稀燃條件下?lián)綗掖贾卣麣鈱χ眹娖蜋C(jī)燃燒及碳煙排放影響的仿真研究*

石秀勇 王浩宇 段毅菲 錢偉偉

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

主題詞：稀薄燃燒 乙醇重整氣 直噴發(fā)動(dòng)機(jī) 燃燒 排放 三維仿真

1 前言

汽車行業(yè)的飛速發(fā)展所帶來的能源與環(huán)境問題不容忽視。同傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）汽油機(jī)相比，汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)可以很好地控制油氣混合、提高壓縮比、改善動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能并降低冷起動(dòng)時(shí)的排放量[1]，現(xiàn)已得到大范圍推廣。同時(shí)，稀薄燃燒技術(shù)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的前提下，可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和改善有害物質(zhì)排放[2]，近年來也受到了廣泛關(guān)注，但在稀薄燃燒過程中易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程惡化，增加NOx排放量[3]。

為解決稀薄燃燒中的燃燒及排放問題，充分發(fā)揮稀薄燃燒的優(yōu)勢，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。紀(jì)常偉[4]認(rèn)為含水乙醇作為一種可再生替代燃料，可在一定程度上改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性。乙醇重整氣作為乙醇熱催化重整產(chǎn)物，與汽油摻燒能實(shí)現(xiàn)均勻的混合氣分布，改善稀薄燃燒中存在的燃燒惡化問題。高以康[5]研究了燃用重整燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)通過合理設(shè)置點(diǎn)火提前角、空燃比和配氣相位可以使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩明顯提高。戴曉旭[6]探究了乙醇重整氣對發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)重整氣有利于改善內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性，減少燃燒循環(huán)變動(dòng)，降低HC 排放量，但易引發(fā)較高的CO 和NOx排放量。Atsushi Shimada等[7]分析了不同壓縮比和空燃比下，重整氣對發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在壓縮比為15 時(shí)，隨著重整氣配比和空燃比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率得以提升，綜合熱效率提高到43.8%，但是NOx排放量增加。

目前，有關(guān)乙醇重整氣對汽油機(jī)稀薄燃燒工作特性影響的研究尚不全面，石秀勇等[8]利用GT-Power進(jìn)行了直噴汽油機(jī)一維仿真模型的計(jì)算分析，探究了在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，平均有效指示壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）為1 MPa 的工況下，過量空氣系數(shù)由1 增加至1.3，乙醇重整氣摻混比由0 增加至30%時(shí)，直噴汽油機(jī)的燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能表現(xiàn)。但僅通過試驗(yàn)和一維仿真手段得到的結(jié)果無法從燃燒過程中本質(zhì)機(jī)理的微觀角度解釋發(fā)動(dòng)機(jī)的性能表現(xiàn)[9]。本文借助CONVERGE 三維仿真軟件完成直噴汽油機(jī)完整工作過程的模擬，從燃燒過程本質(zhì)、關(guān)鍵基團(tuán)分布等角度探索直噴汽油機(jī)摻燒乙醇重整氣后的工作特性。

2 模型建立

2.1 模型構(gòu)建

本研究應(yīng)用Unigraphics NX（UG）軟件繪制直噴發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，并對氣體噴嘴流道進(jìn)行三維建模，如圖1a 所示。圖1b 所示為模擬所用直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的三維幾何模型經(jīng)面網(wǎng)格劃分后的模型，該模型中火花塞中置，位于氣缸頂部中心位置，液體燃料噴射器側(cè)置，靠近進(jìn)氣門側(cè)，氣體燃料噴射器靠近液體燃料噴射器，存在一定的位置偏差，活塞為常規(guī)淺坑式。

圖1 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 物理模型的設(shè)置

根據(jù)已有研究[10-16]，計(jì)算各過程中所采用的物理模型如表2所示。

表2 物理模型設(shè)置

2.3 模型初始條件與邊界條件

在充分平衡計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)長的前提下，設(shè)置模型的基礎(chǔ)體網(wǎng)格尺寸為4 mm，并在氣門倒角、噴油器和重整氣噴射口等重要工作區(qū)域進(jìn)行3 級細(xì)化級別的加密，如圖2所示。仿真過程將模擬發(fā)動(dòng)機(jī)從進(jìn)氣、壓縮、燃燒到排氣的完整工作過程，活塞帶動(dòng)連桿使曲軸從進(jìn)氣上止點(diǎn)的-360°CA 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至排氣上止點(diǎn)的360°CA，其中0°CA處為壓縮上止點(diǎn)。

