乙醇均質(zhì)壓縮燃燒的數(shù)值模擬研究

肖 雪

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院

乙醇均質(zhì)壓縮燃燒的數(shù)值模擬研究

肖 雪

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院

1.引言

HCCI燃燒方式是新型的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，可以同時(shí)降低顆粒物和NOx 排放。HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)綜合了汽油機(jī)和柴油機(jī)的特點(diǎn)，形成均質(zhì)混合氣并壓縮著火。其燃燒方式是多點(diǎn)同時(shí)著火，燃料的著火和燃燒只受燃料氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制[1]， 并且可以保持較高的燃料經(jīng)濟(jì)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(diǎn)。研究表明乙醇是實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒的理想燃料之一[2]。據(jù)此，本文就乙醇燃料的均質(zhì)壓縮燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬研究，著重探究燃燒邊界條件對(duì)乙醇HCCI燃燒排放的影響。

2.計(jì)算模型

目前，HCCI 燃燒由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主導(dǎo)的觀點(diǎn)已普遍被人們接受[3]。本文研究采用氣相化學(xué)和等離子體動(dòng)力學(xué)的軟件CHEMKIN，它可以解決帶有化學(xué)反應(yīng)的流動(dòng)問(wèn)題，是燃燒領(lǐng)域中普遍使用的一個(gè)模擬計(jì)算工具[4]。本研究中使用的燃料是乙醇，乙醇燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和熱力學(xué)數(shù)據(jù)采用了美國(guó) Lawrence Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室公布的數(shù)據(jù)[5]。

3.計(jì)算結(jié)果及分析

模擬計(jì)算采用的發(fā)動(dòng)機(jī)： 型號(hào)4100QB- 1A、缸徑為105 mm、 行程為120 mm、 壓縮比為11.8、連桿長(zhǎng)度為205 mm。計(jì)算考慮了完整的壓縮和膨脹行程， 并以壓縮沖程的上止點(diǎn)( TDC) 作為曲軸轉(zhuǎn)角的零點(diǎn)， 并且考慮了進(jìn)氣遲閉的影響。在計(jì)算開(kāi)始前， 假定氣缸內(nèi)已經(jīng)形成了乙醇和空氣的均勻混合氣，且氣缸內(nèi)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(jìn)氣溫度、過(guò)量空氣系數(shù)和 EGR率。在計(jì)算中，初始進(jìn)氣壓力保持為 0.098MPa，主要轉(zhuǎn)速為 1200r/ min，并考慮了傳熱的影響。

用已得到驗(yàn)證的0-D單區(qū)HCCI計(jì)算模型對(duì)乙醇均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬研究，主要分析進(jìn)氣溫度、過(guò)量空氣系數(shù)以及EGR率等邊界條件對(duì)乙醇HCCI燃燒排放的影響。

3.1 進(jìn)氣溫度對(duì)排放的影響

（見(jiàn)圖3-1）乙醇 HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)著火燃燒后，隨著進(jìn)氣溫的增加，缸內(nèi)溫度、壓力升高，乙醇燃燒更加完全。隨著進(jìn)氣溫的增加，CO排放降低：465K時(shí)剛剛著火CO排放高，當(dāng)進(jìn)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(nèi)NOX排放趨勢(shì)與CO排放趨勢(shì)正好相反。隨著進(jìn)氣溫度的增加，缸內(nèi)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(guò)量空氣系數(shù)對(duì)排放的影響

圖 3-2 所示為 n＝1200r/min、進(jìn)氣溫度 T=493K 時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)λ對(duì)排放的影響。隨λ的增加，乙醇 HCCI 燃燒反應(yīng)反應(yīng)速率降低、壓力和缸內(nèi)溫度下降，NOX生成總量降低；CO 則是先降后升，在λ=5 時(shí)達(dá)到最低值，這是因?yàn)殡Sλ的增加，燃燒逐漸改善所以 CO排放降低，但λ過(guò)大時(shí)，出現(xiàn)不完全燃燒排放惡化。

3.3 EGR率對(duì)排放的影響

圖3-1 進(jìn)氣溫度對(duì)排放的影響

圖3-2 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)排放的影響

圖3-3 EGR率對(duì)排放的影響

EGR 對(duì) HCCI 著火和燃燒的影響是多方面的，依據(jù)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(xué)作用。充量加熱作用是指熱EGR氣體與冷的燃料/空氣進(jìn)氣混合氣混合時(shí)，由于EGR的加熱作用充量溫度將上升。

圖3-3為 EGR 率對(duì)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(dāng) EGR 增大到一定量時(shí)，出現(xiàn)失火燃燒惡化， CO 排放隨 EGR 的增大而增加。

而 NOX排放趨勢(shì)與之相反。

4.結(jié)論

應(yīng)用0-D單區(qū)HCCI燃燒模型耦合乙醇燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理對(duì)乙醇均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬研究?？疾榱巳紵吔鐥l件對(duì)乙醇燃料 HCCI 燃燒排放的影響，從研究中得到以下結(jié)論：

(1) 在定轉(zhuǎn)速相同過(guò)量空氣系數(shù)的條件下，隨著進(jìn)氣溫度的增加，缸內(nèi)燃燒壓力溫度升高，CO 排放降低，NOx 排放增加；

(2) 在定轉(zhuǎn)速相同進(jìn)氣溫度的條件下，隨λ的增加，缸內(nèi)燃燒壓力溫度降低，在大λ的工況下出現(xiàn)發(fā)生部分燃燒，CO 排放增加，NOx 排放降低；

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

[1] 蘇萬(wàn)華，趙華，王建昕等著.均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)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(guò)程的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)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.