飞行员喷嘴方向和喷射时机对柴油/甲醇混合燃料压燃点火（JCCI）发动机燃烧及排放特性的影响

《Energy》：Effect of pilot nozzle orientation and injection timings on combustion and emission characteristics of diesel/methanol JCCI engine

双燃料发动机中柴油喷孔角度与喷射正时对燃烧模式及排放的影响研究表明，柴油喷孔角度（θd）和甲醇、柴油喷射正时（tSOI,d和tSOI,m）调控可实现中心点火（CI）和外围点火（PI）两种模式：CI模式下柴油在甲醇包围区稳定点火，提升热效率并降低未燃甲醇（63.7%）和HC（75%）排放；PI模式下柴油外围喷射导致点火位置随机分布，甲醇接触不充分，热效率下降。优化θd可平衡燃烧稳定性与热效率，但对tSOI敏感度较低。研究揭示了喷孔角度与喷射正时耦合调控对火焰发展、燃烧相位及排放的关键作用，为双燃料发动机设计提供理论依据。

　　

杨 王 | 赵 文涛 | 王 芒凡 | 龙 武强 | 董 彭波 | 田 华 | 肖 格 | 林 大伟 | 王 千明 | 王 彭

大连工业大学能源与动力工程学院，中国大连 116024

摘要

由于甲醇的十六烷值较低，直接点燃较为困难，因此采用柴油点火控制的压缩点火（JCCI）技术成为一种有前景的解决方案。然而，两者之间的相互作用机制尚不清楚，这限制了热效率的进一步提升以及碳排放的进一步减少。为了探索这一问题，本文通过数值模拟研究了柴油喷射角度（θ_d）以及柴油和甲醇的喷射时机（t.SOI,d 和 t.SOI,m）对相互作用、火焰发展、缸内燃烧和排放的影响。研究结果表明，随着柴油喷射角度（θ_d）的减小，燃烧结构发生了显著变化，出现了两种不同的模式：中心点火（CI）和周边点火（PI）。在周边点火模式下，多个分散的柴油喷射流在缸壁周围形成点火点，导致点火位置具有随机性。不适当的柴油喷射角度会阻碍甲醇与柴油的有效混合，从而降低效率。该模式受喷射时机的显著影响，影响燃烧稳定性，但对CA50-CA10时间间隔的影响有限。在中心点火模式下，柴油燃料在甲醇包围的空白区域积聚，有利于稳定点火并加速燃烧。然而，过小的柴油喷射角度会导致运动距离增加，从而引起点火位置偏差和燃烧时间延长；而适当的柴油喷射角度可以在对喷射时机敏感度较低的情况下提高指示热效率（ITE）。最佳柴油喷射角度可使指示热效率提高0.53%，同时减少未燃甲醇（63.7%）和碳氢化合物（HC）的排放。这些发现表明，在甲醇饱和环境中优化多点柴油喷射分布可以提升热效率并减少排放，为甲醇发动机的设计提供了宝贵的参考。

引言

甲醇是一种领先的替代燃料，有助于内燃机的脱碳。其生产过程可以是碳中性的，依赖于生物质或捕获的二氧化碳等可再生原料[1][2]。此外，甲醇的化学性质非常有利于燃烧，能够实现高热效率，并大幅减少颗粒物排放[3][4]。因此，充分发挥这些优势是现代发动机研究的主要驱动力。

