通过引入汽油直喷增强甲烷进气道喷射发动机缸内气流与燃烧

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Enhancement of in-cylinder flow and combustion in a methane port injection engine by introducing gasoline direct injection

　　

## 摘要

本研究探讨了甲烷缸内直喷汽油辅助燃烧式发动机（PFI）的燃烧与排放特性。在一台398 cc单缸火花点火发动机（1500 rpm，化学计量比）上进行了实验，并结合经过验证的计算流体力学（CFD）对流动、湍流和混合气形成过程进行了模拟。通过调节燃油比例和汽油喷射正时，考察少量汽油直喷能否促进燃烧。所有双燃料工况的指示平均有效压力均高于纯甲烷（M100）运行，且燃烧速度比单燃料工况更快，其中最高IMEP工况（M30G70，上止点前300°）超过M100达3.18%。喷射正时控制着充量运动：进气行程喷射增强了滚动和湍流，而喷射过早则通过与进入充量形成反向流动而削弱了滚动。总碳氢化合物排放随汽油比例增加而增加，而氮氧化物排放随甲烷比例增加而降低。值得注意的是，低汽油比例工况（M70G30，上止点前240°）将燃烧持续期（CA10-90）缩短了约3.6%，并将燃烧起始点（CA10）提前了约0.7°CA，并通过增强的流动和更快的燃烧将颗粒物排放降低至M100的约31%。对于10%汽油能量比例（低位热值基准），当侧向喷射以常规方向的向上倾斜角度对准滚动气流时（上止点前90°）效果最佳，与参考喷射相比，IMEP从5.78提高到5.9 bar（2.1%），CO排放从1.61降低至1.27 mg/循环（21%）。这些结果表明，甲烷PFI辅以少量汽油直喷是一种有前景的双燃料策略，可在降低颗粒物排放的同时改善燃烧性能。

## 引言

交通运输能源目前严重依赖化石燃料，导致严重的环境污染和能源安全问题。为应对这些挑战，各国政府相继出台了日益严格的排放法规——尤其是欧6标准，首次为缸内直喷汽油（GDI）发动机引入了颗粒物数量限值，以及即将实施的欧7标准，预计将进一步扩大PN限值覆盖范围至更广泛的车辆和驾驶工况[1]，[2]——这反过来加速了替代燃料的发展。其中，天然气（NG）与氢气、氨并列，始终被视为内燃机的关键替代燃料之一。天然气主要由甲烷（CH?）组成，甲烷含量在60%至90%之间，具有较高的碳氢比（H/C），能有效降低燃烧过程中的尾气排放。此外，其高达约120的辛烷值能有效抑制爆震，支持更高的压缩比设计（相较于汽油机），从而提高发动机效率。丰富的全球天然气储量确保了稳定的燃料供应和合理的经济性。这些优势使天然气被公认为一种环保燃料[3]，在包括乘用车在内的交通领域仍然是重要的替代燃料。此外，多项研究强调了其全球应用情况：Chala等人指出欧洲政府积极推动CNG车辆的引入[4]，Shaarawi等人指出中东和非洲CNG车辆持续推广，其中埃及的数量在全球名列前茅[5]，Chala等人还指出伊朗仍拥有全球最大的CNG车群，广泛利用其丰富的天然气储量于客运和商用车辆[4]。

然而，使用压缩天然气（CNG）的内燃机存在多个相互关联的性能限制。首先，CNG的气态特性使其在进气过程中占据相当比例的缸内容积，导致容积效率降低，进而使发动机输出功率下降[6]，[7]。其次，也是最为关键的是，甲烷——CNG的主要成分——在化学计量比工况下的层流火焰速度比汽油低约30-40%[8]。这种本质上较慢的火焰传播延长了燃烧持续期，降低了整体燃烧稳定性[9]。第三，CNG的能量密度低于液态汽油，导致车辆续航里程缩短。此外，在CNG缸内直喷（PFI）发动机中，气门重叠期间可能导致燃烧不完全，增加碳氢化合物排放[10]。传统上，专用CNG发动机注重成本效益，主要采用缸内直喷（PFI）方式[7]，[11]。虽然PFI有利于维持均匀的空燃比，有助于CNG应用中的整体发动机效率，但如前所述，这种气态燃料系统必然导致燃烧室内容积效率降低[7]。为克服PFI的限制，一些研究探索了CNG燃料的直喷（DI）方法，该方法通过允许更多空气进入气缸来提高容积效率，尤其是在进气门关闭（IVC）之后的晚喷射正时[12]，[13]，[14]。然而，CNG直喷面临一些技术和经济问题：气态燃料的高压喷射需要根据各种工况精确调节喷射正时，而气态高压喷射器相较于传统液态燃料喷射器成本高昂，对大规模生产构成了重大障碍。此外，240 bar CNG储气罐的重量相当大，可能占整车整备质量的25%[15]。

