含水乙醇汽油直噴發(fā)動機(jī)燃燒與碳煙排放特性

石秀勇，段毅菲，康 楊，廖延蘇，倪計民

含水乙醇汽油直噴發(fā)動機(jī)燃燒與碳煙排放特性

石秀勇，段毅菲，康 楊，廖延蘇，倪計民

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

為了深入分析含水乙醇對汽油直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動機(jī)性能的影響，利用CONVERGE軟件，結(jié)合耦合含水乙醇汽油燃燒機(jī)理和碳煙模型，進(jìn)行了三維模擬，從微觀角度研究了GDI發(fā)動機(jī)結(jié)合廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術(shù)燃用含水乙醇汽油時的燃燒及碳煙生成與排放特性。結(jié)果表明：含水乙醇摻混比的增大有助于加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋M(jìn)一步縮短燃燒持續(xù)期。碳煙前驅(qū)物（PAHs）控制碳煙的成核和生長，含水乙醇汽油的含氧特性及高活性的OH可以抑制碳煙生成，與E0（含水乙醇體積分?jǐn)?shù)為0）相比，E20W（含水乙醇體積分?jǐn)?shù)為20%）的碳煙前驅(qū)物苯、萘、菲、芘的質(zhì)量峰值分別降低了60.0%、54.5%、73.3%、52.4%，碳煙質(zhì)量峰值降低了63.6%，碳煙數(shù)量密度峰值下降了40.0%。EGR的引入使燃燒效率降低，PAHs和碳煙生成質(zhì)量升高，碳煙數(shù)量密度降低，含水乙醇的添加能改善EGR環(huán)境中的燃燒效率，降低未燃HC和碳煙生成量。相比純汽油，含水乙醇汽油結(jié)合EGR技術(shù)，弱化了EGR對燃燒和碳煙排放的負(fù)面影響。因此，EGR結(jié)合含水乙醇汽油能夠改善發(fā)動機(jī)燃燒特性，降低發(fā)動機(jī)的碳煙等污染物排放，對提升GDI發(fā)動機(jī)性能和改善顆粒物排放有較好的作用。

汽油直噴發(fā)動機(jī)；燃燒；CFD；含水乙醇汽油；碳煙

0 引 言

近年來，汽車產(chǎn)量的快速增長加速了石油資源的消耗，大量有害尾氣給氣候和人類健康帶來極大的威脅[1]，尋求低碳、清潔、可再生的替代燃料，實(shí)現(xiàn)能源多樣化已是大勢所趨。汽油直噴（Gasoline Direct Injection, GDI）發(fā)動機(jī)憑借高效清潔的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，但其較高的顆粒物排放問題尚未得到較好的解決[2]。乙醇作為發(fā)動機(jī)替代燃料具有辛烷值高、污染小、可再生能力強(qiáng)、安全無毒、與汽油互溶性好等優(yōu)點(diǎn)，含水乙醇相比無水乙醇對空氣中的水分敏感程度較低，與汽油混合穩(wěn)定性較好[3]。

