不同進氣組分對柴油機燃燒過程影響的研究*

陳貴升,朱文霞,沈穎剛，楊 輝，李偉東

(昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室,昆明 650500)

2016024

不同進氣組分對柴油機燃燒過程影響的研究*

陳貴升,朱文霞,沈穎剛，楊 輝，李偉東

(昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室,昆明 650500)

以正庚烷/甲苯/正己烯混合物簡化機理作為柴油燃料燃燒化學反應動力學機理，應用計算流體動力學軟件耦合化學動力學機理建立了某高壓共軌柴油機的三維CFD數值模型。采用該耦合模型，以海拔3 000m大氣環境(O2和N2的體積分數分別為16.2%和83.8%)為基點，模擬對比了不同體積摻混比(1.6%，4.8%和8%)的進氣組分(O2，H2，CO2和氣態H2O)對發動機工作過程的影響。結果表明：進氣摻O2后，燃燒始點提前，預混燃燒比例減少，放熱速率峰值降低，缸內活性基(OH，O)濃度升高，NO明顯增大而碳煙(Soot)顯著降低；進氣摻H2后，放熱速率顯著加快，缸內壓力和峰值溫度增高，NO稍有升高而Soot略為降低；進氣摻CO2后，著火時刻最晚，缸內溫度和壓力最低，A4與C2H2的消耗反應持續期最長，其NO生成最少而Soot排放最高；進氣摻氣態H2O后，NO稍有降低，而Soot變化不大。

柴油機；進氣組分；化學反應動力學；燃燒過程；排放特性

前言

柴油機因具有熱效率高、動力性強等優點而得到廣泛應用。但相比汽油機，柴油機碳煙(Soot)排放較高，且NOx與Soot之間存在此消彼長的關系[1]。隨著排放法規日益嚴格，如何同時降低NOx與Soot排放和提高燃油經濟性已成為柴油機實現清潔高效燃燒所面臨的巨大挑戰。研究表明，進氣組分及其組成比例極大地影響著柴油機燃燒過程和排放物的生成歷程與生成機理[2-4]。傳統柴油機的進氣充量是新鮮空氣，主要由N2和O2兩種組分構成。不同組分進氣燃燒的控制技術是為探索發動機高效低排放燃燒、動力強化和提升高原環境適應性而提出的一項主動控制技術[2]。通過優化進氣組分來控制燃燒過程，是實現柴油機高效清潔燃燒的一項有效技術措施。研究表明，作為氣體燃料，H2具有燃燒速度快、擴散系數高、著火范圍寬和燃燒清潔等特點[2]。柴油機進氣摻O2實現富氧燃燒后，因提高了燃料與O2的混合質量，燃燒充分而使熱效率提升，HC，CO和Soot排放得以改善，但會導致NOx大幅升高[3]。CO2和氣態H2O是廢氣再循環(EGR)中的兩種主要成分，它主要通過降低燃燒溫度與缸內氧濃度而影響柴油機的燃燒過程與排放物生成歷程[4]。

目前，同時獨立針對上述不同進氣組分對柴油機工作過程影響機理的對比研究還有待深入。本文中以現代高壓共軌柴油機為研究機型，通過計算流體動力學軟件AVL FIRE耦合柴油替代混合物化學反應動力學簡化機理，構建其三維CFD耦合模型，研究不同進氣組分(O2，H2，CO2和氣態H2O)對柴油機工作過程的影響規律與作用機理，以期為現代先進柴油機高效清潔燃燒的進氣組分優化提供理論與工程指導。

