为了满足日益严格的排放法规要求^{[1, 2]}，近年来研究人员从机后、机内、机前等角度，提出了多种柴油机排放优化技术^[3].机后净化主要是通过附加装置对柴油机烟气进行处理，降低污染物的排放，如SCR选择性催化还原^[4]、DOC氧化催化^[5]降低NO_x排放等.机前和机内处理措施主要是通过优化进气或燃油喷射系统，完善缸内燃烧过程，达到提高燃烧效率、降低排放的目的.当前针对进气成分优化的研究，主要集中在进气加湿、废气循环(EGR)、富氧燃烧等方面.

进气加湿和米勒循环加强的组合在降低柴油机NO_x排放方面潜力大，在75%额定工况下NO_x的排放量能够降低75%，且对Soot排放和燃油消耗率影响小^{[6, 7]}.EGR技术能够有效延长滞燃期，使得燃烧过程后移，缸内压力和温度降低，NO_x排放得到有效控制；10%的EGR率时，NO_x排放能够降低47.2%，随着EGR率的增加，NO_x排放降低更为显著^{[8, 9]}.但以上技术都需以牺牲柴油机的经济性来降低NO_x排放.富氧燃烧能够提高燃烧效率，降低PAH和碳烟，且其微粒几何平均直径减小，小粒径微粒数量增多，微粒表面积浓度和体积浓度也随之降低；但燃烧效率的提高能有效促进缸内NO_x的生成^{[10, 11]}.更有研究机构通过富氧和EGR或进气加湿的有效结合，寻找控制排放并优化柴油机燃烧的途径^{[12, 13]}.在2 200 r/min工况下，O₂摩尔体积分数22%~24%、EGR率20%~50%范围内，能够实现低于原机NO_x-Soot排放^[12-14].

近年来，无氮燃烧技术在煤粉燃烧领域得到广泛的应用，无氮燃烧的实现最大程度地降低了NO_x排放^{[15, 16]}，而其在内燃机领域的应用研究甚少.文献[17, 18]表明：65%CO₂&35% O₂进气能够实现ZS195单缸机的正常运转；文献[19]表明：4135ACa柴油机能够在含有50%~60% O₂的无N₂进气工况下，保持柴油机的怠速运转，但是燃烧不完善，排烟中含有明显的黑炭.上述研究成功地将柴油机NO_x-Soot排放瓶颈问题转化为优化其燃烧问题.基于以上研究，本文以4135ACa柴油机为对象建立三维模型，对柴油机在不同比例O₂、N₂、CO₂进气条件下的燃烧过程进行燃烧计算，研究其在低氮、无氮燃烧环境下的燃烧和排放特性，以期达到优化柴油机无氮燃烧性能的目的.

1 模型的建立及验证 1.1 柴油机主要技术参数

本文以东风牌4135ACa柴油机为研究对象，其主要技术参数如下.机器型号：直列4缸、4冲程、水冷机型；额定工况：66.2 kW/1 500 r/min; 缸径/行程:135 mm/150 mm; 压缩比:17;喷油提前角:上止点前16°~18°; 进气阀开启/关闭角:上止点前20°/下止点后48°; 排气阀开启/关闭角:下止点前48°/上止点后20°；燃烧室类型：ω；进气方式：自然吸气.

1.2 模型的建立

根据4135ACa柴油机结构参数，在AVL-Fire软件的Fire ESE Diesel模块中构建三维网格模型.柴油机燃烧室形状为ω型，为减少计算量将其简化为以气缸中心对称的燃烧室.柴油机采用6孔喷油器，取整个气缸网格的1/6即60°的扇形网格作为计算区域(图 1).当前有关柴油燃烧的化学反应机理都是建立在空气环境或低浓度富氧环境下的，低氮燃烧环境下的燃油燃烧反应机理甚少.因此，本模型通过General Gas Phase Reactions模块与Ra Youngchul等发展的正庚烷燃烧化学反应简化机理进行耦合计算^[20].运用AVL-Fire软件对柴油机在不同比例O₂、N₂、CO₂混合气工况下缸内燃烧放热、压力、温度场分布及排放性能进行模拟计算，探索其对柴油机燃烧和排放性能的影响规律.