相關(guān)研究證實(shí)，含水乙醇汽油的含氧等特性對顆粒物的生成與排放有較好的控制作用[4]，Maricq等[5]在GDI發(fā)動機(jī)上研究發(fā)現(xiàn)，E20W（乙醇體積比為20%）汽油比純汽油的顆粒物質(zhì)量（Particle Mass, PM）排放降低20%，E32比純汽油的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量（Particle Number, PN）排放均降低30%～45%；Iorio等[6]發(fā)現(xiàn)相比于純汽油，乙醇的含氧特性能夠改善混合氣分布，提高燃燒效率，促進(jìn)碳煙氧化，進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)的顆粒物排放；另外，含水乙醇對于改善缸內(nèi)燃燒特性、提高燃燒效率、降低常規(guī)排放也有明顯效果[7-10]。因此，開展針對GDI發(fā)動機(jī)燃用含水乙醇汽油的研究工作意義重大。有關(guān)乙醇燃燒的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理方面的研究，Marinov等[11]提出的包含56種組分和372個基元反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理得到了學(xué)術(shù)界的一致認(rèn)可；Metcalfe等[12]提出了一種結(jié)合C1-C2小分子烴類和含氧燃料的詳細(xì)燃燒機(jī)理，對計算著火延遲期、燃燒速度和排放物質(zhì)等至關(guān)重要。廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術(shù)能有效降低泵氣損失、減少燃油消耗和降低NOx排放[13-14]。GDI發(fā)動機(jī)引入EGR可以降低燃燒溫度，廢氣的稀釋作用可以減少混合氣局部濃區(qū)，有利于抑制燃油裂解、脫氫反應(yīng)生成的碳煙[15]，Liu[16-17]等的研究發(fā)現(xiàn)EGR廢氣中的CO2與H原子反應(yīng)生成OH（CO2+H→CO+OH），該反應(yīng)中H的消耗能夠減少碳煙前驅(qū)物（PAHs）的生成，抑制顆粒物的形成和表面生長。顆粒物形成的最后環(huán)節(jié)是PAHs的物理凝固，因此研究燃燒過程中PAHs的生長路徑對于預(yù)測顆粒物的體積分?jǐn)?shù)及數(shù)量濃度等具有重要的理論意義[18]。然而李超等[19]卻表示隨EGR率的增加，GDI發(fā)動機(jī)的PM、SOF（可溶性有機(jī)物）和PAHs的排放量逐漸增加。因此，有關(guān)EGR對于碳煙和碳煙前驅(qū)物的作用尚未完全明確，需要更多的研究工作加以證實(shí)。

針對以上問題，相關(guān)研究[20-22]主要基于宏觀角度，利用臺架試驗(yàn)等相關(guān)研究手段對內(nèi)燃機(jī)的缸壓、放熱率等燃燒特性和碳煙生成質(zhì)量進(jìn)行研究分析，而基于微觀特性的燃燒機(jī)理層面的研究工作較為缺乏，而利用數(shù)值模擬的方式有助于從燃燒機(jī)理的微觀角度展示發(fā)動機(jī)及燃燒過程中各微觀物質(zhì)的變化趨勢。本文以此為切入點(diǎn)，通過三維CFD仿真手段，結(jié)合CONVERGE軟件建立GDI發(fā)動機(jī)的燃燒模型，將含水乙醇汽油燃燒機(jī)理與碳煙生成模型結(jié)合，從微觀角度對GDI發(fā)動機(jī)燃用含水乙醇汽油并結(jié)合EGR技術(shù)的燃燒特性和碳煙及碳煙前驅(qū)物生成特性進(jìn)行深入分析。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 模型搭建與參數(shù)設(shè)置

本文所模擬GDI發(fā)動機(jī)為直列四缸四沖程渦輪增壓汽油機(jī)，其幾何參數(shù)如表1所示[22]。模擬過程為?360～360 °CA（曲軸轉(zhuǎn)角），持續(xù)發(fā)動機(jī)整個工作循環(huán)，其中0 °CA代表壓縮上止點(diǎn)，?360 °CA為進(jìn)氣上止點(diǎn)。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

模型中汽油以異辛烷63%、正庚烷17%、甲苯20%的體積分?jǐn)?shù)混合代表95#汽油[23]，再添加對應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的水和乙醇，從而構(gòu)成含水乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為0、10%、20%的3種含水乙醇汽油（即E0、E10W、E20W）混合燃料，考慮發(fā)動機(jī)的常用工況，針對EGR方面的研究選定0和10%兩種不同的廢氣再循環(huán)比例（EGR率）。

基于車輛市區(qū)常用工況以及排放問題較為集中的考慮，模型計算工況選為轉(zhuǎn)速=2 000 r/min和缸內(nèi)平均有效壓力IMEP=1 MPa，噴油時刻為?280 °CA，同時保持理論空燃比。模型的邊界條件基于一維模擬研究結(jié)果給定[22]，其中進(jìn)氣道溫度和排氣道溫度分別為450和550 K，初始條件由試驗(yàn)得到，缸內(nèi)初始溫度和缸內(nèi)初始壓力分別為450 K和0.2 MPa。