圖2 仿真過程中的網(wǎng)格加密

本研究工況設(shè)置為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，IMEP 為1 MPa，噴油提前角為-280°CA，重整氣噴射角為-100°CA，過量空氣系數(shù)λ為1.2，進(jìn)排氣道的溫度分別為450 K和550 K，活塞頂和氣缸壁溫度分別為600 K和450 K，進(jìn)氣道入口采用質(zhì)量流量的邊界條件，排氣道出口采用壓力邊界條件。

仿真過程中的汽油以異辛烷（IC8H18）63%、正庚烷（C7H16）17%和甲苯（C7H8）20%的體積比混合替代，氣體燃料以氫氣（H2）12.5%和一氧化碳（CO）87.5%的質(zhì)量比混合代表乙醇重整氣。重整氣摻混比的計(jì)算采用了以等能量的乙醇重整氣代替汽油的方法，計(jì)算公式如下：

式中：?(H2+CO) 為乙醇重整氣摻混比，Q(H2+CO)和Qg分別為由乙醇重整氣和汽油完全燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量。

已有的一維仿真結(jié)果[9]表明，重整氣摻混比在20%時(shí)效果較好，過多的重整氣反而導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，因此，三維模擬部分分別采用0、10%和20% 3 種摻混比的混合燃料進(jìn)行研究，分別記為RE0、RE10 和RE20。為了保證每次循環(huán)進(jìn)入氣缸的總能量相同，參考相關(guān)仿真工作經(jīng)驗(yàn)，固定汽油和重整氣的噴射持續(xù)角，將噴射流量設(shè)置為變量，各摻混比下的燃料成分配比如表3所示。

表3 不同重整氣摻混比下的混合燃料成分配比

2.4 模型的標(biāo)定

為保證所建立的三維模型的準(zhǔn)確性，在給定轉(zhuǎn) 速2 000 r/min、IMEP=1 MPa、λ=1.2 的工況下對模型進(jìn)行標(biāo)定。臺(tái)架試驗(yàn)工況與仿真工況相同，所用燃料為95號汽油和含水乙醇（水所占體積分?jǐn)?shù)為5%），試驗(yàn)開展之前，在25°C 的室溫環(huán)境下，分別以95 號汽油摻混0、10%和20%的含水乙醇，制備成試驗(yàn)所需3 種不同比例的混合燃料E0、E10W和E20W。圖3和圖4為模型的標(biāo)定結(jié)果，從圖中可以看出，燃燒過程中缸內(nèi)壓力和溫度的試驗(yàn)曲線與仿真曲線較為重合，最大誤差值為5%～7%，在工程可接受范圍內(nèi)。圖3、圖4 表明所建立的三維模型能準(zhǔn)確模擬直噴汽油機(jī)的工作過程，可利用此模型開展后續(xù)模擬計(jì)算工作。

圖3 溫度標(biāo)定曲線

圖4 缸壓標(biāo)定曲線

3 結(jié)果分析

3.1 乙醇重整氣摻混比對燃燒過程的影響

圖5a、圖5b、圖5c 分別對比了曲軸轉(zhuǎn)角從-10°CA到20°CA過程中不同混合燃料燃燒溫度、當(dāng)量比和湍動(dòng)能在燃燒室內(nèi)的分布。從圖5a 中可以看出，乙醇重整氣摻混比例的提高擴(kuò)大了缸內(nèi)高溫區(qū)域的面積，表明重整氣的加入改善了燃燒環(huán)境，加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋龠M(jìn)了燃料的充分燃燒和集中放熱。

