韩宇亮，杨传雷，王彬彬，王贺春，王银燕，胡 登，段宝印

(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

柴油机具有热效率高、燃油经济性好和功率密度大等优点，目前已广泛应用于各种工程领域[1]。然而，如今存在的能源紧缺和环境污染问题是内燃机领域面临的一个巨大危机。在这一背景下，使用清洁燃料来代替柴油进行燃烧，可在有效降低传统能源消耗的同时改善环境污染的问题。在我国，天然气储备丰富，但开发利用率仅为2%。作为一种潜力巨大的清洁能源，天然气来源广泛，具备环保、安全、经济、用途多的优势[2]。除此之外，天然气的低热值较高，用作燃料时可达到和柴油相当的热效率[3]。因此，集众多优点于一身的天然气，已成为世界范围内最受欢迎的清洁燃料，越来越多地应用在发动机上[4]。目前，应用在发动机上的天然气进气方式主要分为进气道喷气和缸内直喷[5]。前者一般是使天然气和空气在进气道混合后通入气缸，后者是将天然气直接喷入气缸，两者都需要利用柴油来引燃。其中，缸内直喷柴油-天然气发动机一部分由柴油机改造而来，与原柴油机相比时，性能有所改善[6–8]。然而，缸内直喷天然气柴油机在运行中也存在一些问题，例如在低负荷工况高替代率时存在燃烧性较差，未完全燃烧时会造成HC 和CO 排放增加等[9–11]。究其原因是燃烧室内混合气化学活性较弱[12]，需要掺混活性较高的燃料来促进燃烧。作为一种新型的清洁燃料，氢气化学活性高，燃烧速度快，火焰温度高[13]，在工业生产中备受关注。据国际能源署数据显示，截至2019 年，全球共有 37 个针对天然气管网掺氢输送的示范项目[14]。在内燃机领域，掺氢燃烧可以增加燃烧效率[15]，同时使HC、CO、CO2的排放降低[16–17]。

本文构建三维仿真模型，针对不同天然气替代率对柴油机燃烧和排放规律进行了研究。随后，当天然气替代率为90%时，在柴油机中掺混不同比例的氢气来进行研究，旨在改善柴油机的性能和排放。

1 建模与仿真方案

1.1 研究对象

以TBD620 单缸柴油机为研究对象，其主要结构参数如表1 所示。柴油机的实验台架主要设备包含KiBox 燃烧分析仪、AVL439 消光式烟度计和AMA I60 废气分析仪等。

表1 柴油机主要结构参数Tab.1 The main structural parameters of diesel engine

在燃料方面，选取柴油、天然气、氢气三者作为研究对象。表2 为天然气、氢气、柴油的理化性质对比。可知，氢气火焰燃烧速度为天然气的7 倍多，更有利于混合气的燃烧。一方面是因为H2拥有1 个HH 键，键能为436 kJ/mol[18]，天然气的主要成分CH4含有4 个C-H 键，总键能为1 656 kJ/mol，因此H-H 更易断裂并与氧气发生反应。另一方面，H2作为燃料，反应机理较为简单，与O2的反应更加剧烈，燃烧放热速率更快。

表2 天然气、氢、柴油的理化性质对比Tab.2 Comparison of physical and chemical properties of natural gas,hydrogen and diesel

1.2 仿真模型

基于表1 的结构参数，建立TBD620 单缸柴油机的仿真模型。因燃烧室为对称结构且喷油器的5 个喷孔被均匀布置在燃烧室中，为了节省计算资源并提高效率，建立1/5 燃烧室模型进行仿真计算。三维仿真模型如图1 所示。仿真子模型的选取如表3 所示。

图1 三维仿真模型Fig.1 3D simulation model

表3 仿真子模型Tab.3 Simulation submodel

1.3 模型验证

图2 为100%负荷时，缸压、放热率、NOx及soot的仿真值与试验值对比图。可知，柴油机运行在额定负荷时，由仿真计算所得的仿真值与试验值基本吻合，最大误差不超过4%。图2（a）中放热率仿真值略高于试验值，原因在于柴油是复杂烃类混合物，含有不可燃的杂质，而仿真中利用正庚烷来作为研究对象，放热率存在一些误差，但误差较小。由此说明，该三维仿真模型设置较为合理，满足仿真计算的要求。