1.2 物理模型

選用RNG-湍流模型[24]描述GDI發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的高雷諾數(shù)、強(qiáng)變密度流場并考慮湍流旋渦。GDI發(fā)動機(jī)的噴霧形成過程會經(jīng)歷破碎、蒸發(fā)霧化、碰壁等過程，采用KH-RT模型[25]描述液滴破碎過程，通過液滴破碎長度判斷噴霧破碎機(jī)理。蒸發(fā)模型選用Frossling Drop Evaporation模型[26]，該模型將多組分的燃油液滴按照組分和蒸發(fā)特性的不同分別進(jìn)行蒸發(fā)。碰壁過程采用Wall Film模型[27]進(jìn)行描述，該模型可以反映液滴碰壁后的附著、反彈、飛濺和脫離等現(xiàn)象。油滴之間碰撞選用NTC Numerical Scheme模型[28]進(jìn)行描述。液滴飛濺過程采用Kuhnke film飛濺模型[29]表示，根據(jù)壁面溫度和濕度的不同該模型能夠判斷油滴與壁面碰撞之后的運(yùn)動狀態(tài)。此外，針對點(diǎn)火過程的描述本文選用的是Energy Source模型[28]。

有關(guān)含水乙醇汽油燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理的選用是基于本團(tuán)隊(duì)以往的研究成果[23]，采用“半解耦”的機(jī)理構(gòu)建方法，首先對乙醇詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡化，提出了含16種反應(yīng)物，26個基元反應(yīng)的乙醇骨架機(jī)理，然后將乙醇骨架機(jī)理與甲苯參比燃料（TRF）汽油替代物骨架機(jī)理耦合到普適的C0～C1機(jī)理上，提出了含64種物質(zhì)、194個基元反應(yīng)的乙醇汽油機(jī)理，再加入水的反應(yīng)過程，形成了含水乙醇汽油反應(yīng)機(jī)理，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。基于所選用的含水乙醇汽油反應(yīng)機(jī)理，耦合以PAHs[30]為前驅(qū)物的碳煙模型，采用SAGE模型[31]進(jìn)行求解計算，并得到了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證部分主要針對燃燒模型和碳煙模型進(jìn)行標(biāo)定。燃燒模型通過臺架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，臺架試驗(yàn)設(shè)備主要包括增壓直噴發(fā)動機(jī)、開放式電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）、AVL220三相交流電力測功機(jī)、燃燒分析儀、AVL 740動態(tài)油耗儀、AVL DiCom 4000氣體排放分析儀、DMS500顆粒物測試儀等，臺架布置示意圖如圖1所示，發(fā)動機(jī)為一臺直列四缸水冷渦輪增壓直噴發(fā)動機(jī)，技術(shù)參數(shù)同表1。ECU控制系統(tǒng)通過INCA軟件進(jìn)行在線標(biāo)定，臺架的加載和轉(zhuǎn)速控制采用三相交流電力測功機(jī)，同時采用具有連續(xù)測量能力的動態(tài)油耗儀進(jìn)行油耗測量。排氣管上安裝K型鎳鉻-鎳硅熱電偶傳感器和KISTLER壓阻式壓力傳感器來測量排氣溫度與排氣背壓。氣態(tài)排放采用氣體分析儀檢測碳?xì)浠衔铮═HC）、CO、CO2以及NOx的濃度。顆粒物排放的測量采用顆粒物測試儀測量顆粒物質(zhì)量（PM）和數(shù)量（PN）排放與粒徑分布。

圖1 臺架布置示意圖

臺架試驗(yàn)工況與仿真工況相同，試驗(yàn)測量了GDI發(fā)動機(jī)燃用純汽油（E0）、含水乙醇汽油（E10W、E20W）的缸內(nèi)壓力和溫度，標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。圖中E0、E10W和E20W的缸壓和溫度的試驗(yàn)曲線與模擬曲線一致性較好，最大誤差不超過15%，表明構(gòu)建的模型能較好地模擬發(fā)動機(jī)的燃燒特性。