1 三維CFD耦合模型的構建與驗證

1.1 化學反應機理的選擇

本文中以三維CFD計算軟件AVL FIRE與簡化化學動力學模型進行耦合模擬計算。耦合動力學機理為文獻[5]中構建的三組分柴油燃料替代混合物(正庚烷/甲苯/正己烯)簡化化學動力學模型，它包含67種物質和135個基元反應。該簡化機理是在對文獻[6]中提出的正庚烷/甲苯燃燒模型進行敏感性分析并加以簡化的基礎上，加入了正己烯反應機理、NOx與Soot前驅物PAHs的重要生成反應。其中，PAHs簡化機理是基于文獻[7]中提出的PAHs詳細化學反應機理中提取涉及到4個苯環的PAHs(苯-A1、萘-A2、菲-A3、芘-A4)生成的重要反應，并對A3和A4的反應機理進行了修正；NOx反應機理是基于擴展的Zeldovich機理[8]，并增加了N2O中間產物的反應機理和NO與NO2之間的轉換反應[6]；采用文獻[9]中提出的以A4作為生成前驅物的Soot生成機理。文獻[10]中對此模型進行了激波管、定容燃燒彈和實際共軌柴油機試驗臺架的試驗數據驗證，顯示了該機理能較準確地模擬低EGR率和高EGR率下(低溫燃燒模式)共軌柴油機的燃燒放熱過程和NOx與Soot的排放趨勢，同時發現A4和Soot在不同EGR率下不同燃燒時刻的生成與氧化歷程和缸內濃度空間分布特性基本一致，表明此動力學模型中A4生成機理能較準確地預測Soot的生成趨勢。上述簡化動力學模型為本文運用耦合機理研究不同進氣組分對柴油機工作過程的影響提供了理論基礎與可行途徑。

1.2 三維CFD耦合數值模型的構建

以D19型高壓共軌柴油機為試驗機型，其主要結構參數如表1所示。

根據D19柴油機結構參數與燃燒室幾何尺寸，利用CAD繪制燃燒室的輪廓線，并將其導入AVL FIRE的ESE Diesel前處理模塊，設置燃燒室參數，繪制二維網格，同時生成燃燒室的三維六面體動態網格。由于試驗柴油機使用6孔(噴孔直徑為0.129mm)對稱噴油器，為了節省計算時間，生成的計算網格為1/6模型，見圖1。平均網格大小為0.8mm，所建模型在上止點時的網格數為15 325個，在下止點時網格數為30 400個。以三維CFD數值模型與簡化化學動力學機理進行耦合模擬計算，主要計算物理模型設置見表2。

計算模型模型類型湍流模型κ?ε雙方程燃油碰壁模型Walljet1燃油蒸發模型Multi?component燃油破碎模型Wave

1.3 耦合模型驗證

研究工況轉速為2 200r/min(最大轉矩轉速)，循環噴油量為30mg，單個噴孔循環噴油量為5.0mg(根據實測小時油耗和轉速算得)。計算區域設置為進氣門關閉與排氣門開啟區域。在CFD耦合模型計算的初始條件設置中，根據試驗測得的缸內壓力和增壓器壓氣機后溫度等參數，確定進氣門關閉時刻的初始缸內壓力與壓縮溫度。其中進氣溫度等關鍵參數是根據發動機結構參數與試驗實測數據，通過Boost構建其一維熱力學仿真整機模型算得，見圖2(a)。

對模型驗證時，發動機不同噴油時刻的煙度用AVL 415S煙度計測量，測量煙度值的單位是FSN(filter smoke number)。Soot質量按照AVL 415S煙度計說明書通過煙度實測值換算得到，具體計算公式[11]為

0.001×(mair+mfuel)/1.2929

式中：S為實測煙度值，FSN；mair為進氣流量，kg/h；mfuel為柴油機的小時油耗量，kg/h；e≈2.7183。

不同進氣組分及其摻混體積比通過FIRE初始邊界條件模塊設置，其余參數值參考FIRE說明書推薦的經驗值。將計算得到的缸壓力曲線和Soot質量分數分別與試驗測量值進行對比，見圖2(b)和圖2(c)。對比驗證表明，缸壓計算結果與試驗值的重合度較好，同時不同噴油時刻Soot計算值與試驗值的變化趨勢基本一致且保持在同一數量級。由此可見，本文中所構建的三維CFD耦合模型、初始條件和邊界條件的設置均較為合理，能夠滿足對真實發動機的仿真計算要求。