1.3 三维计算模型合理性验证

以4135ACa柴油机在1 350 r/min、48 kW工况下的热工参数，在上述三维模型中进行初始设置，对进气阀关闭到排气阀开启的整个过程进行计算，并适当调整优化计算结果.计算所得的缸内压力曲线与实验值对比如图 2所示，2条曲线基本重合，压力偏差最大出现在爆压位置，实验爆压为7.404 MPa，计算爆压为7.176 MPa，偏差仅为3%，所以可以使用该三维模型进行数值模拟计算.

2 数值模拟计算结果及分析 2.1 无氮燃烧

以空气或不同比例O₂、CO₂的混合气作为进气的初始条件，进行柴油机燃烧过程的三维仿真模拟计算，缸内压力、缸内温度、燃烧放热总量、CO和NO_x排放随曲柄转角变化结果如图 3~6所示.

由图 3~5可知，随着CO₂体积浓度的增加，柴油机缸内压力和温度曲线下移，压缩终点压力和温度降低，滞燃期延长，这主要由CO₂是由三原子气体且其比热容大所引起的.当CO₂体积浓度为40%时，燃烧过程推迟到上止点后，且燃烧不完全、放热总量少.CO₂作为燃油燃烧产物在一定程度上会抑制燃烧反应的进行，其比热容、热辐射系数等物理性质的差异不利于缸内火焰传播.随着CO₂体积分数的减小、O₂体积浓度的增加，发火燃烧时刻提前，燃烧效率得到明显改善.当O₂浓度增加至70%时，缸内放热总量明显高于正常进气工况，但缸内燃烧温度和压力值相对偏低，这是由CO₂的大比热容所决定的.在吸收相同或稍高的燃烧放热量，其压力和温度升高值相对N₂小.70% O₂工况下的缸压曲线表明其对外做功能力相对正常进气工况弱.随着O₂浓度的继续增加，滞燃期缩短，燃烧提前，但燃烧放热量增加有限，表明70% O₂进气工况时，缸内燃油燃烧已趋于完善.但O₂比热容相对CO₂较小，在放热量差异不大且稍有增加前提下，其缸压曲线上移，对外做功能力逼近正常进气工况.当浓度达90%后，其缸压曲线甚至在正常进气缸压曲线之上.以上表明，能够通过提高无氮气进气中O₂浓度，提高燃烧效率和对外做功性能.

柴油机无氮燃烧NO_x排放降到最低，甚至无NO_x排放.由图 6可知，无氮燃烧中CO排放均低于正常进气工况，这是因为CO₂的存在严重抑制燃烧过程的进行，大部分碳以未燃碳氢化合物的形式存在于燃烧环境中.当无氮环境中O₂浓度从60%增加到90%时，CO的排放逐渐减少.因此，O₂浓度的增加有利于燃烧化学反应的进行，部分CO在更为充足的氧气环境中转换成CO₂.由此表明，高浓度富氧的无氮燃烧，能够同时降低NO_x和碳化物的排放.

综合以上分析可知，70%以上O₂含量的无氮燃烧，能够基本保持柴油机对外输出做功能力，提高燃烧效率，减少碳化物的排放，实现NO_x的零排放.

2.2 低氮燃烧

相对CO₂而言，N₂的小比热容对火焰传播速度影响较小，更利于柴油机燃烧室内燃油燃烧化学反应的进行，可有效提高柴油机燃烧性能和对外做功性能.通过在无氮燃烧的基础上，加入一定比例N₂，利用上述三维模型进行仿真计算，研究其对燃烧和排放性能的影响.