为了实现高效且清洁的双燃料燃烧，反应性控制的压缩点火（RCCI）模式表现出优异的热效率和排放性能。然而，该模式需要较高的进气温度才能实现高替代比例和高热效率燃烧[5][6]。在这种情况下，喷射控制的压缩点火（JCCI）技术展现了巨大的潜力[7]。该技术采用双燃料直接喷射策略，分别将高反应性的引燃燃料和低反应性的主燃料引入气缸。引燃燃料在燃烧室的局部区域形成高能喷射核，从而点燃预混或扩散控制的主燃料混合物[8]。通过调节两种燃料的喷射比例、时机和策略，可以在空间和时间维度上建立可控的反应性梯度，实现对燃烧过程和热释放率的精确控制。该系统允许分别优化引燃燃料和主燃料的混合过程，两者之间的相互作用至关重要，直接影响混合物的形成和燃烧演变[9]。 JCCI模式在提高各种低碳/零碳燃料的利用效率方面展现出巨大潜力，已成为该领域的重要研究方向。王等人的研究[10]表明，JCCI发动机可以实现高甲醇能量替代比例，凸显了这项技术的实际价值[11][12]。此外，张等人[13]揭示了柴油喷射时机对氨喷雾点火的精确控制作用，并指出高能柴油火焰可以加速氨的燃烧，从而提高热效率。陈等人[14]通过多种喷射策略实现了JCCI燃烧过程的灵活控制，显著减少了未燃氨的排放并提高了热效率。然而，现有研究主要集中在优化喷射策略或探索不同燃料特性以提高热效率上，对双燃料之间相互作用机制的关注相对有限，研究方法也较为单一。特别是甲醇具有较高的蒸发潜热，其与引燃燃料的相互作用主要依赖于物理混合过程。系统性地研究相关相互作用机制仍十分缺乏，这阻碍了对JCCI燃烧过程的深入理解和进一步系统优化。 关于这种关键燃料相互作用机制的控制，大量研究主要集中在时间策略上，例如调整柴油喷射时机和喷射间隔。段等人[15]和尹等人[16]系统地揭示了柴油和甲醇喷射时机对燃烧和排放的显著影响。基于双燃料直接喷射策略，徐等人[17]研究了氨和柴油的蒸发特性及相互作用时机对火焰发展和污染物形成的影响，得出柴油点火与氨混合物之间的相互作用时机主导了整个燃烧过程的结论。布坎南等人[18]通过控制喷射持续时间和混合物停留时间来调节相互作用，确定了可靠点火所需的最小喷射间隔。此外，李等人[19]评估了多种喷射模式，发现柴油主导或甲醇主导的喷射策略适用于不同的发动机运行条件。谢等人[20]研究了喷射压力、时机和喷嘴锥角的影响，发现锥角对喷雾点火的影响较小，但主要影响燃烧持续时间。黄等人[21]通过对改进的四缸柴油发动机进行甲醇-生物柴油喷射时机的协调优化，发现两阶段分次喷射策略可以同时减少排放并提高热效率。 除了时间控制之外，喷射器的物理几何形状是影响燃料相互作用的基础因素。虽然在二冲程发动机中对立喷射器布局通常有效且可行[22][23][24]，但四冲程发动机通常面临严格的几何约束。这一现实往往需要采用非对称布局，即一个中央甲醇喷射器与一个侧面安装的柴油喷射器配合使用[25][26]。为了克服这种固有的不对称性，提出了几种先进的硬件解决方案。例如，张等人[27]系统研究了两个喷射器同轴度的变化对柴油-甲醇喷雾相互作用的影响，发现完全同轴喷射可带来最佳性能，尽管通过优化喷嘴设计也可以在非对称布局中获得类似的结果。李等人[28]开发了一种能够从单个喷射器输送两种燃料的复杂集成喷射器，而张等人[29]提出使用两个对立的预点火喷射器来创建更对称的点火场。然而，集成喷射器在技术成熟度和复杂性方面面临挑战。张等人[30]验证了喷雾相互作用对点火和火焰发展的关键影响，但他们使用的恒容燃烧室增强了喷雾特性。然而，在发动机中，喷雾的点火存在延迟，且喷雾的运动受到涡流的干扰，使得相互作用更加复杂。同时，双喷射器方案的成本较高，且需要较大的发动机空间。这些限制阻碍了它们的广泛应用，尤其是在成本敏感的应用中。 尽管在燃料相互作用方面进行了大量研究，并从多个角度尝试控制喷雾相互作用，但仍存在两个关键挑战：首先，当前的非对称布局主要使用传统的引燃喷射器，缺乏专门为此目的设计的成本效益高的喷嘴。其次，甲醇的高蒸发潜热对柴油的点火至关重要，这影响了随后的火焰发展，而燃料喷雾的空间分布与喷射时间策略之间的耦合效应尚未得到系统研究，导致相互作用模式较为随机。因此，这种时空耦合对于燃烧控制至关重要。 为了填补这一关键知识空白，本研究旨在通过数值模拟系统地研究柴油喷射角度（θ_d）以及喷射时机（t.SOI,d 和 t.SOI,m）对相互作用、火焰发展、缸内燃烧和排放的影响。结合不同的喷射策略，本研究系统分析了柴油喷雾的方向性如何控制缸内燃料分布和随后的点火过程。目的是阐明引燃喷雾如何影响火焰传播、热释放率（HRR）以及关键污染物（NO_x 和未燃甲醇）的形成机制。这些发现有望为柴油/甲醇双燃料发动机的燃烧系统设计和优化提供重要的理论指导和实践基础。

研究方法

本研究以单缸柴油/甲醇发动机为研究对象。基于从发动机获得的实验数据，建立了仿真模型并进行验证，然后通过数值模拟研究了引燃喷嘴方向和喷射时机对发动机燃烧和排放特性的影响。具体研究方法如下所述。

分析柴油点燃甲醇的过程

柴油喷射角度（θ_d）是控制双燃料系统燃烧过程的关键参数。如图7所示，该角度决定了初始点火核的位置，从而形成了两种不同的燃烧模式：周边点火（PI）和中心点火（CI）。柴油点火区域由1800 K等温面界定[34]。黑色区域表示柴油和甲醇喷雾的分布和演变情况

结论与未来方向

柴油-甲醇喷雾之间的相互作用显著影响了喷射控制的压缩点火（JCCI）发动机的性能。通过调节柴油喷射器的导向角度（θ_d）以及柴油和甲醇的喷射时机（t.SOI,d 和 t.SOI,m），本文从数值上研究了其控制机制。主要结论如下：

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作者贡献声明

赵 文涛：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、数据管理。杨 王：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据管理。田 华：验证、方法论、研究。董 彭波：验证、方法论、研究。龙 武强：可视化、监督、资金获取。王 芒凡：研究、资金获取、数据管理。王 彭：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理。王 千明：资源协调、方法论

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFB4300700）的财政支持。