乙醇均質壓縮燃燒的數值模擬研究

肖 雪

江蘇大學汽車與交通工程學院

乙醇均質壓縮燃燒的數值模擬研究

肖 雪

江蘇大學汽車與交通工程學院

1.引言

HCCI燃燒方式是新型的機內凈化技術，可以同時降低顆粒物和NOx 排放。HCCI 發動機綜合了汽油機和柴油機的特點，形成均質混合氣并壓縮著火。其燃燒方式是多點同時著火，燃料的著火和燃燒只受燃料氧化反應的化學反應動力學控制[1]， 并且可以保持較高的燃料經濟性。

乙醇作為可再生含氧燃料，具有辛烷值高、抗爆性好等特點。研究表明乙醇是實現HCCI燃燒的理想燃料之一[2]。據此，本文就乙醇燃料的均質壓縮燃燒進行數值模擬研究，著重探究燃燒邊界條件對乙醇HCCI燃燒排放的影響。

2.計算模型

目前，HCCI 燃燒由化學反應動力學主導的觀點已普遍被人們接受[3]。本文研究采用氣相化學和等離子體動力學的軟件CHEMKIN，它可以解決帶有化學反應的流動問題，是燃燒領域中普遍使用的一個模擬計算工具[4]。本研究中使用的燃料是乙醇，乙醇燃燒的化學動力學機理和熱力學數據采用了美國 Lawrence Livermore 國家實驗室公布的數據[5]。

3.計算結果及分析

模擬計算采用的發動機： 型號4100QB- 1A、缸徑為105 mm、 行程為120 mm、 壓縮比為11.8、連桿長度為205 mm。計算考慮了完整的壓縮和膨脹行程， 并以壓縮沖程的上止點( TDC) 作為曲軸轉角的零點， 并且考慮了進氣遲閉的影響。在計算開始前， 假定氣缸內已經形成了乙醇和空氣的均勻混合氣，且氣缸內壓力、溫度、各組分濃度處處相等。研究中所采用的燃燒邊界條件有：初始進氣溫度、過量空氣系數和 EGR率。在計算中，初始進氣壓力保持為 0.098MPa，主要轉速為 1200r/ min，并考慮了傳熱的影響。

用已得到驗證的0-D單區HCCI計算模型對乙醇均質壓燃發動機進行模擬研究，主要分析進氣溫度、過量空氣系數以及EGR率等邊界條件對乙醇HCCI燃燒排放的影響。

3.1 進氣溫度對排放的影響

（見圖3-1）乙醇 HCCI 發動機著火燃燒后，隨著進氣溫的增加，缸內溫度、壓力升高，乙醇燃燒更加完全。隨著進氣溫的增加，CO排放降低：465K時剛剛著火CO排放高，當進氣溫度增加到 483K后，CO氧化較為完全，CO排放基本保持低水平不變。缸內NOX排放趨勢與CO排放趨勢正好相反。隨著進氣溫度的增加，缸內最高燃燒壓力不斷增高，有利于富氧條件下NOX的生成。

3.2 過量空氣系數對排放的影響

圖 3-2 所示為 n＝1200r/min、進氣溫度 T=493K 時，過量空氣系數λ對排放的影響。隨λ的增加，乙醇 HCCI 燃燒反應反應速率降低、壓力和缸內溫度下降，NOX生成總量降低；CO 則是先降后升，在λ=5 時達到最低值，這是因為隨λ的增加，燃燒逐漸改善所以 CO排放降低，但λ過大時，出現不完全燃燒排放惡化。

3.3 EGR率對排放的影響

圖3-1 進氣溫度對排放的影響

圖3-2 過量空氣系數對排放的影響

圖3-3 EGR率對排放的影響

EGR 對 HCCI 著火和燃燒的影響是多方面的，依據其作用可分為四類：充量加熱作用、充量稀釋作用、比熱作用、化學作用。充量加熱作用是指熱EGR氣體與冷的燃料/空氣進氣混合氣混合時，由于EGR的加熱作用充量溫度將上升。

圖3-3為 EGR 率對排放和指示平均有效壓力的影響。隨 EGR的增加，燃燒壓力、溫度下降，當 EGR 增大到一定量時，出現失火燃燒惡化， CO 排放隨 EGR 的增大而增加。

而 NOX排放趨勢與之相反。

4.結論

應用0-D單區HCCI燃燒模型耦合乙醇燃燒化學動力學機理對乙醇均質壓燃發動機進行了模擬研究。考查了燃燒邊界條件對乙醇燃料 HCCI 燃燒排放的影響，從研究中得到以下結論：

(1) 在定轉速相同過量空氣系數的條件下，隨著進氣溫度的增加，缸內燃燒壓力溫度升高，CO 排放降低，NOx 排放增加；

(2) 在定轉速相同進氣溫度的條件下，隨λ的增加，缸內燃燒壓力溫度降低，在大λ的工況下出現發生部分燃燒，CO 排放增加，NOx 排放降低；

(3) EGR 率對排放的影響：在λ＜3.2的工況下，加入 EGR 可以抑制爆震實現 HCCI 燃燒，但隨著 EGR 率的增大，缸內燃燒壓力溫度降低，CO 排放增加，NOx 排放降低。

[1] 蘇萬華，趙華，王建昕等著.均質壓燃低溫燃燒發動機理論與技術[M].北京：科學出版社，2010.

[2] Poulopoulos S G， Samaras D P， Philippopoulos J.Regulated and unregulated emissions from an internal combustion engine operating on ethanolcontaining fuels[J].Atmospheric Environment， 2001，35(4)：4399-4406.

[3] 俎琳琳，侯玉春，呂興才，等.正庚烷 HCCI 燃燒過程的數值模擬及試驗研究[J].內燃機工程，2006，27(6)：15-20.

[4] Curran H J， Gaffuri P， Pitz W J， et al.A Comprehensive modeling study of N-heptane oxidation[J].Combustion and Flame， 1998， 114(1/2)：149-177.

[5] NICK M.MARINOV.ADetailed Chemical Kinetic Model for High Temperature Ethanol Oxidation.Lawrence Livermore National Laboratory，P.O.Box 808， Livermore， CA 94550.