PCCI柴油機(jī)燃用DMC和生物柴油的燃燒活性調(diào)節(jié)模擬研究

于奇松，梅德清，涂立志，岳珊，張登攀

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.上海FEV技術(shù)有限公司，上海 200336；3.南京金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

近年來(lái)，為了滿(mǎn)足嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了創(chuàng)新性的燃燒思想及模式，如均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火(Homogeneous Charge Compressed Ignition，HCCI)[1-2]。HCCI燃燒模式可以有效降低炭煙(soot)和氮氧化物(NOx)排放，但其燃燒速率和相位難以控制，稀混特性導(dǎo)致了運(yùn)行工況范圍窄[3]。而PCCI(Premixed Charge Compressed Ignition)燃燒模式則利用提前或滯后噴油等多階段噴射策略和大比例廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)等綜合手段來(lái)控制燃燒相位和燃燒速率[4-5]。如文獻(xiàn)[6]通過(guò)缸內(nèi)早噴實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)PCCI燃燒以減少soot生成，引入高EGR率降低缸內(nèi)燃燒反應(yīng)溫度以減少NOx生成，此外，還研究了高EGR率耦合燃油二次噴射的情況，發(fā)現(xiàn)這種燃燒模式下燃燒循環(huán)波動(dòng)改善，soot生成得到很好的抑制。

碳酸二甲酯作為一種非極性短碳鏈酯，其沸點(diǎn)和黏度均比柴油低，添加一定比例能使系統(tǒng)活性增加，有利于柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣形成[7-8]。大豆生物柴油是一種長(zhǎng)碳鏈酯，十六烷值和低熱值均比碳酸二甲酯高，但其揮發(fā)性差，不利于缸內(nèi)混合氣的形成[9]。目前對(duì)兩種含氧燃料的研究較多，但這些研究大都是基于傳統(tǒng)燃燒或是單種混合燃料進(jìn)行的[10-13]，針對(duì)分別摻混這兩種含氧燃料對(duì)PCCI柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的研究還很少，其具體化學(xué)作用機(jī)理對(duì)PCCI燃燒模式的影響仍有待揭示。

本研究在44%的高EGR率氛圍及低負(fù)荷工況下，采用“預(yù)噴+預(yù)噴+主噴”燃油噴射策略，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和三維模擬仿真的手段，從宏觀和微觀兩個(gè)方面研究了兩種混合燃料相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和相同含氧量情況下對(duì)PCCI燃燒混合氣形成和排放的影響，探究了PCCI燃燒模式中兩種含氧燃料中燃料氧對(duì)燃燒系統(tǒng)活性和排放物的化學(xué)作用機(jī)理。

1 計(jì)算模型構(gòu)建與驗(yàn)證

1.1 化學(xué)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型構(gòu)建

碳酸二甲酯(DMC)氧化反應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)理在胡二江等[15]提出的present模型基礎(chǔ)上構(gòu)建，該機(jī)理含275種組分和1 586個(gè)反應(yīng)。采用直接關(guān)系圖法對(duì)該機(jī)理進(jìn)行初步簡(jiǎn)化，運(yùn)用CHEMKIN-PRO軟件中的封閉均質(zhì)模型，初始溫度為1 000，1 250，1 500 K，當(dāng)量比為0.5，1和2，初始?jí)毫?，4，6 MPa，目標(biāo)參數(shù)設(shè)定為著火延遲期、C2H2摩爾濃度和CO摩爾濃度，誤差閾值為10%，得到包含69種組分和330個(gè)反應(yīng)的半詳細(xì)機(jī)理。

在溫度為1 200 K、壓力為1 MPa、當(dāng)量比為1的工況下進(jìn)行DMC氧化反應(yīng)路徑分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。以DMC為初始組分，去除與其相關(guān)的消耗比例較小的燃料分支組分coc*ooh和cjoc*ooh，留下其他對(duì)著火和燃燒比較重要的反應(yīng)，并且把這些反應(yīng)的重要生成物作為新的初始組分，接著刪掉反應(yīng)速率較小的反應(yīng)，直至最終產(chǎn)物為CO2和H2O。只進(jìn)行組分及基元反應(yīng)的縮減，不改動(dòng)半詳細(xì)機(jī)理中基元反應(yīng)的溫度指數(shù)、指前因子和活化能。圖1中反應(yīng)均作保留，最終得到53種組分、243個(gè)反應(yīng)的DMC簡(jiǎn)化機(jī)理。

