特定物性參數(shù)車用催化器排放特性模擬仿真*

張文 焦鵬昊

（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

國(guó)Ⅵ排放法規(guī)已在全國(guó)范圍內(nèi)逐步推進(jìn)實(shí)施。國(guó)Ⅵ排放法規(guī)對(duì)所有點(diǎn)燃式和壓燃式汽車各種污染物的排放限值都提出了更高要求。因此柴油車和汽油車都面臨著更加嚴(yán)格的污染物控制壓力。大量研究表明，壁流式顆粒捕集器目前是車用催化器中減少重點(diǎn)監(jiān)測(cè)排放物的有效手段之一，因此對(duì)采用壁流式濾芯的車用催化器的研究是目前相關(guān)工作的重點(diǎn)。文章分別通過對(duì)比M0、M10（即醇類的體積摻混比為0%、10%的燃料，下同）的CO 和NOx的模擬數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)建立的新型車用醇基汽油合成燃料的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，利用經(jīng)過驗(yàn)證的機(jī)理和模型，設(shè)置相應(yīng)邊界條件和初始條件，對(duì)純汽油M0、新型車用醇基汽油合成燃料 M30 和 M50 的 THC，CO，NOx的排放進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的選用與驗(yàn)證

根據(jù)車用醇基汽油合成燃料的成分組成，其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理由甲醇氧化機(jī)理[1-2]和異辛烷氧化機(jī)理[3-4]混合而成，包括33 種組分，59 個(gè)反應(yīng)。主要反應(yīng)途徑，如圖1所示。

圖1 車用醇基汽油合成燃料的反應(yīng)途徑

為驗(yàn)證此簡(jiǎn)化機(jī)理的合理性與正確性，利用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN 中的Closed Internal Combustion Engine Simulator 模塊，研究分別采用M0 與M10 燃料時(shí)CO 和NOx排放模擬值與試驗(yàn)值[5-6]的對(duì)比。車用催化劑物性參數(shù)孔密度為400 cpsi，進(jìn)口氣體質(zhì)量流量為20 g/s，模型參數(shù)條件設(shè)置如下：缸徑為73 mm，行程為 89.4 mm，壓縮比為 10.2，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，負(fù)荷為 0.3 MPa。

圖2示出隨著空燃比的變化，CO 排放試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比示意圖。由圖2可知，試驗(yàn)值中M0 與M10 2 種燃料燃燒下的CO 模擬排放值比試驗(yàn)排放值略低，最大相對(duì)誤差在4.8%左右，變化趨勢(shì)吻合較好。

圖2 CO 排放的模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨空燃比的變化關(guān)系

圖3示出NOx排放試驗(yàn)值與模擬值隨空燃比變化的對(duì)比。由圖3可知，M0 與M10 2 種燃料燃燒下的NOx模擬排放值與試驗(yàn)排放值的最大相對(duì)誤差均在5%左右，變化趨勢(shì)吻合較好。

圖3 NOx 排放的模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨空燃比的變化關(guān)系

綜合對(duì)比2 種摻混比（M0 和M10）下CO 和NOx排放的模擬值與試驗(yàn)值的變化情況，可見模擬計(jì)算選用的新型車用醇基汽油合成燃料燃燒機(jī)理與計(jì)算模型均能較為真實(shí)準(zhǔn)確地描述燃燒排放物的變化情況，可以用來進(jìn)行進(jìn)一步的排放物模擬計(jì)算和分析。

2 燃燒排放物的模擬研究

采用選中的機(jī)理和模型，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件：進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，進(jìn)氣溫度為30 ℃，排氣壓力為0.1 MPa；初始條件：排氣門開時(shí)缸內(nèi)壓力為0.5 MPa、缸內(nèi)溫度為750 ℃。分析M0，M30，M50 的排放性能情況并加以對(duì)比。

圖4示出在空燃比為14.7、負(fù)荷為0.3 MPa 時(shí)，THC 隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。從圖4可以看出，3 種燃料的THC 排放值隨轉(zhuǎn)速的增大而逐漸降低，在轉(zhuǎn)速達(dá)到2 400 r/min 后基本保持不變，也就是說轉(zhuǎn)速在達(dá)到2 400 r/min 以后，THC 的排放基本不受轉(zhuǎn)速增大的影響。從模擬結(jié)果還可以看出，隨著醇基燃料摻混比例的增大，THC 排放值下降。在使用摻混比為50%的醇基燃料時(shí)，僅從THC 來說，已經(jīng)比純汽油M0 降低了將近50%，因此可以說隨著摻混比的增加，相同工況下的THC 排放值逐漸降低，不僅如此，THC 排放值隨著轉(zhuǎn)速的增大而下降的趨勢(shì)也隨著醇基燃料比例的提高而變得緩慢。

圖4 3 種燃料燃燒排放的THC 隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

圖5示出轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，空燃比為14.7 時(shí)，THC 排放隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)。從圖5可以看出，隨著負(fù)荷的增大，THC 排放值大幅度急劇降低，且隨著新型車用醇基汽油合成燃料中醇基燃料摻混比的增加，THC排放值隨負(fù)荷增大而下降的斜率逐漸變緩，M50 的THC 排放曲線斜率降低至M0 斜率的40%左右，全負(fù)荷時(shí)M50 燃料的THC 排放值已經(jīng)降至M0 的1/4 左右，其THC 排放降低的效果十分明顯。