图2 模拟值与试验值对比Fig.2 Comparison of simulated values with experimental values

1.4 仿真方案

为了研究柴油机燃烧和排放的影响。选取柴油机运行在额定工况时，设置0%～90%十组不同的天然气替代率，10%～90%不同的掺氢比进行仿真研究，仿真方案如表4 所示。仿真模型的计算时长为进气门关闭到排气门打开的时刻，仅研究缸内燃烧情况，不考虑进排气过程。计算过程中，燃料采用缸内直喷的方式进入气缸参与燃烧。其中，天然气替代率的定义为：天然气燃烧时放出的热量与柴油和天然气燃烧总热量[20]的比值。掺氢比定义为：氢气燃烧时放出的热量与发动机在天然气替代率为90%时完全燃烧释放热量的比值，即

表4 天然气替代率仿真方案Tab.4 Natural gas substitution rate simulation scheme

其中：Na为天然气替代率，RH为掺氢比；Ma、Md、Mh分别为天然气、柴油氢气的质量；Ha为天然气低热值，Hd为柴油低热值，Hh为氢气低热值。

2 天然气替代率对柴油机燃烧和排放的影响

2.1 天然气替代率对柴油机燃烧的影响

图3 为天然气替代率对缸内压力及放热率的影响。从图中的缸压曲线可知，缸压峰值随着天然气替代率的增加先升高后降低，在替代率为10%～70%时，缸压峰值均比纯柴油燃烧时高。在替代率为20%时，缸压峰值最高，比纯柴油燃烧所对应的缸压峰值提高9.51%；在替代率为80%与替代率为90%时，缸压明显降低。在替代率为90%时，缸压峰值最低，比纯柴油燃烧所对应的缸压峰值降低11.32%。这是由于天然气的低热值较高，燃料中的天然气越多，燃烧产生的热量越多，使得缸内的最大爆发压力得以快速提高。当天然气替代率为80%、90%时，缸内引燃的柴油量减少，使得柴油的贯穿距离减小，导致缸内的着火范围缩小，压力峰值开始下降。由放热率曲线可知，在预混燃烧阶段，随着天然气替代率的增加，放热率峰值先升高后降低。在扩散燃烧阶段，随着天然气替代率的增加，放热率峰值逐渐降低。这是因为随着替代率的增加，缸内天然气浓度增加，促进了燃烧反应的发生，使预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段的峰值较高。然而，由于天然气燃烧速度较慢且所需点火能量较高。所以当天然气替代率为90%，引燃的柴油量少，缸内着火范围少，化学反应的速率降低，释放的热量随着减少，使预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段的放热率峰值下降。

图4 为天然气替代率对缸内温度的影响。可知，当替代率为10%～70%时，缸内最大燃烧温度均高于纯柴油燃烧。在替代率为70%时，缸内温度峰值达到最大值，比纯柴油燃烧高出5.38%。此后，随着替代率的增加，缸内温度开始下降。替代率为90%时，缸内最大燃烧温度最低，比纯柴油燃烧低出4.58%，但燃烧后期的温度却明显提高。这是由于天然气的低热值较高，同质量天然气燃烧释放热量要高于柴油。天然气替代率为10%～70% 时，缸内火焰传播速度较快，燃料充分燃烧，使得缸内温度上升，但随着替代率的增加，燃烧速度变慢，使温度峰值对应的曲轴转角延后。但替代率为90%时，缸内用于引燃的柴油质量较低，混合气燃烧速度慢，后燃现象比较严重。

图4 天然气替代率对缸内温度的影响Fig.4 Effect of natural gas substitution rate on in-cylinder temperature

