基于CHEMKIN的E10乙醇汽油的燃燒模擬研究

張忠強，強添綱

(東北林業大學交通學院，黑龍江哈爾濱150040)

隨著汽車保有量的持續增長，石油等能源的短缺以及持續惡化的環境問題越來越受到各國重視［1］。同時各國相繼實行嚴格的排放法規，這給汽車代用燃料的發展創造了良好的條件，乙醇汽油就得到國家的支持并迅速發展。目前在黑龍江等地均已推廣使用乙醇汽油。

汽油等燃料的實際燃燒過程是由許多同時進行的復雜的物理化學過程所組成，對其每個過程完全定量的研究都非常復雜的，所以燃燒過程的數學模擬計算也是相當困難的。乙醇與汽油的烴類組分有著不同的物理化學特點，將乙醇混入汽油將如何影響汽油復雜的化學反應也成為一個難點問題［2］。

本文借助研究汽油燃燒普遍使用的異辛烷(C8H18)代替汽油的燃燒機理，然后將異辛烷與乙醇的反應機理混合形成研究乙醇汽油燃燒所需的機理文件［3］，借助CHEMKIN軟件，模擬乙醇汽油的燃燒過程。最后分析了進氣溫度、進氣壓力和壓縮比對汽油機燃燒乙醇汽油的影響規律。

1 模型建立

1.1 燃燒模型的基本控制方程［4］

質量守恒方程如公式 (1):

式中:j為反應數;ρ為質量密度，kg/m3;v為反應容積，m3;m··為入口質量流速率，m/s;m為出口質量流速率，m/s;Ninlet(j)為每個反應j入口數;Npar為反應模型的總數;Rrj為反應r的流出部分;Am為第m個物質的表面積，m2;Kg為第m個物質的氣體種類;S·k，m為每單位表面積上第m個物質第k個元素的摩爾表面發生速率。

1.2 發動機幾何模型與傳熱模型

(1)幾何模型。

計算模型中所用的發動機幾何模型源于Heywood所提供的方程——基于發動機各參數把容積變化作為時間的函數。模型簡述如公式 (2):式中:R為表示連桿比;θ為曲軸轉角，(°CA);Ω為角速度，rad/s;Vc為容積，L。

(2)傳熱模型。

采用Woschni傳熱模型。傳熱模型定義如公式(3):

式中:Twall為缸壁溫度，K;w為缸內工質的平均速率，m/s;Sp為活塞的平均速率，m/s［5－6］。

1.3 發動機參數

所用發動機模型的基本參數見表1。

表1 發動機模型參數Tab.1 Parameters of engine model

2 模擬結果及分析

2.1 進氣溫度對燃燒的影響分析

首先改變進氣溫度，溫度的變化取值分別為447K、459.5K、472K、484.5K和497K，所得的結果如圖1所示。

從以上的模擬結果可知，隨著進氣溫度的上升，缸內壓力隨著時間變化的規律如圖1(a)所示。在起初階段，各進氣溫度下氣缸壓力升高趨勢基本相同，曲線突變點 (即燃燒發生的起始時間)的發生時刻隨著進氣溫度的提升而提前。在低溫燃燒時，滯燃期較長并且所能達到的最大壓力較低;從圖1(b)中缸內溫度的變化上來看，隨著進氣溫度的上升，滯燃期縮短，在燃料完全燃燒之前，各時刻溫度變化趨勢一致，可見進氣溫度決定了缸內溫度。但由于低溫時滯燃期較長，所以在上止點之后，較低的進氣溫度在各個曲軸轉角位置所對應的溫度值略高;從圖1(c)中熱損失速率上來看，進氣溫度較高時熱損失發生的時刻較早，這與氣缸內氣體燃燒發生時刻的規律吻合。隨著進氣溫度的提高，熱損失速率加快，這是由于燃燒生熱與外界溫差較大所造成的;從圖1(d)中凈生熱值的變化規律可以看出，隨著進氣溫度的提升，燃燒放熱發生時刻提前，但所能達到的最大溫度值并無明顯規律，在溫度為459.5K時放熱值較大，此溫度應理解為燃料在其他條件不變的情況下，該溫度值為經濟性較好的燃燒溫度。