圖1 DMC氧化反應(yīng)路徑圖

以Alexandrino[14]等在激波管上測(cè)量得到的DMC著火延遲期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照，在當(dāng)量比為0.5，1,2，初始?jí)毫? MPa和4 MPa，溫度為950～1 400 K的工況下進(jìn)行DMC簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)，圖2示出當(dāng)量比為1工況下通過(guò)DMC詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理獲得的著火延遲期與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果。由圖2可見(jiàn)，DMC簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)的著火延遲期和試驗(yàn)值最大誤差小于10%，當(dāng)量比為0.5和2的工況下預(yù)測(cè)結(jié)果類(lèi)似，故不作展示。

圖2 DMC詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)的著火延遲期和試驗(yàn)值的對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證DMC簡(jiǎn)化機(jī)理的可行性，采用Hu等[15]的DMC對(duì)沖火焰組分濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理作了驗(yàn)證，圖3示出壓力0.1 MPa工況下簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的DMC對(duì)沖燃燒火焰主要組分濃度與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，模擬預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值二者的整體趨勢(shì)較為一致。

圖3 DMC簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)的對(duì)沖火焰主要組分濃度和試驗(yàn)值的對(duì)比

柴油的燃燒氧化機(jī)理采用Converge軟件自帶的正庚烷(nC7H16)機(jī)理，該機(jī)理含42種組分、168個(gè)反應(yīng)。利用解耦法將DMC和正庚烷兩個(gè)機(jī)理合并，得到包含73種組分330個(gè)反應(yīng)的DMC-柴油機(jī)理。合并過(guò)程中DMC機(jī)理未作更改，只對(duì)正庚烷機(jī)理進(jìn)行著火延遲期驗(yàn)證[16]，當(dāng)量比為0.5，1和2，初始?jí)毫?.36 MPa和4.2 MPa，圖4僅示出當(dāng)量比為1工況下的結(jié)果。由圖4可知，該機(jī)理預(yù)測(cè)的正庚烷著火延遲期和試驗(yàn)值最大誤差小于10%，可進(jìn)行下一步研究。

圖4 DMC-柴油混合機(jī)理預(yù)測(cè)的著火延遲期和正庚烷試驗(yàn)值的對(duì)比

采用Bakali等[17]的正庚烷預(yù)混火焰組分濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)DMC-柴油混合機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，初始?jí)毫?.1 MPa，當(dāng)量比為1.9。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，該混合機(jī)理能對(duì)正庚烷預(yù)混火焰主要組分濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖5 DMC-柴油混合機(jī)理預(yù)測(cè)的預(yù)混火焰主要組分濃度和正庚烷試驗(yàn)值的對(duì)比

選用大豆生物柴油作為燃料，生物柴油-柴油的燃燒機(jī)理選用李軍成等[18]在正庚烷和癸酸甲酯(MD)氧化機(jī)理的基礎(chǔ)上構(gòu)建而成的Bio111機(jī)理，該機(jī)理已經(jīng)通過(guò)激波管試驗(yàn)、射流攪拌試驗(yàn)及柴油機(jī)燃燒試驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的預(yù)測(cè)能力。

1.2 缸內(nèi)燃燒仿真模型構(gòu)建

樣機(jī)是一臺(tái)由4缸Daimler OM646柴油機(jī)改裝的高壓共軌單缸柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。為了滿(mǎn)足歐Ⅴ及更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)樣機(jī)使用高壓共軌系統(tǒng)以靈活控制噴油次數(shù)和噴油脈寬，并在進(jìn)氣增壓的基礎(chǔ)上耦合高EGR率以實(shí)現(xiàn)柴油PCCI燃燒模式。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

目標(biāo)樣機(jī)的7孔噴油器安裝在氣缸中心軸線位置，且沿圓周方向均勻分布，在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，為了減少計(jì)算工作量，選用1/7模型進(jìn)行燃燒過(guò)程計(jì)算，利用Converge軟件建立仿真模型(見(jiàn)圖6)，相關(guān)計(jì)算模型選擇見(jiàn)表2。