仿真過程中引用的以PAHs為前驅(qū)物的碳煙模型，相關(guān)文獻(xiàn)[30]已通過臺架試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。圖中顯示了轉(zhuǎn)速2 000 r/min、轉(zhuǎn)矩120 N·m工況下GDI發(fā)動機(jī)排氣中PAHs和碳煙濃度的計算結(jié)果與試驗(yàn)值對比。從圖3a、3b、3c可以看出，排氣門開啟時（875 °CA）PAHs中的A2（萘）、A3（菲）和A4（芘）濃度急劇上升，隨著排氣門的持續(xù)開啟，濃度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的PAHs計算值和試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)值重合較好。圖3d與PAHs的變化趨勢類似，排氣中的碳煙排放隨著排氣門的持續(xù)開啟趨于穩(wěn)定，以PAHs為前驅(qū)物的碳煙模型預(yù)測的碳煙排放和試驗(yàn)值吻合較好，表明所選用的碳煙模型可以較好地反映燃燒過程中的碳煙生成特性。

注：E0、E10W和E20W分別表示含水乙醇體積分?jǐn)?shù)為0、10%和20%的含水乙醇汽油，下同。

注：A1、A2、A3、A4分別為PAHs中的苯、萘、菲、芘。

基于以上標(biāo)定結(jié)果，從本文研究目的出發(fā)，仿真分析不同體積分?jǐn)?shù)的含水乙醇汽油燃料和不同EGR率對GDI發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程及碳煙生成特性的影響，并探究各參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

圖4為CFD模型的坐標(biāo)定義，左側(cè)為進(jìn)氣門側(cè)，右側(cè)為排氣門側(cè)，空間分布的切片結(jié)果均參照此坐標(biāo)方向進(jìn)行定義。

圖4 模型切片方向

2.1 含水乙醇汽油對燃燒過程的影響

以垂直氣缸軸的對稱面為切片，對比2 500 K的等溫面的不同體積分?jǐn)?shù)的含水乙醇汽油燃燒過程的火焰發(fā)展情況（圖5）。從圖中可以看出，在上止點(diǎn)前10 °CA時高溫火核集中在火花塞附近，火焰還未展開；隨著燃燒的進(jìn)行，在上止點(diǎn)后10 °CA時，火焰迅速擴(kuò)張，幾乎充滿整個燃燒室區(qū)域；在上止點(diǎn)后30 °CA，燃燒過程進(jìn)入后期，E20W火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤葴孛姘鼑鷧^(qū)域反映了缸內(nèi)燃燒的核心高溫區(qū)域，而E0燃燒速度略慢，等溫面剛剛包圍整個燃燒室，受壁面影響而破碎。

通過對比不同燃料的火焰發(fā)展情況可以看出，含水乙醇的添加加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋蛇M(jìn)一步縮短燃燒持續(xù)期。

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)的含水乙醇汽油火焰發(fā)展情況

不同比例的含水乙醇汽油燃燒過程（?10到10 °CA）中溫度、OH濃度和碳煙質(zhì)量分布情況如圖6所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，含水乙醇體積分?jǐn)?shù)的提高擴(kuò)大了缸內(nèi)高溫區(qū)域的面積，OH濃度分布與溫度分布相近，溫度越高OH濃度也越高，說明OH濃度與溫度變化具有強(qiáng)相關(guān)性，是燃燒過程的關(guān)鍵基團(tuán)。由碳煙質(zhì)量分布結(jié)果可以推測碳煙主要產(chǎn)生于高溫缺氧的混合氣濃區(qū)，燃油的高溫裂解及不完全燃燒。而含水乙醇汽油由于含氧有利于減少碳煙生成，同時高活性的OH等組分促進(jìn)了碳煙氧化[31]，導(dǎo)致E20W的碳煙生成量最少。