基于上述所構建的耦合動力學CFD模型，以海拔3 000m大氣環境(體積濃度為16.2%O2+83.8%N2)為研究基點，保持O2體積濃度不變，而分別由進氣組分O2，H2，CO2或氣態H2O以一定的摻混比替代空氣中的N2，以此模擬研究不同進氣體積摻混比(1.6%，4.8%和8%)的氣態進氣組分對發動機工作過程的影響規律，揭示其對柴油機燃燒過程、重要活性基(OH，O)、碳煙前驅物(乙炔-C2H2，A4)和排放終產物(NO，Soot)形成的作用機理。

2 計算結果與分析

2.1 不同進氣組分及其摻混比對柴油機燃燒過程的影響

圖3為不同體積進氣摻混比下(1.6%，4.8%和8%)不同進氣組分瞬時放熱率對比。

由圖3可知，體積摻混比例越大，不同進氣成分之間的瞬時放熱率差別也越大。在相同摻混比時，進氣摻O2相對于其他進氣組分燃燒始點提前，瞬時放熱速率峰值降低。如摻混比例為4.8%時，其放熱率曲線已表現出預混燃燒與擴散燃燒之分，隨摻混比例進一步增大至8%時，燃燒過程以擴散燃燒為主，放熱速率明顯降低。這是因為富氧燃燒促進了燃料與氧氣的混合，著火性能增強，滯燃期縮短，預混燃燒比例減小；隨著摻混比的增加，進氣摻CO2和H2O后，因缸內工質的比熱容增加，著火前缸內溫度降低，著火相位推遲，滯燃期擴展(CO2對滯燃期擴展作用更明顯)，預混燃燒比例增加，放熱速率峰值高于進氣摻O2；H2的著火自燃溫度較高[12]，并且在低溫反應階段通過消耗OH自由基來控制著火[13]，因此進氣摻H2時著火時刻相對于O2和H2O延遲，滯燃期延長增加了著火前可燃混合氣，同時H2具有燃燒放熱速率與火焰傳播速度較快的燃燒特性[14]，從而導致其放熱率峰值相對其他進氣組分顯著升高，燃燒持續期縮短，放熱較為集中。

圖4為不同體積摻混比下不同進氣組分缸內峰值壓力與峰值溫度對比。圖5為摻混比為8%時，不同進氣組分缸內瞬時爆發壓力、壓力升高率和缸內燃燒溫度隨曲軸轉角變化規律的對比。

由圖4和圖5可知，進氣摻O2或H2后的缸內壓力和燃燒溫度都增大，并且隨摻混比例增大而升高，其中進氣摻H2尤為顯著且會導致壓力升高率顯著升高(壓力峰值在摻混比為8%時接近16MPa，壓力升高率高達1.6MPa/°CA)；進氣摻CO2或H2O后，缸內壓力和燃燒溫度反而降低，并隨摻混比例增大而近乎線性下降，其中進氣摻CO2更為顯著。分析認為：進氣摻O2后，燃燒始點提前使放熱更靠近上止點且燃燒充分；而H2作為氣體燃料，具有火焰傳播速度快、擴散系數高和著火范圍寬(擴大著火區域)的燃燒特性[2]，極大提高了燃燒速率與燃燒質量，其壓力升高率明顯增大。因此，考慮到限制壓力升高率和爆發壓力，摻H2比例不宜過高；而CO2和H2O的比熱容相對較高[15-16]，加入后會增加熱量吸收，阻礙著火與火焰傳播，推遲燃燒相位，降低缸內壓力與溫度。其中，CO2因體積比熱容高于氣態H2O，其對燃燒過程的影響更為顯著。