圖6 燃燒室三維模型

表2 求解器數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算過(guò)程從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻開(kāi)始到排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻結(jié)束，即對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的變化為從-112°到116°(360°為壓縮行程上止點(diǎn)，定義壓縮行程上止點(diǎn)為0°，轉(zhuǎn)角為負(fù)表示上止點(diǎn)前，反之為正)。計(jì)算初始條件見(jiàn)表3，模擬計(jì)算的初始溫度、初始?jí)毫Α⒊跏既加蜏囟燃癊GR率基于試驗(yàn)獲得。采用1/7燃燒室模型進(jìn)行計(jì)算，將扇形體相對(duì)的切面作為循環(huán)邊界。氣缸壁、氣缸蓋和燃燒室頂部作為固定壁面，其溫度的初始參數(shù)設(shè)定基于經(jīng)驗(yàn)及平均溫度。

表3 初始條件及邊界條件

1.3 燃油噴射方案及模型驗(yàn)證

試驗(yàn)樣機(jī)所用燃油的理化性質(zhì)見(jiàn)表4。燃油噴射量對(duì)比見(jiàn)表5，選用正庚烷和癸酸甲酯的混合物作為大豆生物柴油的替代物，1 mol癸酸甲酯和0.98 mol正庚烷的熱值和1 mol大豆生物柴油熱值相同，且其平均分子式C17.86H37.68O2和大豆生物柴油分子式也較為接近。本研究為對(duì)比研究分別摻混相同組分和相同含氧量DMC及生物柴油對(duì)PCCI油機(jī)燃燒活性及排放的影響，設(shè)置了柴油、D10、B10和B48 4種燃料，其中B10燃料(摻混10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)大豆生物柴油)和D10燃料(摻混10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)DMC)摻混含氧燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，B48燃料(摻混48%質(zhì)量分?jǐn)?shù)大豆生物柴油)和D10燃料含氧量相同。試驗(yàn)樣機(jī)燃油噴射系統(tǒng)主要參數(shù)為第1段預(yù)噴、第2段預(yù)噴和主噴的噴油正時(shí)SOI-P1，SOI-P2及SOI-M，以及三段噴射對(duì)應(yīng)的噴油量Q1，Q2及QM。燃油噴射方案見(jiàn)表6，Case為柴油噴油方案，基于表5燃油噴射摩爾比，可得出D10，B10和B48燃料的噴油方案，分別為Case1，Case2和Case3。

表4 燃油理化性質(zhì)

表5 燃油噴射量對(duì)比

表6 燃油噴射方案

模擬工作在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 900 r/min、平均指示壓力0.44 MPa的工況下進(jìn)行，所用數(shù)據(jù)參照課題組前期工作[8]，實(shí)測(cè)壓力和瞬時(shí)放熱率與模擬計(jì)算的對(duì)比見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)缸壓及瞬時(shí)放熱率峰值較為一致，誤差小于5%，說(shuō)明建立的仿真模型可用于后續(xù)模擬研究。

圖7 缸壓、放熱率模擬值和試驗(yàn)值的對(duì)比

2 結(jié)果與分析

2.1 PCCI燃燒過(guò)程分析

圖8示出柴油、D10、B10和B48 4種燃料的缸壓和放熱率曲線。由圖8可見(jiàn)，4種燃料的缸壓及放熱率均呈現(xiàn)雙峰，D10燃料的缸壓曲線最早和柴油缸壓曲線分離，放熱最快且峰值最高。DMC雖然十六烷值比柴油低、滯燃期長(zhǎng)，但易揮發(fā)，有利于促進(jìn)混合氣的形成及后續(xù)燃燒。B10燃料的燃燒起點(diǎn)介于DMC和柴油之間，B48燃料的燃燒時(shí)刻則最為滯后，缸內(nèi)最高燃燒壓力和放熱率峰值均比柴油低，且隨摻混比例增加逐漸降低，這是因?yàn)槿加玫拇蠖股锊裼蜔嶂岛褪橹稻炔裼偷停艧嶂饾u延遲。

