浓度低于掺烧水蒸气REGR重整气的发动机尾气中CO浓度。

4.2 REGR率对发动机燃烧与排放的影响

利用上述点燃式LNG发动机模型，以掺烧水蒸气REGR重整气为例，通过改变REGR率，研究REGR率对发动机燃烧与排放的影响。

4.2.1REGR率对发动机燃烧特性的影响

设置REGR率为0%、2.5%、5%、7.5%、10%，研究REGR率对发动机燃烧特性的影响，仿真结果见图9。

由图9可知：在掺烧相同的REGR重整气时，随着REGR率的提升，化学准备时间缩短，着火时刻提前，燃烧速率加快，升压率提高，且缸内最高压力提升。

4.2.2REGR率对发动机排放特性的影响

研究REGR率对发动机排放特性的影响，其仿真结果见图10～图12。

由图10可知，随着REGR率的提高，燃气中H2含量增大，缸内燃烧速率加快，高温区域面积增加，使得缸内平均温度升高，产生NO的化学反应速率提升，导致尾气中NOx排放提高。

由图11可知，随着REGR率的提高，尾气中CO排放提高，分析可知，由于随着REGR率的提高，进气过程中进入缸内的CO增多，因此在燃烧过程中未燃区域内残余CO增多，导致尾气中CO浓度上升。

由图12可知：随着REGR率的增大，尾气中HC排放呈现先减后增的趋势，当REGR率<7.5%时，随着REGR率的提升，进气阶段进入缸内的H2增多，使燃烧更为充分，残余HC浓度降低；当REGR率>7.5%时，由于进入缸内的CO浓度大幅提升，在化学反应过程中消耗了部分OH基，因而HC的氧化反应速率减缓，导致船舶尾气中HC浓度上升。

5 结束语

本文利用三维CFD仿真软件CONVERGE，建立船用点燃式LNG发动机三维仿真模型，探究由于不同的重整方式(部分氧化重整、水蒸气重整、混合重整)所产生的REGR重整气成分差异及REGR率对点燃式LNG发动机燃烧特性和排放特性的影响。通过数值模拟研究，主要得出以下结论：

1) 在相同REGR率下，随着REGR重整气中H2含量的提高，着火时间提前，缸内燃烧速度加快，升压率提升，缸内最高压力提升。

2) 在相同REGR率下，随着REGR重整气中H2含量的提高，NOx排放增加，HC排放和CO排放在REGR重整气成分和缸内流体的共同作用下呈先增加后减少的趋势。

3) 掺烧相同REGR重整气时，随着REGR率的提高，着火时刻提前，燃烧速率加快，升压率提高，缸内最高压力提升。

4) 掺烧相同REGR重整气时，随着REGR率的提高，尾气中NOx排放和CO排放提高，HC排放呈现先减后增的趋势。