圖5 不同燃料燃燒過程中的溫度、當(dāng)量比和湍動(dòng)能分布情況

從圖5b 中缸內(nèi)當(dāng)量比分布可以發(fā)現(xiàn)，火花塞點(diǎn)火后，燃燒室中心的混合氣快速燃燒，在-10°CA～10°CA范圍內(nèi)，大量燃料被迅速消耗，導(dǎo)致了中間低四周高的濃度場分布。重整氣的引入加快了燃燒速度，燃燒室中心的燃料消耗速率加快，摻燒10%乙醇重整氣時(shí)的缸內(nèi)濃度分布不均勻現(xiàn)象加劇，隨著重整氣含量的繼續(xù)增加，火焰被快速引入燃燒室四周，整體燃燒進(jìn)程加快，導(dǎo)致?lián)綗?0%重整氣時(shí)的混合氣濃度快速降低，并且分布較為均勻。隨著活塞的下行，曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到20°CA 時(shí)，缸內(nèi)有效體積變大，混合氣運(yùn)動(dòng)受阻變小，同時(shí)火焰?zhèn)鞑ブ翚飧妆冢變?nèi)燃料被大量消耗，整體混合氣濃度降低并且分布均勻。對比溫度和湍動(dòng)能云圖可以發(fā)現(xiàn)，二者隨活塞下移時(shí)的分布變化情況相似，其中高溫區(qū)域和高湍動(dòng)能區(qū)域均聚集在燃燒室中心附近，表明火焰的傳播有利于加快湍流運(yùn)動(dòng)，湍動(dòng)能增大，燃燒室內(nèi)物質(zhì)輸運(yùn)加快，燃燒化學(xué)反應(yīng)速率提高。而由于重整氣中H2和CO 本身較快的運(yùn)動(dòng)速率和熱擴(kuò)散效率，汽油摻燒乙醇重整氣相比純汽油燃燒時(shí)的湍動(dòng)能更大，高溫區(qū)域擴(kuò)散更快，從而加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

3.2 不同燃料燃燒過程中小分子基團(tuán)分布特性

汽油與重整氣混合燃料燃燒過程中的OH基、H基、HO2和H2O2是關(guān)鍵的中間產(chǎn)物，各自的產(chǎn)生和消耗路徑如圖6所示，構(gòu)成了完整的燃燒過程[17]。OH基和H基作為促進(jìn)燃燒反應(yīng)的必要自由基，HO2和H2O2作為燃燒過程的中間產(chǎn)物，在缸內(nèi)的分布和生成量可以體現(xiàn)燃燒的速度及質(zhì)量。

圖6 重整氣最終產(chǎn)物生成過程

圖7a和圖7b分別為混合燃料燃燒過程中OH 基和H 基的質(zhì)量濃度分布云圖，由圖中可以看出，其分布變化規(guī)律與溫度較為相似，溫度越高的位置OH基和H基濃度越高，表示OH基和H基濃度變化直接影響溫度變化。從圖8可以看出，摻燒20%重整氣時(shí)的H基生成質(zhì)量的峰值為純汽油燃燒時(shí)的4 倍，OH 基生成質(zhì)量的峰值為純汽油燃燒時(shí)的2 倍，且達(dá)到峰值的時(shí)刻更提前，表明重整氣的添加有利于促進(jìn)燃燒室內(nèi)的活化反應(yīng)，大量的活化分子有助于加快燃燒反應(yīng)的充分進(jìn)行及燃燒進(jìn)程的加快，縮短燃燒持續(xù)期。

圖7 不同燃料燃燒過程中的OH基和H基質(zhì)量濃度分布情況

此外，重整氣燃燒過程中的溫度較高，進(jìn)一步促進(jìn)了OH基反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)生，在上止點(diǎn)后20°CA 的燃燒高峰期，OH基分布遍布缸內(nèi)，有助于改善燃燒環(huán)境，促進(jìn)混合燃料的完全燃燒。

圖9a和圖9b為燃燒過程中燃燒室內(nèi)的HO2和H2O2濃度分布，隨著燃燒進(jìn)程的推進(jìn)，二者分布變化規(guī)律呈現(xiàn)出不同的趨勢。在活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)之前，HO2和H2O2主要聚集在火花塞附近的高溫區(qū)，表明此時(shí)燃燒剛剛開始，混合氣中火花塞附近的H自由基和O2結(jié)合生成HO2和H2O2，并向四周逐漸擴(kuò)散，直至遍布整個(gè)氣缸。從圖10中可以看出，引入重整氣后的混合燃料燃燒過程中的HO2和H2O2質(zhì)量明顯增多，當(dāng)重整氣摻混比達(dá)到20%時(shí)，HO2和H2O2的生成質(zhì)量相比純汽油燃燒時(shí)增加了一倍左右，表明重整氣的加入使得燃燒室內(nèi)混合氣的燃燒更充分，促使了燃燒中間產(chǎn)物的增多，使得缸內(nèi)燃燒得以優(yōu)化。