2.2 天然气替代率对柴油机排放的影响

天然气的主要成分为甲烷，分子式为CH4。将天然气燃烧近似于甲烷燃烧。常见的甲烷燃烧反应为CH4+2O2=CO2+2H2O。该反应式说明甲烷完全燃烧的产物为CO2和H2O。但这仅能反映甲烷燃烧的宏观计量。实际上，真实的燃烧过程是众多基团反应的结果。甲烷分子含有4 个C-H 键，在燃烧过程中，首先是C-H 键的断裂。在C-H 键断裂的同时也伴随着逐步氧化的过程，其主要经历了这些变化，CH4-CH3-CH2O-HCO-CO-CO2[19]。

图5 表示天然气替代率对柴油机CH2O 排放的影响。可知，纯柴油燃烧时，CH2O 的最终排放量极低。随着天然气的加入，CH2O 的排放量开始增加。当天然气替代率为30%时，CH2O 的排放量最高。此后开始不断降低，在天然气替代率为70%时，CH2O 的排放量最低，但还是比纯柴油燃烧高33.97%。CH2O是反应的中间产物，是由甲烷的C-H 开始断裂形成CH3（甲基），随即与空气发生氧化反应而形成的。当天然气替代率较低时，缸内喷入的柴油量相对较多，柴油的引燃作用促进了C-H 键的断裂，使缸内产生了大量的CH3，CH3浓度的增加促进了其自身向甲醛的转化。然而甲醛的氧化反应在滞燃期内较为缓慢，远小于CH3的转化速度。因此，甲醛的消耗速度小于生成速度，使其最终的排放量有所增加。由于CH2O 的生成主要发生在上止点之前，随着天然气替代率的提高，缸内燃烧温度增加，促进了CH2O 的消耗，使CH2O 的排放量开始下降。当天然气替代率为80%、90%时，缸内温度较低，燃烧温度的降低使一部分CH2O 未被氧化而排出，使CH2O 排放量再度上升。

图5 天然气替代率对CH2O 排放的影响Fig.5 Effect of natural gas substitution rate on CH2O emissions

CO 是碳氢燃料燃烧过程中较为重要的中间产物，图6 为天然气替代率对CO 排放的影响。可以看出，随着天然气替代率的增加，CO 的排放先增加后降低。在天然气替代率为80%和90%时，又开始增加。这是由于部分CO 由CH2O 转化而来，在天然气替代率较低时，生成的CH2O 较多，促使其氧化生成了更多的CO。随着天然气替代率的增加，缸内的温度不断升高，CO 继续氧化为CO2，使CO 排放降低。但当替代率为80%和90%时，缸内氧气量较少，可燃混合气较浓，同时由于温度较低，燃烧不完全使得CO 的排放量又开始增加。

图6 天然气替代率对CO 排放的影响Fig.6 Effect of natural gas substitution rate on CO emissions

CO2是一种常见的温室气体，其排放是全球目前最为关心的问题。图7 为天然气替代率对CO2排放的影响。可以看出，随着天然气替代率的提高，CO2的最终排放量变化不大，在替代率为70%基本达到了一个稳定范围，较纯柴油燃烧降低了1.3%。这是由于天然气和柴油均为碳氢燃料，且含碳量基本相当。因此，燃烧产生的CO2排放量相差不多。

图7 天然气替代率对CO2 排放的影响Fig.7 Effect of natural gas substitution rate on CO2 emissions

在柴油机的NOx 排放中，主要是NO，另外含有少量的NO2。天然气主要成分为CH4，N 元素含量极少。因此，当天然气参与燃烧后，部分NOX是通过空气中的N2与燃烧过程中某些中间产物发生化学反应而形成的。其次，NOX的生成还取决于燃烧过程中的温度，缸内氧气的浓度，温度和氧气浓度越高，排放量越高。图8 为天然气替代率对NOx排放的影响。可以看出，随着天然气替代率的增加，NOx 最终排放量逐渐稳定在一个范围内，但排放水平较高，较纯柴油燃烧增加了17.8%。这是因为天然气的热值比柴油的热值高，在替代率较低时，火焰传播速度较快，缸内燃烧充分且缸内的温度在不断上升，形成了有利于NOx生成的环境，导致NOx的排放量较高。在替代率为90%，NOx排放量较低。主要因为此时缸内混合气过浓，氧气含量低，燃烧不充分，影响了NOx的产生，导致NOx 的排放降低。