为克服CNG燃料的这些限制并最大化其优势，研究人员对同时喷射甲烷（CNG）和汽油的双燃料系统进行了大量研究。早期研究主要集中在燃烧特性和气态排放上。例如，Pipitone等人通过调整天然气和汽油的喷射比例研究表明，尽管与纯汽油运行相比燃料消耗显著增加，但功率损失并不严重，且功率输出优于纯天然气运行[16]。Delpech等人也证实同时喷射LPG和汽油可提高容积效率（相对于纯LPG），在保持抗爆震性的同时实现优于汽油的燃油经济性[17]。此外，Iorio等人通过光学发动机实验，结合甲烷直喷（DI）和汽油缸内直喷（PFI），表明双燃料燃烧相比单燃料运行具有更快的火焰传播速度和更低的尾气排放[18]。

关于双燃料燃烧对颗粒物的影响，Chen等人通过光学发动机研究表明，在甲烷PFI和异辛烷DI条件下，添加异辛烷主要提高了湍流火焰传播速度，而不仅仅是改变了初始火焰核尺寸——这证实了高反应性先导燃料在加速整体燃烧过程中的机制作用[19]。相比之下，虽然众所周知GDI发动机由于液态燃料壁面润湿和局部燃料过浓的扩散火焰，其PN排放显著高于PFI发动机[1]，但研究表明即使在GDI运行中引入少量的上游PFI，也能通过改善缸内混合气均匀性和抑制扩散火焰，将PN排放降低多达一个数量级[20]。关于双燃料发动机中甲烷颗粒物排放的研究，在甲烷-柴油双燃料发动机领域较为活跃，而甲烷-汽油双燃料发动机的研究相对有限。然而，Iorio等人最近利用小型光学发动机证实，双燃料运行与纯汽油运行相比显著降低了PM排放[13]。Catapano等人也观察到，双燃料条件下使用CNG直喷和汽油直喷发动机，相比纯汽油燃烧产生的扩散火焰更少，这与PM排放降低有关[21]。Liu等人及Sun等人的研究解释说，随着天然气比例的增加，PM排放显著降低，并将这一现象归因于CNG的高扩散性、富氢含量以及缺乏C-C键[22]，[23]。

尽管双燃料研究日益增多，但文献中仍存在一个关键空白。大多数先前的甲烷-汽油双燃料研究集中在以下系统上：(i)汽油能量比例相对较高（通常为低位热值基准的30-50%或更高）；(ii)喷射配置将CNG置于直喷位置而将汽油置于PFI位置——这与传统的CNG PFI基础设施相反[24]；或者(iii)分析仅限于光学发动机可视化，而未在一系列工况下系统地表征燃烧和排放特性。此外，极低汽油直喷比例（约10% LHV）作为有针对性的"燃烧促进剂"的潜力——即少量分层汽油充量在火花塞附近加速初始火焰核形成，从而改善整体CNG燃烧相位和稳定性——尚未在生产导向的CNG PFI发动机框架内得到系统研究。Chen等人最近对大缸径天然气发动机进行的CFD研究表明，少量直喷汽油在火花塞附近形成活跃的分层区域，与纯天然气运行相比，CA0-CA5周期缩短了77.6%，CA5-90周期缩短了26.5%，指示热效率提高了1.4%[25]。Yang等人也通过CNG PFI + 汽油DI单缸发动机的实验与模拟研究证实，60%的甲烷混合比在净指示比油耗降低7%的情况下表现出良好的抗爆震特性[26]。然而，这两项研究均未同时考察汽油喷射方向（向上喷射）对CNG基充量运动的缸内流动增强效应，也未全面表征低汽油比例范围内的PN和THC排放。除混合高反应性燃料外，氧化剂富化（富氧燃烧）是另一条已建立的加速低火焰速度燃料燃烧的路径。例如，Wang等人报告在氨燃料Wankel转子发动机中加入H?/O?混合气（同时也提高了缸内氧分数），显著加速了氨火焰传播并提高了燃烧效率；此类方法共同的目标都是补偿本质上较慢的火焰速度，这也是本研究针对甲烷所解决的核心挑战[27]。