圖5 3 種燃料燃燒排放的THC 隨負(fù)荷的變化關(guān)系

圖6示出空燃比為14.7，負(fù)荷為0.3 MPa 時(shí)，CO隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。從圖6可以看出：CO 的排放量在1 600～2 000 r/min 的轉(zhuǎn)速區(qū)間緩慢降低，在2 000 r/min以后則迅速下降，高轉(zhuǎn)速時(shí)CO 降低效果更加明顯；轉(zhuǎn)速達(dá)到3 200 r/min 時(shí)，M50 的CO 排放值已經(jīng)僅為M0燃料的1/3，為M30 的1/2，CO 排放降低十分明顯。

圖6 3 種燃料燃燒排放的CO 隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

圖7示出轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，空燃比為14.7 時(shí)，CO 隨負(fù)荷變化的趨勢(shì)。由圖7可見：在轉(zhuǎn)速固定而增大負(fù)荷的情況下，M0 的CO 排放值隨負(fù)荷的增大而略有降低，但隨著醇基燃料摻混比例的增大，這一降低趨勢(shì)變得越加不明顯；同時(shí)，同一負(fù)荷下，隨著摻混比例的增大，CO 排放降低明顯，如負(fù)荷為0.5 MPa 時(shí)，隨著摻混比例的增大，CO 排放值由M0 的36 800×10-6下降為 M30 的 29 000×10-6和 M50 的 21 000×10-6，可見，同負(fù)荷條件下隨著摻混比例的增大，CO 排放下降明顯。

圖7 3 種燃料燃燒排放的CO 隨負(fù)荷的變化關(guān)系

圖8和圖9分別示出空燃比為14.7，負(fù)荷為0.3 MPa時(shí)，NOx排放值隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)以及轉(zhuǎn)速為2000r/min、空燃比為14.7 時(shí)，NOx排放值隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)。

圖8 3 種燃料燃燒排放的NOx 隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

圖9 3 種燃料燃燒排放的NOx 隨負(fù)荷的變化關(guān)系

從圖8可以看出，M50 的NOx排放值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M0 以及 M30 的 NOx排放值，如轉(zhuǎn)速在 3 200 r/min 時(shí)，隨著摻混比例的增大，NOx排放值由M0 的500×10-6增加到 M30 的550×10-6和 M50 的680×10-6；從圖9可以看出，負(fù)荷為0.7 MPa 時(shí)，隨著摻混比例的增大，NOx排放值由 M0 的 950×10-6猛增為 M30 的 1 450×10-6和 M50 的 3 150×10-6。這是因?yàn)?NO 是發(fā)動(dòng)機(jī)排放物NOx中的主要成分，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣中的N2是其主要生成來源，高溫、富氧和持續(xù)高溫的時(shí)間是影響其生成的3 個(gè)主要因素。隨著溫度的增加，NO 的產(chǎn)生呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)型的急劇增加，而NO 的產(chǎn)生量也隨著混合氣中氧的體積分?jǐn)?shù)的提高而增加，并且隨著高溫持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，NO 反應(yīng)生成有了充足的時(shí)間，NOx的生成增加。醇基燃料為含氧燃料，而汽油中基本上不含氧，醇基燃料氧的體積分?jǐn)?shù)大的因素促進(jìn)NOx生成。從圖9中分析可知，低負(fù)荷時(shí)，由于醇基燃料的汽化潛熱比汽油大很多，在噴射霧化和在氣缸內(nèi)蒸發(fā)霧化時(shí)，新型車用醇基汽油合成燃料吸收大量的汽化潛熱，缸內(nèi)溫度幅度降低較大，而且由于氧含量的存在，使得醇基燃料具有較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，加快了混合燃料的燃燒速度，減少了燃料燃燒期間發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的高溫持續(xù)時(shí)間，所以在低負(fù)荷時(shí)，雖然新型車用醇基汽油合成燃料中氧的體積分?jǐn)?shù)高，但是與純汽油相比相差不多；當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷分別提高后，氣缸內(nèi)溫度較高，燃料的富氧使得NOx迅速增加。

3 結(jié)論

文章以特定物性參數(shù)的車用催化器為研究對(duì)象，以 92#純汽油（M0）為基準(zhǔn)，對(duì) M0，M10，M30，M50 燃料的原機(jī)常規(guī)排放物進(jìn)行了模擬研究，分析了4 種燃料的原機(jī)常規(guī)排放物隨空燃比、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化的關(guān)系，通過模擬計(jì)算得出：

1）選用的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和計(jì)算模型能夠較為真實(shí)準(zhǔn)確地反映燃燒排放的變化情況，可以用于文章的排放物模擬計(jì)算。

2）隨著轉(zhuǎn)速的增加，M0，M30，M50 的 THC 排放值逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2 400 r/min 后，THC 排放值基本保持不變；隨著負(fù)荷的增大，M0，M30，M50 的 THC 排放值大幅降低。M0，M30，M50 的 CO 排放值在轉(zhuǎn)速?gòu)? 600 r/min 增加到2 000 r/min 的過程中緩慢降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2 000 r/min 后，THC 排放降低幅度明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，M0，M30，M50 的 CO 排放值略有降低，但變化不明顯；隨醇基燃料摻混比的增加，CO 排放值降低明顯。M0，M30，M50 的 NOx排放值隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加均有所升高，并且隨著醇基燃料摻混比例的增加，M0，M30，M50 的 NOx排放值均呈上升趨勢(shì)。以上研究為今后對(duì)醇基燃料進(jìn)一步深入的研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)，有利于改善燃料的排放性能。