圖8 4種燃料的缸壓和放熱率曲線

圖9示出4種燃料的缸內(nèi)平均溫度曲線。由圖9可見(jiàn)，添加不同酯類(lèi)含氧燃料后缸內(nèi)平均溫度較柴油均有不同程度的降低，這是因?yàn)镈MC和生物柴油的熱值均比柴油低。D10燃料的溫度升高率最大，達(dá)到溫度峰值時(shí)刻最早，且由于DMC對(duì)燃燒有促進(jìn)作用，其峰值大小僅次于柴油，較B10燃料略高。結(jié)合表7可以看出，D10燃料著火到CA10(10%累計(jì)放熱率對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角)時(shí)刻縮短，燃燒持續(xù)期也變短，放熱中心CA50(50%累計(jì)放熱率對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角，表7中CA90為90%累計(jì)放熱率對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角)前移。添加生物柴油后霧化效果更差，影響混合氣形成，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，放熱中心CA50后移。

圖9 4種燃料的缸內(nèi)平均溫度曲線

表7 4種燃料的缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)

圖10示出4種燃料的OH，HO2和H2O2生成變化曲線。OH能有效促進(jìn)燃料裂解并釋放能量，決定了整個(gè)燃燒系統(tǒng)的氧化活性和反應(yīng)速率，在缸內(nèi)自由基中尤為重要。由圖可見(jiàn)，4種燃料OH、HO2及H2O2的生成時(shí)刻不同，柴油最早，D10和B10生成時(shí)刻相差不大，B48燃料最遲，這與滯燃期較為一致。在-19°附近，即第二段燃油噴入時(shí)刻，HO2和H2O2幾乎同時(shí)生成，標(biāo)志著低溫反應(yīng)開(kāi)始，燃料分子氧化后生成HO2，脫氫后繼而生成H2O2。當(dāng)溫度升高至1 150 ℃左右，H2O2快速裂解為大量OH，燃料氧化反應(yīng)速度加快，反應(yīng)體系溫度迅速上升。4種燃料OH、HO2及H2O2的生成量也不同，柴油OH累積量峰值最小，B48燃料OH累積量峰值最高。D10和B10燃料OH累積量峰值均高于柴油，而D10燃料由于其較好的揮發(fā)性，初始階段放熱較快，OH達(dá)到峰值的時(shí)刻最早，但OH峰值比B10燃料略低，具體原因可結(jié)合混合燃料交叉反應(yīng)路徑分析。

圖10 4種燃料OH，HO2和H2O2生成變化曲線

圖12示出4種燃料燃空當(dāng)量比、溫度、OH和H2O2的缸內(nèi)分布云圖。選取CA10，CA50，CA90 3個(gè)典型放熱率時(shí)刻進(jìn)行分析。由圖12可見(jiàn)，高溫區(qū)域和OH濃區(qū)有較好的一致性，主要集中在燃空當(dāng)量比濃區(qū)，因而溫度主要受OH自由基濃度影響。在燃燒初期，缸內(nèi)高溫區(qū)域主要集中在當(dāng)量比及OH濃度較高的燃燒室底部區(qū)域，此刻大量的H2O2在燃燒室凹坑生成。在CA50時(shí)刻，混合氣隨著缸內(nèi)擠流運(yùn)動(dòng)迅速擴(kuò)散，大量H2O2轉(zhuǎn)化為OH，反應(yīng)體系活性迅速升高，缸內(nèi)溫度隨著燃燒反應(yīng)迅速上升。在燃燒核心區(qū)域，B10和B48的局部高溫區(qū)域要高于柴油，結(jié)合圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，添加生物柴油后燃料體系氧含量增加，大量氧集中在局部區(qū)域，使得缸內(nèi)局部活性較高，但由于生物柴油揮發(fā)性差，使得可燃混合氣分布范圍縮小，燃燒區(qū)域變小。而DMC揮發(fā)性比生物柴油好，有利于促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的形成及燃燒，添加DMC后可燃混合氣分布范圍擴(kuò)大，整個(gè)系統(tǒng)活性提高。在燃燒后期，隨著缸內(nèi)膨脹過(guò)程的進(jìn)行，混合氣迅速擴(kuò)散，油氣混合情況改善，高溫區(qū)域擴(kuò)大，此刻H2O2已基本分解為OH，僅燃燒室頂部還殘留少部分。