圖6 不同燃料在不同燃燒時刻缸內(nèi)溫度、OH濃度與碳煙質(zhì)量的分布

2.2 含水乙醇汽油對碳煙生成過程的影響

圖7為不同比例的含水乙醇汽油燃燒過程中PAHs和碳煙質(zhì)量的變化。A1、A2、A3、A4的質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化體現(xiàn)了缸內(nèi)碳煙前驅(qū)物的發(fā)展過程。從圖中可以看出，隨著燃燒的進(jìn)行，A1～A4的質(zhì)量都是先增加至峰值又迅速下降至0，在此過程中，燃油發(fā)生裂解脫氫反應(yīng)得到相關(guān)小分子，繼而逐漸生成碳煙前驅(qū)物氣相PAHs，進(jìn)一步通過碰撞、凝結(jié)等反應(yīng)形成碳煙顆粒。初始碳粒經(jīng)過表面生長和團(tuán)聚反應(yīng)不斷長大，碳煙生成質(zhì)量不斷上升，并在碳煙前驅(qū)物A1～A4質(zhì)量降為零的時刻（上止點(diǎn)后20 °CA左右）達(dá)到峰值，到了燃燒后期，由于溫度的下降和缸內(nèi)氧化作用，部分碳煙被氧化分解，碳煙質(zhì)量和數(shù)量密度有所下降，最終保持穩(wěn)定。從數(shù)量角度來看，與E0相比，E20W碳煙前驅(qū)物中A1、A2、A3和A4的峰值質(zhì)量分別下降了約60.0%、54.5%、73.3%和52.4%，E20W的碳煙質(zhì)量和數(shù)量密度峰值分別下降了約63.6%和40.0%。

通過對PAHs和碳煙生成過程的分析可知，含水乙醇燃料較高的汽化潛熱和混合氣分布的均勻性使得燃油高溫裂解和脫氫反應(yīng)得到抑制，降低了PAHs的濃度和初級碳粒的生成，此外乙醇的含氧特性也有利于降低碳煙濃度，氧化作用的增強(qiáng)使得大分子碳?xì)浠衔镌谔紵燁w粒表面的凝結(jié)生長作用得到削弱，抑制了碳煙顆粒的長大，因此含水乙醇汽油有利于改善GDI發(fā)動機(jī)碳煙顆粒排放特性。

圖8為E20W燃燒過程中缸內(nèi)碳煙和PAHs的質(zhì)量分布變化過程。在上止點(diǎn)前10°CA時，初始生成的碳煙和PAHs主要集中在火核周圍。A1~A4中的1環(huán)和2環(huán)PAHs含量較高，分布范圍更大，但總體分布情況與碳煙質(zhì)量分布較為接近。隨著火焰進(jìn)一步傳播，缸內(nèi)溫度升高，碳煙和PAHs的分布區(qū)域主要集中在火焰前鋒面與燃燒室邊緣的位置。碳煙在靠近排氣門側(cè)的燃燒室區(qū)域質(zhì)量分布更集中，因?yàn)榇丝谈變?nèi)溫度和當(dāng)量比的分布在靠近排氣門側(cè)區(qū)域更高，更有利于燃料裂解脫氫生成碳煙。到了燃燒后期，火焰已經(jīng)傳播到整個燃燒室內(nèi)，缸內(nèi)碳煙和PAHs質(zhì)量明顯降低，只有少量物質(zhì)存在于缸內(nèi)邊緣低溫區(qū)域，主要原因是此時大量燃料已被消耗，大范圍內(nèi)強(qiáng)活性的OH及E20W本身的含氧特性，增強(qiáng)了缸內(nèi)的氧化作用。

通過以上對比分析，可以觀察到碳煙生成過程的變化趨勢與前驅(qū)物基本保持一致，PAHs會控制碳煙的成核與生長過程，缸內(nèi)的OH等強(qiáng)氧化性基團(tuán)對碳煙的氧化有重要影響，含水乙醇的添加會增強(qiáng)氧化作用，抑制碳煙的凝結(jié)生長，對于GDI發(fā)動機(jī)顆粒物的排放具有改善作用。

