进气加湿结合废气再循环技术对高压直喷双燃料低速机燃烧及排放的影响

李长锟，王天友，孙 凯，王怀印

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

0 概述

现阶段，航运产业迅速发展，相应的排放法规也日趋严格。国际海事组织规定自2016年起在排放控制区推行Tier Ⅲ标准，NOx排放限值比Tier Ⅰ 阶段锁紧约80%[1]；自2020年起，规定全球范围内船用燃油含硫量降至0.5%，这对传统燃用柴油/重油的船用低速机提出了更高的要求。柴油-天然气双燃料发动机因排放较低等优势得到国内外广泛关注[2-3]。柴油-天然气双燃料二冲程低速机按照天然气喷射方式可分为高压喷射[4]和低压喷射[5]。其中，高压喷射式机型采用天然气高压直喷实现扩散燃烧，与柴油机具有相当的动力性，热效率高，无爆燃、甲烷逃逸等现象，受到船舶行业的青睐[6]，但排放性能较差，需要借助其他降排措施达到Tier Ⅲ排放标准要求。

研究表明选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)、废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)等技术是达到Tier Ⅲ排放标准要求的有效手段[7]。其中，SCR技术设备昂贵且占地空间较大。MAN 公司[8]试验证明船用低速机单独采用高压EGR可使NOx排放降至3.4 g/(kW·h)以下。文献[9]中研究发现采用36%～37% EGR率可以满足Tier Ⅲ排放标准，但同时有效燃油消耗率升高6%。文献[10]中研究结果表明42%EGR率可使船用低速机NOx排放降低82%，但油耗恶化严重。相比于EGR通过在进气道引入废气改变进气组分的方式，进气加湿(humid air motor,HAM)技术具有实现难度低、成本低、耐久性好等优势[11]，适用于船用中低速机。文献[12-13]中通过控制进气道处喷雾系统加湿，使发动机的有效功率、燃油消耗率得到改善，同时NOx排放也降低。相比于柴油机，双燃料发动机混合气形成及燃烧过程存在较大差异，进气加湿技术在高压直喷双燃料船用低速机上的研究尚未见报道，EGR和HAM等技术对双燃料低速机的影响及降排潜力有待深入研究。

本文中通过三维数值模拟分析了EGR技术和HAM技术对高压直喷双燃料船用低速机燃烧过程和排放的影响，并将EGR、HAM及天然气喷射等技术有效结合，使用低程度EGR率达到Tier Ⅲ排放标准要求，改善燃料经济性，对双燃料船用低速机的研发具有一定的指导意义和工程应用价值。

1 模型仿真及验证

1.1 模型搭建

以某高压直喷式双燃料二冲程发动机为研究对象，其主要参数如表1所示。其中“°”代表曲轴转角，若无特殊说明，则正值代表上止点后，负值代表上止点前。基于三维CFD数值模拟软件CONVERGE搭建单缸发动机仿真模型，如图1所示。该发动机缸盖上方布置喷油器及喷气阀各2个，分别用于喷射引燃油和天然气燃料。模型的初始条件及边界条件如表2所示，计算中采用的主要子模型如表3所示。

表1 发动机参数

图1 发动机三维模型

表2 边界及初始条件

表3 主要子模型

1.2 模型验证

模型标定前首先进行了网格敏感性分析。基于文献[14]中的研究基础，综合考虑计算能力及工程应用的适用性，计算模型采用全局10.0 mm基础网格尺寸，局部进行二级自适应加密(adaptive muti rate, AMR)，最小网格尺寸2.5 mm。对发动机完整循环进行模拟计算，图2为试验和模拟缸内压力和放热率曲线对比，显示模拟结果与试验值吻合较好。同时，如表4所示，计算的燃气消耗率及NOx排放等关键参数的误差均控制在5%以内，证实模型可以用于下一步研究。

图2 试验和模拟中缸内压力及放热率曲线

表4 试验值与模拟值参数对比

2 计算结果及分析

2.1 进气加湿对发动机燃烧及排放的影响

通过对进气充量进行不同程度的加湿，使缸内燃烧阶段有更多水蒸气参与理化反应，进而影响发动机燃烧过程及排放。为防止液态水腐蚀气缸壁且尽可能降低NOx排放，需要严格控制进气加湿量。

基于相关文献[15-17]，定义水和天然气喷射质量比3∶1为最大加湿量，此时对应的进气加湿程度定义为100%。以20%为梯度设置了0%、20%、40%、60%、80%、100%这6种加湿程度，分别记作H0、H20、H40、H60、H80、H100，其中加湿程度为H0代表进气充量为干空气状态。不同加湿程度下，各组分质量分数见表5。

表5 不同加湿程度下工质各进气组分的质量分数

图3为缸内平均燃烧温度及压力峰值随进气加湿程度的变化。从图中可以看出随着加湿量增大，缸内平均温度及压力呈下降趋势。当加湿程度由H0提高到H100时，缸内平均压力峰值下降 0.51 MPa，主要原因是水的比热容较大，随着加湿程度增大，进气组分的热容值升高，燃烧过程中吸收更多热量，使得缸内燃烧温度降低，燃烧初期压力升高率降低，缸内燃烧压力峰值呈降低的趋势。

图3 不同加湿程度对缸内平均温度及压力峰值的影响

图4和图5分别为不同进气加湿程度下缸内当量比及温度分布云图。由图可知随着加湿程度不断提高，缸内燃烧温度高温区分布总体上呈降低趋势。进气加湿量由H0增加至H100时，缸内局部高温区面积显著减小，燃烧温度大幅降低。这是由于水蒸气的掺混降低了进气充量中氧的浓度，燃烧过程中氧气量减少，燃烧反应速度减慢；湿空气与燃料混合可以降低高温产物的扩散速度，通过影响化学反应速率及火焰传播速度，使缸内燃烧更加温和。同时可以看出，随着加湿量增大，进入缸内的新鲜充量中氧气质量分数下降，上止点处缸内整体当量比稍有提升；上止点后10°曲轴转角时，缸内高当量比区域面积略微增加。但当量比的分布位置受进气加湿量影响较小，不同加湿程度下缸内燃空当量比分布相似。