圖11 DMC-柴油和生物柴油-柴油兩種混合燃料體系中低溫下關(guān)于OH的反應(yīng)流分析示意

圖12 4種燃料燃空當(dāng)量比、溫度、OH和H2O2的缸內(nèi)分布云圖

在燃燒初期，缸內(nèi)溫度較低，NOx和soot排放生成量可忽略不計(jì)。在CA50時(shí)刻和燃燒后期，NOx生成并隨高溫區(qū)域擴(kuò)散，主要分布在缸內(nèi)中上部，即高溫但當(dāng)量比較低的區(qū)域，soot開(kāi)始生成在燃燒室底部區(qū)域，并擴(kuò)散至燃燒室中上部，主要分布在高溫且當(dāng)量比較高的區(qū)域。

2.2 有害排放物生成特性

圖13示出4種燃料缸內(nèi)NOx生成質(zhì)量變化情況。NOx排放主要包含NO2，N2O及NO 3種氮氧化物，由圖13可以看出，同一種含氧燃料下，3種氮氧化物生成時(shí)刻和滯燃期較為一致，NO2和NO生成量相對(duì)較多，為主要NOx生成物。D10燃料的缸內(nèi)平均溫度和柴油缸內(nèi)平均溫度相差不大，B10則略低。雖然B10燃料的OH累積量較D10燃料高，但其N(xiāo)Ox排放低于D10燃料，可見(jiàn)溫度對(duì)NOx排放起主要作用。從圖12中CA50時(shí)刻云圖可以看出，B10和B48燃料局部溫度較柴油高，造成添加生物柴油后NOx生成量升高。D10，B10和B48燃料的NOx排放較柴油分別升高了6.2%，5.3%和8.1%，因此DMC對(duì)NOx生成的促進(jìn)作用要高于生物柴油。

圖13 4種燃料缸內(nèi)NOx生成質(zhì)量變化情況

圖14 4種燃料缸內(nèi)soot生成質(zhì)量變化情況

3 結(jié)論

a)應(yīng)用CHEMKIN-PRO軟件，采用DRG及反應(yīng)路徑分析簡(jiǎn)化方法對(duì)DMC機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到一個(gè)包含53種組分243個(gè)反應(yīng)的DMC簡(jiǎn)化機(jī)理，經(jīng)驗(yàn)證合理后將該機(jī)理和正庚烷機(jī)理合并，得到一個(gè)包含75種組分311個(gè)反應(yīng)的DMC-柴油混合機(jī)理，結(jié)果表明該混合機(jī)理具有良好的預(yù)測(cè)性；

b)應(yīng)用Converge軟件，耦合DMC-柴油混合機(jī)理和生物柴油-柴油混合機(jī)理，研究DMC和生物柴油兩種酯類(lèi)燃料對(duì)采用“預(yù)噴+預(yù)噴+主噴”噴油策略的PCCI柴油機(jī)燃燒排放的影響；添加DMC對(duì)燃燒有促進(jìn)作用，著火到CA10時(shí)刻縮短，燃燒持續(xù)期也隨之變短，放熱中心CA50前移，而添加生物柴油后則相反；D10，B10和B48燃料的NOx排放較柴油分別升高了6.2%，5.3%和8.1%，soot排放較純柴油分別降低了58.1%，23.5%和68.4%；

c)添加含氧燃料后反應(yīng)系統(tǒng)活性增加，添加10%DMC對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)活性的增加作用體現(xiàn)在整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)中，OH生成量較B10燃料少，燃空當(dāng)量比濃區(qū)減少，油氣擴(kuò)散情況較好，而添加10%生物柴油則僅體現(xiàn)在局部區(qū)域中，OH生成量較D10燃料多，燃空當(dāng)量比濃區(qū)及局部高溫區(qū)域增加，且隨摻混量增加而增加，但可燃混合氣區(qū)域縮?。籒Ox主要分布在缸內(nèi)中上部，即高溫但當(dāng)量比較低的區(qū)域，soot開(kāi)始生成在燃燒室底部區(qū)域，并擴(kuò)散至燃燒室中上部，主要分布高溫且當(dāng)量比較高的區(qū)域。