圖7 不同比例的含水乙醇汽油對碳煙和PAHs生成的影響

圖8 E20W在不同燃燒時刻（-10 °CA、10 °CA、20 °CA）缸內(nèi)碳煙和PAHs組分分布

2.3 EGR對含水乙醇汽油燃燒過程的影響

圖9為EGR結(jié)合含水乙醇對GDI發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響，其中為了對比較大比例含水乙醇燃料摻混的效果，同時考慮發(fā)動機(jī)的常用工況，仿真中燃料選用E0和E20W，EGR率為0和10%。從圖中可以看出，含水乙醇汽油的溫度和OH濃度較高區(qū)域分布更廣，EGR引入后燃燒溫度和OH濃度會降低。分析原因可以發(fā)現(xiàn)，EGR的引入使得缸內(nèi)溫度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停^而導(dǎo)致燃燒過程延長，未燃碳?xì)浜吭黾樱瑫r混合氣濃區(qū)處碳煙生成量增加。含水乙醇汽油相比純汽油引入EGR時的燃燒情況有所改善，優(yōu)化燃料在EGR氛圍中的燃燒特性，比純汽油引入EGR時的碳煙分布濃區(qū)明顯減少。

注：E20W-EGR0%、E20W-EGR10%和E0-EGR10%分別代表含水乙醇體積分?jǐn)?shù)為20%、EGR率為0，含水乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%、EGR率為10%和含水乙醇體積分?jǐn)?shù)為0、EGR率為20%，下同。

2.4 EGR對含水乙醇汽油碳煙生成的影響

圖10為EGR結(jié)合含水乙醇汽油對燃燒過程中碳煙及PAHs生成質(zhì)量的影響。如圖10a和圖10b所示，在相同的EGR率下，含水乙醇汽油E20W比純汽油E0生成的碳煙質(zhì)量明顯降低，碳煙數(shù)量密度峰值下降，而對于E20W燃料，引入10%的EGR會使碳煙生成質(zhì)量有所增加而碳煙數(shù)量濃度有所降低，并且峰值時刻隨燃燒過程的延長而延遲；從圖10c、10d、10e、10f可以看出，在EGR率不變時，含水乙醇汽油E20W燃燒過程中A1~A4質(zhì)量的峰值明顯低于純汽油E0，引入EGR后PAHs生成隨燃燒過程的推后而延遲，并且A1～A4生成質(zhì)量峰值增加。綜合EGR和含水乙醇汽油對碳煙及PAHs生成的影響可以發(fā)現(xiàn)，引入EGR會降低燃燒效率并導(dǎo)致燃燒過程的延遲，而燃燒過程的推遲會進(jìn)一步引起燃燒后期的燃油裂解脫氫反應(yīng)增加，使得PAHs和小分子碳?xì)浠衔餄舛仍黾樱紵熒少|(zhì)量較高，而燃燒推遲導(dǎo)致的后期碳煙表面生長和團(tuán)聚作用的加強(qiáng)會降低碳煙數(shù)量密度峰值。在EGR氛圍下燃燒含水乙醇汽油會改善純汽油引入EGR技術(shù)帶來的燃燒和碳煙生成的負(fù)面影響，含水乙醇的含氧特性會改善EGR環(huán)境中的燃燒效率，削弱EGR對燃燒的惡化作用，降低未燃HC濃度和碳煙生成量，相比純汽油，含水乙醇汽油可以弱化EGR對燃燒和碳煙排放的負(fù)面影響。

圖10 EGR結(jié)合含水乙醇汽油對碳煙和PAHs生成的影響

3 結(jié) 論

通過CONVERGE軟件耦合含水乙醇汽油燃燒機(jī)理和碳煙生成模型進(jìn)行GDI發(fā)動機(jī)的三維CFD分析，得到如下結(jié)論：

1）含水乙醇汽油燃燒過程中缸內(nèi)溫度、OH濃度較高的區(qū)域分布更廣，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤瑢?dǎo)致燃燒效率更高。

2）GDI發(fā)動機(jī)燃燒過程中碳煙和前驅(qū)物生成量隨含水乙醇比例的升高而減小，與E0相比，E20W的碳煙前驅(qū)物A1、A2、A3、A4質(zhì)量峰值分別降低了60.0%、54.5%、73.3%、52.4%，碳煙質(zhì)量和數(shù)量密度峰值分別降低了63.6%和40.0%。含水乙醇汽油的含氧特性有利于抑制碳煙及前驅(qū)物生成，高活性O(shè)H等組分可促進(jìn)碳煙氧化，改善GDI發(fā)動機(jī)碳煙排放特性。