在60%、70%、80% O₂工况分别加入10% N₂.如图 7所示，N₂的加入使得压缩曲线稍有上移，发火燃烧时刻提前，燃烧效率提高.尤其是在60% O₂工况，其点火时刻明显前移，相同曲柄转角对应的缸内压力明显提高，其缸压曲线与70% O₂无氮燃烧工况基本重合.由此表明，N₂能够有效提高燃烧效率.从图 8中明显看出高浓度富氧的低氮、无氮燃烧CO排放远低于正常进气工况.在相同含氧量工况下，加入10% N₂，CO排放能够降低近50%；但导致NO_x排放明显增加，且远高于正常进气工况条件下的NO_x排放.在同样的N₂含量条件下，随着O₂含量的提高NO_x排放进一步增加.

综上分析，N₂的加入能够改善柴油机的燃烧性能和对外做功性能，但仅10% N₂的加入就导致NO_x排放成倍增加.因此，通过加入N₂难以优化柴油机无氮燃烧性能.

3 无氮燃烧优化

随着氧浓度的提高，无氮燃烧能够优化柴油机燃烧和对外做功性能；但过高氧浓度会加剧燃烧，导致柴油机爆震.以上结果都是三维仿真计算分析所得，尚需通过实验确认无氮燃烧的最佳O₂浓度.

富氧无氮燃烧必须结合烟气回收技术，通过回收烟气中大量的CO₂ & O₂来降低运行成本.因此有必要研究进气温度对燃烧性能的影响.除此以外还可结合燃油系统优化等技术，完善无氮燃烧性能.

不同优化措施下缸内压力对比如图 9所示，图中a为空气进气工况、b为65% O₂& 35% CO₂进气工况、c为在b工况基础上提前2°喷油、d为在b工况基础上进气温度提高50 ℃.图 10为不同优化措施下柴油机典型曲柄转角所对应缸内温度场的分布.由图可知，喷油提前有利于油气混合，有利于火焰传播；发火燃烧后，同一曲柄角度对应的缸内最高温度稍有提高；但通过提前喷油时刻提高燃烧性能的幅度有限；进气温度的提高更利于前期油雾蒸发，前期燃烧加快，在356°曲柄位置的缸内温度要明显高于正常工况值；初始温度提高后，缸内爆发压力反而降低，且在366°曲柄位置，其最高温度也小于正常进气工况.由压力曲线可知，进气温度的提高增加压缩阶段功的消耗，而后期对外做功也减少.因此，需要根据柴油机最佳进气成分的无氮燃烧工况，结合喷油定时及进气温度综合优化其性能.

4 结论

基于4135ACa柴油机三维模型的模拟仿真计算结果，可得出以下结论：

1) 柴油机无氮燃烧能够有效实现NO_x的零排放.在1 350 r/min、48 kW工况，40% CO₂ & 60% O₂进气条件下，燃烧严重滞后，燃烧过程主要在上止点以后进行.当O₂浓度达65%无氮燃烧性能明显优化，但其对外做功性能偏低.进一步提高O₂含量，能够进一步提高燃烧效率和对外做功性能，但过高的O₂含量会引起缸内燃烧过快，出现爆振现象.柴油机无氮燃烧进气中O₂的最佳浓度尚需通过试验确定.

2) 在无氮进气工况基础上，加入10%的N₂，能够有效提高缸内燃油的燃烧效率，降低碳化物排放，但少量N₂的加入，导致其NO_x排放成倍增长，远远超过正常进气工况.因此，通过加入少量N₂来完善柴油燃烧和排放性能是不可行的.从进气成分角度，尚需通过提高O₂含量完善柴油机性能.

3) 喷油时刻提前有利于燃烧，但幅度有限.进气温度的提高，不一定适用于柴油机性能的需要.因此，需根据柴油机最佳进气成分的无氮燃烧工况，结合喷油定时及进气温度综合优化其性能.