图8 天然气替代率对NOx 排放的影响Fig.8 Effect of natural gas substitution rate on NOx emissions

碳烟是燃料不完全燃烧的产物，对人和环境都有危害。图9 为天然气替代率对SOOT 排放的影响。可以看出，在天然气替代率为30%和40%时，碳烟排放量较高。一方面是因为此时柴油的喷射量较多，缸内以扩散燃烧为主，而扩散燃烧阶段易产生碳烟。另一方面是因为缸内油气混合不均匀，使局部区域氧含量太低，导致部分燃料在高温下裂解产生碳烟。在天然气替代率为60%和70%时，油气混合均匀，燃烧状况良好，因此未产生较多的碳烟。当替代率为70%时，SOOT 较纯柴油燃烧增加了52.6%。当替代率为90%时，大量燃料未完全燃烧且后燃现象较为严重，促进了碳烟的生成。

图9 天然气替代率对SOOT 排放的影响Fig.9 Effect of natural gas substitution rate on SOOT emissions

3 掺氢比对柴油机燃烧和排放的影响

3.1 掺氢比对柴油机燃烧的影响

图10 为天然气替代率为90%时，掺氢比对缸压和放热率的影响。可以看出，随着天然气中氢气掺混比的增加，缸内压力峰值显著上升，放热率的峰值明显升高。掺氢比为10%～90%时，与未掺混氢气燃烧相比，缸压峰值均得以提高，最大增加13.64%。这是由于加氢燃烧后，提高了混合气的化学活性，火焰传播速度更快，燃烧速率增加。在掺混天然气燃烧后改善了天然气燃烧速度较慢的缺点，使燃烧效率显著提升。说明掺混氢气燃烧后，改善了发动机的燃烧。

图10 掺氢比对缸压曲线和放热率的影响Fig.10 Effect of hydrogen doping ratio on cylinder pressure curve and exothermic rate

图11 为掺氢比对缸内温度的影响。可以看出，随着天然气中氢气掺混比的增加，缸内温度峰值即最大燃烧温度增大。掺氢比为10%～90%时，与未掺混氢气燃烧相比，缸内最大燃烧温度均在增加，最大增加了3.38%。主要原因在于氢气拥有较强的扩散性，掺混比越高，可燃气体混合更均匀，显著提高了燃烧速率，使缸内最大燃烧温度增加。因掺混氢气燃烧后，大多燃料均在上止点附近燃烧，燃烧放热更为集中。所以，在燃烧后期，缸内温度降低。

图11 掺氢比对缸内温度的影响Fig.11 Effect of hydrogen doping ratio on cylinder pressure curve and exothermic rate

3.2 掺氢比对柴油机排放的影响

图12 为掺氢比对CH2O 排放的影响。可以看出，随着天然气中氢气掺混比的增加，CH2O 的排放量显著降低。掺氢比为10%～90%时，与未掺混氢气燃烧相比，CH2O 排放均得以降低。在替代率为50%时，达到了较低水平，较替代率为90% 时，降低了79.6%。一方面由于氢气热值高且燃烧速度较快，随着氢气掺混比的增加，缸内温度升高，促进了CH2O 的氧化。另一方面是掺氢燃烧后，O、OH 等自由基的浓度增加，活动增强，提高了氧化反应的速率，使CH2O 的消耗量大于生成量，CH2O 因此减少。