3）EGR廢氣的引入會降低缸內(nèi)溫度和燃燒速度，碳煙生成量有所上升，但EGR結(jié)合含水乙醇汽油相比EGR結(jié)合純汽油能明顯改善燃燒環(huán)境，有利于混合氣的均勻分布和火焰?zhèn)鞑ィ瑴p少碳煙及其前驅(qū)物的分布濃區(qū)。

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Combustion and soot emission characteristics of hydrous ethanol gasoline direct injection engine

Shi Xiuyong, Duan Yifei, Kang Yang, Liao Yansu, Ni Jimin

(201804,)

In recent years, the gradual increase in automobile production has accelerated the consumption of petroleum resources, and a large amount of harmful exhaust gas has also brought great threats to the climate and human health. It is the general trend to seek low-carbon, clean and renewable alternative fuels and realize energy diversification. Gasoline direct injection (GDI) engines have been widely used due to the advantages of high efficiency and cleanliness, but the problem of higher particulate emissions has not yet been resolved. As an alternative fuel for engines, ethanol has the advantages of high- octane number, low pollution, strong renewability, safety and non-toxicity, and good compatibility with gasoline. Compared with absolute ethanol, hydrous ethanol is less sensitive to moisture in the air, and it is more stable when mixed with gasoline. Exhaust gas recirculation (EGR) technology can effectively reduce pumping losses, reduce fuel consumption, and reduce NOx emissions. The introduction of EGR in gasoline direct injection engines can lower the combustion temperature, and the dilution effect of exhaust gas can reduce the local concentration of the mixture, which is beneficial to inhibit the soot generated by the fuel cracking and dehydrogenation reactions. In this study, the three-dimensional simulation was carried out by using CONVERGE software coupled with the combustion mechanism of hydrous ethanol gasoline and the soot model, to explore the effects of the combination of hydrous ethanol and EGR on the combustion and soot generation characteristics of GDI engine. The results showed that the increase of the volume fraction of the hydrous ethanol accelerated the flame propagation speed, shortened the combustion duration. The soot precursors (PAHs) control the nucleation and growth of soot. The formation of soot can be inhibited by the oxygen-content characteristics of hydrous ethanol gasoline and the high activity OH. Compared with E0 (hydrous ethanol volume fraction is 0%), the peak mass of soot precursors of E20W (hydrous ethanol volume fraction is 20%) A1 (benzene), A2 (naphthalene), A3 (phenanthrene) and A4 (pyrene) were reduced by 60.0%, 54.5%, 73.3%, and 52.4%, respectively, the peak of soot mass was reduced by 63.6%, and the peak of soot quantity density was decreased by 40.0%. The introduction of EGR reduced the combustion efficiency, increased the mass of PAHs and soot generation, and reduced the soot quantity density. The addition of hydrous ethanol could improve the combustion efficiency in the EGR environment and reduce the amount of unburned HC and soot generation. Compared with pure gasoline, hydrous ethanol gasoline combined with EGR technology reduced the negative impact of EGR on combustion and soot emissions. It can be concluded that the combination of EGR and hydrous ethanol gasoline could improve combustion characteristics but decrease soot production, further enhance the performance while reduce particulate matter emissions of GDI engine.

gasoline direct injection (GDI) engine; combustion; CFD; hydrous ethanol gasoline; soot

石秀勇，段毅菲，康楊，等. 含水乙醇汽油直噴發(fā)動機(jī)燃燒與碳煙排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(17)：64-72.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.008 http://www.tcsae.org

Shi Xiuyong, Duan Yifei, Kang Yang, et al. Combustion and soot emission characteristics of hydrous ethanol gasoline direct injection engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 64-72. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.008 http://www.tcsae.org

2020-03-06

2020-08-08

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（16ZR1438500）；內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（K2016-04）

石秀勇，博士，副教授，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動機(jī)燃燒節(jié)能與排放控制。Email：shixy@tongji.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.008

TK417

A

1002-6819(2020)-17-0064-09