图4 不同进气加湿程度下不同时刻缸内当量比分布云图

图5 不同进气加湿程度下不同时刻缸内温度分布云图

图6为不同进气加湿程度对NOx排放和天然气消耗率的影响。由图6所示，随着进气加湿程度提高，NOx排放显著降低；天然气消耗率整体呈上升趋势，但变化幅度较小。进气加湿量由H0增至H100，NOx排放降低57.81%(NOx排放量由11.85g/(kW·h)降至5.00 g/(kW·h))，天然气消耗率仅升高1.63%。进气加湿技术可以有效降低NOx排放，且燃烧经济性损失较小，然而单独使用进气加湿技术无法满足TierⅢ排放标准，需要结合EGR等技术措施降低NOx排放。

图6 不同进气加湿程度下NOx排放和天然气消耗率

2.2 EGR率对发动机燃烧及排放的影响

为进一步优化发动机排放性能，研究了EGR率对发动机燃烧及排放的影响。三维数值模拟中，通过设置进气充量中各组分质量分数实现EGR率变化。研究中EGR率计算公式如下[18]：

(1)

式中，REGR为EGR率；ωEO、ωEC分别为排气门开启时刻及关闭时刻缸内CO2的质量分数；ωEN为大气中CO2的质量分数。

图7为EGR率对天然气消耗率和NOx排放的影响。结果表明，随着EGR率不断增加，NOx排放量显著降低，而天然气消耗率呈现增大的趋势。当EGR率达到34%时，NOx排放降低至2.37 g/(kW·h)，满足Tier Ⅲ排放法规，但与原机工况相比，天然气消耗率升高3.01%。

图7 不同EGR率下天然气消耗率及NOx排放变化

2.3 进气加湿结合EGR的技术路线

进气加湿和EGR技术都是降低发动机NOx排放的有效措施。提高EGR率可以使NOx排放量显著降低，但天然气消耗率提升，燃烧经济性恶化；增加进气充量中加湿量也能较大程度上优化排放性能，对天然气消耗率影响较小。本研究中将两者结合，研究其对天然气消耗率及NOx排放的影响。

以20%EGR率工况点为基准，结合进气加湿技术展开研究。此时NOx排放量为4.44 g/(kW·h)，比原机优化约62.53%，降排潜力较大；天然气消耗率仅升高2.21 g/(kW·h)，经济性损失较小。

图8为EGR率为20%时，进气加湿程度对天然气消耗率及NOx排放的影响。结果表明，EGR率不变时，加大进气加湿量可以进一步优化NOx排放，同时导致天然气消耗率整体呈上升趋势。采用20%的EGR率结合40%进气加湿时，NOx排放量为3.22 g/(kW·h)，可以满足Tier Ⅲ排放法规。

图8 EGR率为20%时进气加湿对天然气消耗率及NOx排放的影响

为进一步改善进气加湿结合EGR带来的燃料经济性降低问题，引入不同天然气的喷射正时以提高发动机功率，降低天然气消耗率。

图9为进气加湿、EGR技术耦合天然气喷射正时对发动机燃烧排放的影响。用E代表EGR技术，H代表进气加湿，天然气喷射定时提前记为A，推迟记为D，如E20-H60-A2表示EGR率20%、进气加湿量60%、天然气喷射定时提前2°曲轴转角，为了表述简洁，方案序号中E0、H0、A0省略不写，依此类推。图10是使用20%EGR率(E20)、采用20%EGR率耦合60%HAM且天然气喷射正时提前2°(E20-H60-A2)策略与原机(即E0-H0-A0)缸内温度分布对比图。结果表明，使用20%的EGR率可以明显降低缸内温度，局部高温区显著减小，减少了NOx排放；继续耦合进气加湿及天然气喷射策略，缸内燃烧温度持续降低的同时，由于天然气早喷，缸内温度分布更均匀。由此可知，提前天然气喷射正时可以优化发动机性能指标。EGR率为20%，进气加湿程度为60%，天然气喷射提前2°时，发动机NOx排放满足Tier Ⅲ排放法规，且天然气消耗率最优。相比原机工况，该参数组合下NOx排放降低81.94%，天然气消耗率升高2.29%。由此可知，适宜的EGR率和进气加湿程度耦合适宜的天然气喷射定时可作为高压直喷双燃料船用发动机满足Tier Ⅲ排放法规的一条可行技术路线。

图9 进气加湿、EGR技术耦合天然气喷射正时对发动机燃烧排放的影响

图10 不同减排策略下缸内温度分布图

3 结论

(1) 高压直喷双燃料低速机采用进气加湿技术降低NOx排放的潜力较大，且对天然气消耗率影响较小，但单独使用进气加湿技术难以满足Tier Ⅲ排放法规。

(2) EGR是高压直喷双燃料船用发动机降低NOx的有效途径。单独采用34%的EGR率可以使NOx排放满足Tier Ⅲ排放要求，但天然气消耗率升高3.01%，燃料经济性恶化。

(3) 综合考虑进气加湿和EGR的优势，选用20%的EGR率、60%的进气加湿量，并提前2°曲轴转角喷射天然气，可以在保证天然气消耗率升高较少(2.29%)的前提下，使NOx排放达到Tier Ⅲ排放法规的要求，NOx排放量相比原机降低81.94%，是高压喷射双燃料船用发动机降排的可行技术路线。