图12 掺氢比对CH2O 排放的影响Fig.12 Effect of hydrogen doping ratio on CH2O emissions

图13 为掺氢比对CO 排放的影响。可以看出，随着天然气中氢气掺混比的增加，CO 的排放量明显降低。在掺氢比为50%时，达到了较低水平，较掺氢比为0 时，降低了99.9%，此后降低效果不再显著。掺氢比为10%～90% 时，与未掺混氢气燃烧相比，CO排放均降低。主要原因在于CO 是天然气燃烧过程中未完全氧化而形成的产物，随着掺氢比的增加，燃烧速度明显提高，燃料燃烧愈发完全，CO 的排放得以降低。其次，O、OH 等自由基也会增加氧化速率，促使CO 转化为CO2。

图13 掺氢比对CO 排放的影响Fig.13 Effect of hydrogen doping ratio on CO emissions

图14 为掺氢比对CO2排放的影响。可以看出，随着掺氢比的增加，CO2的排放在不断降低。掺氢比为10%～90%时，与未掺混氢气燃烧相比，CO2排放降低，最多可降低79.12%。主要原因在于H2中不含有碳元素，随着掺氢比的增加，燃料中的C/H 比下降，故燃烧产物中的CO2排放减少。

图14 掺氢比对CO2 排放的影响Fig.14 Effects of hydrogen doping on CO2 emissions

图15 为掺氢比对缸内NOX的影响。可以看出，随着掺氢比的增加，NOX的最终排放量也随之增加。掺氢比为10%～90% 时，与未掺混氢气燃烧相比，NOX的最终排放量均在增加。原因主要有以下两方面，一方面氢气掺氢比的提高使柴油机的热量释放增多，缸内燃烧温度随之提高，促进了NOx的生成。另一方面掺混氢气燃烧使缸内产生了大量的OH 自由基，这些自由基也为NOX的生成起到了促进作用。当掺氢比为10%～50%时，NOX排放渐渐趋于一个稳定值，该值出现在掺氢比为50%时，较掺氢比为0 时增加了30.68%

图15 掺氢比对NOx 排放的影响Fig.15 Effect of hydrogen doping ratio on NOx emissions

图16 为掺氢比对缸内SOOT 排放的影响。可以看出，随着掺氢比的增加，SOOT 的最终排放量逐渐降低。掺氢比为10%～90% 时，与未掺混氢气燃烧相比，SOOT 的最终排放量均在减少。原因在于碳烟是高温缺氧环境下未完全燃烧的产物，随着掺氢比的增加，缸内产生大量的O、OH 自由基，使碳烟得到了充分的氧化。其次，氢气的扩散效率比天然气高，在进入气缸后有助于油气的充分混合，大幅减少了高温缺氧区域，抑制了碳烟的生成。当掺氢比为50% 时，SOOT 排放达到了较低水平，较掺氢比为0 时降低85.85%。

图16 掺氢比对SOOT 排放的影响Fig.16 Effect of hydrogen doping ratio on SOOT emissions

4 结语

本文建立TBD620 柴油机的1/5 燃烧室模型，分别研究不同天然气替代率和天然气替代率90%时，不同掺氢比对柴油机燃烧和排放的影响，结果表明：

1）当部分天然气替代柴油燃烧时，在天然气替代率为10%～70%时，随着天然气替代率的增加，柴油机的燃烧性能有所提高。在天然气替代率为60% 和70%时，CH2O、CO、SOOT 排放较低，NOx 排放较高。因天然气和柴油均为碳氢燃料，对于CO2的排放来说影响不大。因此，综合来看，在天然气替代率为70%时柴油机性能较好。在天然气替代率为90%时，因为燃料未完全燃烧，柴油机的燃烧和排放性能较差，但却降低了NOx 的排放。

2）当在90%的天然气替代率中掺混不同氢气燃烧时，随着掺氢比的提高，缸压峰值，最大燃烧温度都在增加。CH2O、CO、CO2和SOOT 的最终排放量降低，NOx 的最终排放量升高。

3）掺氢比为50%时，柴油机的性能得到了很好的改善。但当掺氢比大于50%时，柴油机的性能改善较小。考虑到储氢成本以及NOx 排放，在天然气替代率为90%时，选取掺氢比为50%的方案较为合适。对于掺氢燃烧后NOx 排放增加的问题，后续可以结合EGR 技术做进一步的研究