2.2 不同進氣組分及摻混比對柴油機排放特性的影響

圖6為不同體積摻混比下(1.6%，4.8%和8%)不同進氣組分的NO和Soot排放對比。

柴油機排放物中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO占絕大部分[17]，因此可通過研究NO生成量的變化來表征NOx的變化規律。由圖6(a)可知，NO隨進氣O2摻混比的增大而顯著升高。這是因為O2濃度增大，燃燒更加充分，燃燒溫度提高，缸內高溫富氧區域增多；進氣摻H2后的缸內溫度雖然明顯高于摻O2，但其NO排放隨摻混比增加而明顯低于摻O2。由此可見，缸內氧濃度對NO生成的影響比燃燒溫度的影響更顯著；進氣摻CO2或H2O因降低缸內燃燒溫度而使NO降低，其中CO2的作用更為明顯。

由圖6(b)可知，Soot排放隨進氣O2摻混比的增大而顯著降低，當摻混比超過4.8%后接近零排放。這是因為O2濃度增大使燃燒更加充分，燃燒溫度提高，缸內高溫過濃局部區域減少和燃燒后期氧化強度增大所致；進氣摻H2會使Soot排放隨摻混比增加而降低，但其降低的幅度遠低于摻O2。這主要因為H2摻混比增加顯著提高了燃燒溫度(高溫利于Soot氧化)，同時快速燃燒使缸內的氣流運動加劇，強烈的氣流運動有助于液體燃油噴霧油束的擴散與破碎，促進均質混合氣形成[14]，從而減少局部缺氧區域并加速已生成碳煙的氧化；進氣摻CO2會使Soot排放升高，并隨摻混比增加而幾乎線性升高，而H2O的摻混比對Soot影響較小，具體作用機理見2.3節分析。

2.3 不同進氣組分對燃燒產物生成歷程的影響

由2.2節可知，當進氣體積摻混比為8%時，不同組分的燃燒過程與排放特性差別最為明顯。因此，本節選取8%摻混比為研究比例，從微觀角度研究不同進氣組分對燃燒產物生成歷程的影響機理。

圖7和表3為摻混比為8%時，不同進氣組分對缸內活性自由基(OH和O)生成與消耗歷程和空間濃度分布(生成量峰值點對應時刻)影響的對比。表4為不同進氣組分溫度場的對比。

研究表明，OH和O自由基是缸內燃燒反應過程中氧化性較強的活性基，對整個燃燒化學反應動力學過程有重要作用，其中OH對Soot的氧化起主要作用[18]。由圖7、表3和表4可知，相對于其他進氣組分，進氣摻O2時的OH和O活性基生成速率和生成量峰值因氧濃度增大而顯著升高，二者生成區域都主要分布于活塞凹坑底部與擠流區等高溫區域。相對CO2和H2O，進氣摻H2會使OH和O自由基生成速率和生成量峰值升高(尤其OH增長明顯)，二者主要分布于燃燒室的整個高溫區域(OH在噴霧油束擴散區域的濃度較高)。這主要因為進氣摻H2使缸內燃燒溫度顯著升高且高溫區域擴大(H2燃燒速度快、擴散系數高、著火范圍寬)，從而增加OH和O活性基生成的燃燒化學反應區域與促進化學反應過程的進行。進氣摻CO2或H2O因明顯降低缸內燃燒溫度，生成OH和O活性基的化學反應過程變弱，從而導致二者生成始點時刻推遲且生成速率明顯低于進氣摻O2與H2。但相對CO2，進氣摻H2O因缸內燃燒溫度相對較高，且H2O在高溫燃燒氛圍下會分解產生OH[19]，從而使其OH生成速率和峰值相對升高。

表3 不同進氣組分對缸內自由基 (OH，O)濃度分布的影響

表4 不同進氣組分對溫度場的影響

圖8和表5為不同進氣組分對缸內NO生成歷程與空間濃度分布影響規律的對比。

NO質量濃度溫度峰值點時刻CO2H2O2H2O17°CAATDC17°CAATDC15°CAATDC17°CAATDC平穩值時刻40°CAATDC40°CAATDC40°CAATDC40°CAATDC

根據Zeldovich機理[8]，NOx的生成主要在T>2200K和Φ(當量比)<2的高溫區域，其中NO(NOx中主要成分)生成主要包括3個基本化學反應。

N2+O?NO+N

(1)

N+O2?NO+O

(2)