圖1 不同進氣溫度時缸內壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.1 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet temperature is different

2.2 進氣壓力對燃燒的影響分析

改變進氣壓力，壓力的變化取值分別為1.065 atm、1.19 atm、1.315 atm、1.44 atm 和1.565 atm， (其中，1 atm=1.013 25×105Pa=0.101 325 MPa)所得的結果如圖2所示。

對模擬結果進行分析可以得出如下結論:從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，缸內壓力和溫度所能達到的峰值，隨著進氣壓力的升高而增大。且缸內壓力和溫度峰值出現的時刻也相應提前;從圖2(c)中可以看出，系統的熱損失速率在大于1.19 atm的高壓范圍內，隨著進氣壓力的升高而加快，且發生時刻提前。但是在低壓時，出現了相反情況?？梢姰斶M氣壓力不足時，燃料的燃燒將會惡化;從圖2(d)中可以看出，燃料燃燒的凈生熱的發生時刻隨著壓力的升高而提前，在數值上的分布上并無明顯規律，但是在進氣壓力為1.065 atm(模型自定義的進氣壓力)出現一個較大的氣缸壓力值。可見在其他條件不變的情況下，發動機燃燒存在一個理想的進氣壓力范圍使得燃燒狀況達到最優。

2.3 壓縮比對燃燒的影響分析

最后改變發動機的壓縮比，壓縮比的變化取值分別為11.5、12.75、14、15.25和16.5，所得的結果如圖3所示。

圖2 不同進氣壓力時缸內壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.2 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet pressure is different

以上的模擬結果可以得出如下結論:隨著壓縮比的增大，各項指標 (氣缸壓力、溫度、凈生熱值和熱損失速率)也相應增大，但是當壓縮比超過一定范圍 (本仿真結果為16.5)，氣缸壓力和溫度等都出現明顯的突變，可見其燃燒狀況已經極不穩定，出現爆震等燃燒惡化的結果，這樣的情況下極有可能出現發動機的硬件損傷，所以在實際工作中要結合乙醇汽油燃燒特點確定合理的發動機結構，既滿足動力性需求，又合理降低發動機的制造成本。

3 結論

基于化學反應動力學軟件CHEMKIN，對將異辛烷和乙醇混合的機理文件進行乙醇汽油的燃燒過程模擬［6］，從模擬結果可以得出以下結論:

(1)隨著進氣溫度的上升，缸內壓力和溫度變化不大，但是凈生熱值在進氣溫度約459.5 K左右時較大，燃料在該溫度下燃燒的經濟性較好。

(2)隨著進氣壓力的增大，乙醇汽油燃燒時氣缸壓力和溫度峰值均會增大，且滯燃期縮短;進氣壓力不足將嚴重影響乙醇汽油的燃燒。

圖3 不同壓縮比時缸內壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.3 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and Etc.when the inlet Compression ratio is different

(3)在一定范圍內增加壓縮比，所模擬的各項指標 (進氣溫度、進氣壓力、熱損失速率和凈生熱值)都相應增加。但壓縮比達到16.5左右時，會出現燃燒狀況不穩定等情況。所以在實際問題中要結合乙醇汽油特點，確定發動機合理的壓縮比以獲得良好的動力性。

［1］陳志方，常耀紅.基于 Chemkin的甲烷HCCI燃燒模擬研究［J］.北京汽車，2010(5):10 －13.

［2］姚春玲.汽油機進氣混合O2/CO2的燃燒機理與性能研究［D］.哈爾濱:東北林業大學，2011.

［3］張 霞.甲醇汽油排放建模與預測［D］.北京:清華大學，2009.

［4］呂 昊.CHEMKIN軟件在均質壓燃及燃料改質數值模擬中的應用［D］.西安:長安大學，2010.

［5］崔淑華，胡亞楠.發動機燃用乙醇汽 油的燃燒數值模擬分析［J］.森林工程，2007，23(2):28 －30.

［6］孫 杰.汽油機燃用乙醇汽油混合燃料的仿真研究［D］.杭州:浙江大學，2010.