圖10 乙醇重整氣對燃燒過程中HO2和H2O2生成的影響

隨著燃燒進(jìn)程繼續(xù)推進(jìn)，在10°CA 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，大量的HO2出現(xiàn)在火焰前鋒面，H2O2高濃度區(qū)也主要集中在燃燒室邊緣的低溫區(qū)域，核心高溫區(qū)的HO2和H2O2大量消耗，HO2和H2O2的濃度以中間低四周高的形態(tài)分布；在上止點(diǎn)后20°CA時(shí)，火焰布滿了整個(gè)燃燒室，核心高溫區(qū)的HO2消耗殆盡。摻燒乙醇重整氣后高溫區(qū)附近H2O2濃度有所增加，原因是HO2的消耗過程通過自身的分解反應(yīng)產(chǎn)生了大量的H2O2，因此盡管高溫反應(yīng)消耗了大量H2O2，但HO2通過反應(yīng)彌補(bǔ)了這部分消耗，使得火花塞附近區(qū)域再次聚集了大量的H2O2，尤其在高重整氣摻混比時(shí)H2O2的濃度更為集中。HO2和H2O2作為燃燒過程中的中間產(chǎn)物，通過互相的消耗和補(bǔ)給促使O2、H 基和OH 基的產(chǎn)生，從而使得燃料充分高效地轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物H2O和CO2。

3.3 乙醇重整氣摻混比對發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響

本文采用了以多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）[17]為前驅(qū)物的碳煙模型預(yù)測直噴汽油機(jī)內(nèi)的顆粒物生成過程，探究分析乙醇重整氣對稀薄燃燒直噴汽油機(jī)顆粒物生成過程的影響。

圖11和圖12分別展示了混合氣體燃燒過程中燃燒室內(nèi)的碳煙分布與生成質(zhì)量和生成數(shù)量在曲軸轉(zhuǎn)角0°CA～30°CA的變化。可以發(fā)現(xiàn)，引入重整氣后的缸內(nèi)碳煙生成量明顯降低，其中摻混20%的乙醇重整氣后碳煙的生成質(zhì)量峰值降幅高于90%，碳煙數(shù)量峰值的降幅達(dá)56.25%，表明乙醇重整氣的添加可以有效改善直噴汽油機(jī)的顆粒物生成。考慮影響碳煙生成的主要因素：首先，缸內(nèi)混合氣濃區(qū)會(huì)造成碳煙顆粒的大量生成，引入重整氣后，H2和CO較高的擴(kuò)散效率使得缸內(nèi)混合氣分布更均勻，減少了局部濃區(qū)的產(chǎn)生，從而阻礙了顆粒物的生成；其次，PAHs濃度會(huì)影響碳煙的生成，乙醇重整氣的添加降低了芳香烴濃度，優(yōu)化了燃燒環(huán)境和燃燒速率，使未燃碳?xì)浠衔锖头枷銦N的氧化效應(yīng)增強(qiáng)，抑制了顆粒物的生長。

圖11 不同燃料燃燒過程中碳煙生成質(zhì)量分布

圖12 乙醇重整氣對碳煙生成質(zhì)量和數(shù)量的影響

4 結(jié)束語

本文利用CONVERGE三維仿真軟件探究了直噴汽油機(jī)摻燒不同比例乙醇重整氣時(shí)，混合氣燃燒過程中的溫度、當(dāng)量比和關(guān)鍵小分子物質(zhì)的分布變化情況，以及不同比例的重整氣對碳煙顆粒物生成過程的影響，主要研究結(jié)論如下：

a.在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、IMEP為1 MPa的工況下，引入重整氣后的混合燃料在燃燒過程中溫度更高，高溫區(qū)域分布更廣，燃燒中后期當(dāng)量比分布更均勻，表明摻燒乙醇重整氣可以加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋s短燃燒持續(xù)期，提高燃燒效率；

b.乙醇重整氣的添加導(dǎo)致更多H基、OH基的生成，且HO2和H2O2分布范圍更廣、濃度更高，在燃燒室內(nèi)呈現(xiàn)分層分布，說明重整氣的加入有效改善了缸內(nèi)燃燒環(huán)境，促進(jìn)了燃燒的良好進(jìn)行；

c.引入20%的乙醇重整氣相比純汽油燃燒時(shí)的碳煙生成質(zhì)量峰值降低90%，碳煙生成數(shù)量降低56.25%，重整氣的引入有助于改善直噴汽油機(jī)碳煙排放。