N+OH?NO+H

(3)

由圖7、圖8和表3～表5可知，相對于其他進氣組分，進氣摻O2因顯著增加了缸內氧濃度、O和OH活性基而使NO生成速率加快，其排放值快速升高，燃燒開始后主要分布于O與OH濃度較高的活塞凹坑底部高溫區域，但隨著燃燒過程的發展，其分布區域擴散至整個燃燒室區域。相對CO2和H2O，進氣摻H2因顯著提高燃燒溫度且O與OH濃度相對較高，導致其NO生成速率和排放終值隨著摻混比的增加而快速升高。此外，隨著燃燒歷程的發展，進氣摻H2時的NO呈現先升高后稍有降低，隨后達到穩定值。其主要因為NO生成的基本化學反應(見式(1)、式(2)和式(3))均屬于可逆化學反應[8]，進氣摻H2時的缸內燃燒溫度顯著升高，燃燒前期缸內燃空當量比小，高溫富氧區域增多導致NO大量生成。但隨著燃燒歷程的發展，缸內氧濃度伴隨O2消耗反應急劇下降，在高溫燃燒氛圍下上述NO生成的基本化學反應過程可能向逆反應方向發展，從而導致NO呈現小幅度降低。進氣摻CO2或H2O因明顯降低燃燒溫度，NO生成區域大幅減少，其排放終值顯著下降。

圖9為不同進氣組分的碳煙前驅物乙炔(C2H2)和芘(A4)生成與消耗歷程對比。

研究表明，碳煙成核過程是決定初期碳煙顆粒形成與顆粒數密度的重要影響因素[18]。乙炔(C2H2)是促進芳香烴(PAHs)生成與碳煙表面輔助生長的主要物質[18]。芘(A4)作為碳煙前驅物對碳煙生成歷程影響較大，其生成量增加會促進碳煙成核過程[5]。因此，詳細研究二者生成歷程及其影響因素對深入認識Soot的生成機理有重要意義。由圖7和圖9可知，相對其他進氣組分，進氣摻O2因顯著增加了缸內氧濃度、O和OH活性基，燃燒更為充分而使C2H2和A4生成量峰值減少。進氣摻CO2和H2O，由于缸內O與OH活性基減少，C2H2和A4生成速率較大，排放峰值較高，同時后期消耗速率降低，二者消耗反應持續期延長，CO2更顯著。相比其他組分，進氣摻H2因反應放熱速率加快，燃燒持續期縮短，缸內燃燒溫度上升速率和峰值溫度較高，導致C2H2和A4生成速率升高。但隨著燃燒歷程發展，進氣摻H2在缸內較高燃燒溫度和較高活性基(O、OH)濃度燃燒氛圍的綜合影響下(如圖7和表4所示)，其C2H2和A4后期消耗速率相對其他進氣組分加快，消耗反應持續期明顯縮短。

圖10和表6為不同進氣組分Soot生成歷程與缸內濃度分布規律對比。

由圖9、圖10和表6可知，相比其他進氣組分，進氣摻O2由于氧濃度增加，O和OH濃度增加，缸內高溫過濃區域減少，C2H2和A4的生成量降低，其Soot生成區域減少(峰值時刻主要分布于噴霧油束擴散區域、活塞凹坑底部沿碰壁處和擠流區域)，生成量峰值降低且后期氧化反應明顯增強，從而導致其Soot排放終值幾乎接近零排放。進氣摻CO2時，其Soot生成量峰值和排放終值相比其他進氣組分明顯升高。從圖9中碳煙前驅物C2H2和A4的生成歷程可知，摻CO2時雖然C2H2和A4生成峰值并非最高，但由于二者(尤其A4)的消耗反應持續期相對其他進氣組分延長，導致在高溫燃燒氛圍中滯留時間長，利于促進Soot的生成；另外，從表4可知，進氣摻CO2后缸內多數區域燃燒溫度低于2 000K，在該低溫環境中CO2的化學效應受到抑制，即CO2+C→2CO化學反應受限[4]，其也利于增加Soot生成。同時，進氣摻CO2時的缸內OH自由基濃度和燃燒溫度最低，Soot后期氧化變弱，從而使其排放終值最高。相比于H2O，進氣摻H2時的缸內Soot生成量峰值及排放終值降低。這是因為進氣摻H2時燃燒速率快，缸內高溫區域擴大，O和OH濃度升高，C2H2和A4消耗反應持續期縮短，同時Soot后期氧化增強。