基于这些研究空白，本研究提出了一种面向生产的CNG PFI发动机的混合燃烧系统，通过直喷引入少量汽油。这一方法的动机来自实际需求：基础平台是一台运行PFI CNG的火花点火发动机，其低火焰速度和PFI气态注入导致的容积效率降低，使得功率和燃烧速度下降。本研究没有转向压燃式、柴油先导配置，而是保持火花点火、近化学计量比平台（与三元催化器兼容），并添加少量汽油直喷作为燃烧促进剂以恢复性能。本研究聚焦于10%的汽油能量比例（低位热值基准），考察该策略能否在保持CNG运行低排放优势的同时改善燃烧性能。为此，采用计算流体力学（CFD）分析根据CNG PFI和汽油DI比例变化的缸内流场和充量运动。特别是，本研究将Yang等人提出的水平（向上）喷射概念应用于CNG基双燃料充量，并作为单次喷射（而非文献[28]中使用的分割喷射）应用，评估其在一系列喷射正时下对滚动保持和近火花塞湍流的影响[28]。此外，进行单缸发动机实验以表征燃烧和尾气排放，包括THC、NOx和颗粒物数量（PN）。最终，本研究旨在评估CNG PFI发动机辅以低比例汽油DI的可行性，并为未来低排放内燃机提供实用指导。

## 节选片段

### 燃烧发动机实验装置

本文使用一台398 cc单缸直喷火花点火（DISI）发动机（进气道上安装CNG喷射器），研究了不同甲烷-汽油喷射比例的燃烧特性和尾气排放。该发动机的详细规格见表1。使用一台37 kW交流电机配合专用控制器维持发动机转速。GDI喷射器、CNG缸内直喷喷射器、火花塞和宽频氧传感器（BOSCH LSU 4.9）均…

### 模拟模型验证

通过Mie散射方法获得的实验结果与模拟结果对比，验证了喷雾破碎模型。实验和模拟均在相同的条件下进行，环境压力为1 bar，喷射压力为350 bar。

此外，为了捕捉少量汽油喷射的行为特征，对KH-RT破裂模型常数进行了调整，以构建两种喷射策略的仿真模型：一种是持续时间为1.5毫秒的长时间喷射。结论 本研究通过单缸发动机实验和经验证的计算流体动力学（CFD）仿真，考察了采用辅助汽油直喷（GDI）策略的甲烷缸内喷射（PFI）发动机的燃烧和排放特性。系统分析了甲烷-汽油燃料喷射比、汽油喷射正时以及向上喷射策略对缸内气流、湍流、燃烧性能和尾气排放的影响。主要贡献声明 贡献者：Dongwoo Kang：原创稿件撰写、验证、调查研究、构思。Hoseung Yi：原创稿件撰写、调查研究、构思。Yubeen Yang：原创稿件撰写、数据整理、构思。Sungwook Park：稿件审阅与编辑、项目管理、调查研究、资金获取、构思。利益冲突声明 作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢 本工作由韩国贸易、产业与能源部（MOTIE）资助的技术创新计划（编号20024960，汽车用可再生合成燃料（e-Fuel）原创技术开发）支持。Dongwoo Kang | Hoseung Yi | Yubeen Yang | Sungwook Park 韩国汉阳大学研究生院机械融合工程系，韩国首尔 04763。