表6 不同進氣組分對溫度場的影響

圖11為不同進氣組分的C2H2，A4和Soot的峰值出現時刻對比。由圖11可知，對于每種進氣組分，C2H2，A4和Soot的生成量峰值出現時刻依次推遲。對于進氣摻CO2，A4峰值出現時刻與Soot峰值出現時刻之間的間隔明顯大于其他進氣組分，其次是進氣摻H2O。分析認為其原因是進氣摻CO2時缸內壓力和燃燒溫度最低，前驅物A4向Soot轉化的成核過程和C2H2輔助的Soot表面生長過程減緩。

3 結論

(1) 相比其他進氣組分，進氣摻O2時發動機燃燒始點提前，滯燃期縮短，放熱率峰值降低，缸內活性基(OH和O)濃度增大，NO生成量增多，同時C2H2和A4生成量峰值、Soot生成量峰值和排放終值顯著降低；

(2) 相比其他進氣組分，進氣摻H2時發動機燃燒放熱速率加快，燃燒持續期縮短，缸內爆發壓力、壓力升高率和燃燒溫度明顯升高。同時，相對于CO2和H2O，進氣摻H2時缸內OH和O活性基濃度升高，NO生成量增多，A4消耗反應速率升高，Soot排放降低；

(3) 相比O2和H2，進氣摻CO2或H2O時發動機缸內壓力和燃燒溫度明顯下降，OH和O活性基濃度降低，NO生成顯著減少，其中CO2影響更顯著。同時，進氣摻CO2時A4消耗反應持續期相比其他進氣摻混組分明顯延長，Soot排放最高，而H2O的摻混比對Soot的影響較小。

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A Study on the Effects of Different Intake Gas Constituentson the Combustion Process of Diesel Engine

Chen Guisheng, Zhu Wenxia, Shen Yinggang, Yang Hui & Li Weidong

KunmingUniversityofScienceandTechnology,YunnanKeyLaboratoryofInternalCombustionEngine,Kunming650500

With the simplified mechanism of n-heptane/ toluene/n-hexene compound as the chemical reaction kinetics mechanism of diesel fuel combustion, a 3D CFD numerical model for a high-pressure common-rail diesel engine is built by applying CFD software coupled with chemical kinetics mechanism. Using the coupled model built, with the atmospheric environment (16.2% O2+83.8% N2in volume fraction) at 3000 meters above sea level as reference，the effects of different volumetric blending proportions (1.6%, 4.8% and 8%) of various intake gas constituents (O2, H2, CO2and gaseous H2O) on the combustion process of engine are comparatively simulated. The results show that with O2blended, the starting point of combustion advances, the proportion of premixed combustion and the peak heat-release-rate reduce, the concentration of active radicals (OH, O) in cylinder rise and NO emission significantly increases while soot emission decreases dramatically; With H2added, the heat release rate sharply increases, in-cylinder pressure and peak temperature rise, and NO emission slightly increases while soot emission deceases a bit; The blending of CO2leads to the latest ignition timing, the lowest in-cylinder pressure and peak temperature, the longest consumption reaction duration of A4and C2H2, the least NO generation and the highest soot emission; And when gaseous H2O is added, NO emission slightly reduces and soot emission has little change.

diesel engine; intake gas constituents; chemical reaction kinetics; combustion process; emission characteristics

*國家自然科學基金(51366007)、云南省應用基礎研究面上項目(2013FB019)和云南省級人才培訓項目(KKSY201302127)資助。

原稿收到日期為2014年9月17日，修改稿收到日期為2014年11月17日。