基于Chemkin的甲烷HCCI燃燒模擬研究

陳志方，常耀紅

Chen Zhifang，Chang Yaohong

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009）

0 引言

隨著經濟的發展和汽車保有量的增加，給社會帶來了一系列的能源與環境問題，對于內燃機工作者來說，尋找新的燃燒方式與可替代燃料成為日益緊迫的任務。

均質壓縮燃燒（HCCI）是一種全新的發動機燃燒方式。其主要特點是在整個燃燒室內進行同步壓縮點燃，沒有火焰傳播過程。這種燃燒方式既具有傳統柴油機燃料利用率高的特點，又具有傳統汽油機有害排放低的特點。在降低油耗和排放方面有巨大的潛力[1]。HCCI發動機的燃燒溫度低，能大幅降低氮氧化物（NOX）排放，且由于燃燒持續期短，大部分的燃燒發生在上止點附近，提高了發動機的熱效率[2]；我國天然氣（主要成分是甲烷）儲量相對豐富，甲烷的辛烷值高，具有很高的抗爆性能，有利于提高壓縮比。同時甲烷燃燒產生的有害排放少，可以實現清潔燃燒[3]。因此，甲烷作為可替代燃料受到越來越多的關注。

缸內燃燒工況與發動機參數有很大的關系，這就需要尋求合適的參數以優化發動機的燃燒。文中模擬了甲烷HCCI燃燒的過程，研究了各個參數對發動機的影響，力求找到最優化的方案，以實現發動機動力性、經濟性和排放的最優化。

1 模型建立

基于化學反應模擬軟件Chemkin，模擬HCCI條件下甲烷的燃燒特性。

1.1 反應機理

為研究甲烷HCCI燃燒的NOX排放，在甲烷燃燒機理的基礎上，添加了NOX的生成機理，構成了新的甲烷燃燒機理。文中涉及的機理由96種組分和396個化學反應組成。

1.2 C he mkin程序模型

利用Chemkin軟件研究如氣缸這樣的封閉系統時，需要先根據熱力學定律寫出能量守恒方程。方程中的變量可以直接從Chemkin求解器中得到，通過求解常微分方程的一般方法來求解能量方程。

文中的模擬研究采用九區無質量交換模型。在此模型中，各區間的相互作用只有通過體積做功才能得到，通過將熱力學第一定律Q-W=Δ U和理想氣體狀態方程P V=m R T結合起來，將每一區域的控制方程可以寫成公式（1）的形式：

其中，下標i為區域，j為各區域的化學物質。n和k分別為區域和化學物質的總數，CP和Rˉ分別為恒壓條件下各區的平均比熱容和平均氣體常數，T、ρ，m和Qhli分別為各區的溫度、密度、質量和熱量損失速率，u、ω和M是每種化學物質的內能、摩爾產率和分子量，V為發動機氣缸總容積，t為時間。

不考慮各區間的質量交換，燃燒室和氣缸壁的熱交換可以由熱交換方程求得。

其中，T為氣缸內的平均溫度，TW為氣缸壁的溫度，A為表面積，hc為可由Woschni方程得到的熱交換系數。

1.3 幾何模型

理論上缸內幾何模型區域劃分越多，內燃機燃燒特性與排放的模擬結果越接近實際情況，但是會直接導致模擬時間變得冗長[3]。根據發動機缸內溫度和組分的差異，建立九區模型進行模擬；設定每一區的質量恒定，各區域之間的相互作用僅有體積功。幾何模型如圖1所示，1區為罅隙區；2區為邊界層區；3區為外核心區；4～9區為內核心區。

模擬所用發動機的參數如表1所示。

表1 模擬發動機基本參數

2 模擬結果及分析

2.1 進氣壓力的影響

保持其它參數不變，將進氣壓力分別設置為110 kPa （1.1 bar），130 kPa （1.3 bar），150 kPa（1.5 bar）。

由圖2（a）可以看出，隨著進氣壓力的增加，放熱率變化不大，但燃燒始點有所提前。例如，進氣壓力為130 kPa時的著火時刻要比進氣壓力為110 kPa時的著火時刻提前1.2°，但比150 kPa時延遲了1.3°曲軸轉角。從圖2（b）可以看出，進氣壓力對缸內壓力的影響較大。隨著進氣壓力的增加，缸內壓力峰值顯著增加，這對發動機強度造成影響[4]。

與缸內壓力變化不同，缸內的溫度沒有受到進氣壓力的顯著影響，溫度峰值基本維持不變。如圖2（d）所示，隨進氣壓力的增加，受溫度影響較大的NO排放也保持在一定的數量級范圍內，變化不大。由此可見，增壓對HCCI發動機是一項十分具有吸引力的措施[5]，但是進氣壓力的提高幅度受發動機機械強度的限制。

2.2 進氣溫度的影響

保持其它參數不變，進氣溫度分別設置為530 K，550 K，570 K。

圖3（a）顯示了不同進氣溫度下缸內放熱率變化，從圖中可以看出，隨著進氣溫度的增加，放熱率逐漸增大。從3（b）中看出，隨著進氣溫度的增加，滯燃期縮短，燃燒提前。進氣溫度每增加20 K，著火時刻提前約4°。另外，缸內溫度也隨著進氣溫度的增加而升高。例如，進氣溫度為570 K時缸內溫度高于1 800 K，比進氣溫度為530 K時增加了近90 K。

從圖3（c）看出，隨進氣溫度的增加，滯燃期明顯縮短，但缸內峰值壓力有所降低。峰值壓力減小的原因可能是由于初始進氣溫度為570 K和550 K時，著火發生在上止點前，此時缸內的溫度和壓力都不是太高，壓力增加相對較小，當初始溫度為530 K時，燃燒發生在上止點附近，造成缸內壓力增加較大。在排放方面，因為當進氣溫度為570 K時，缸內最高溫度大于1 800 K，此時NO生成加速，造成570 K時NO曲線急劇上升，如圖 3（d）所示。

2.3 壓縮比的影響

保持其它參數不變，將壓縮比分別設置為12，13.5 和 15。

從圖4（a）可以看出，提高壓縮比可使著火始點提前，燃燒持續期變短。但是，隨著壓縮比的增大，著火始點的提前幅度逐漸變小。另外，隨著壓縮比的增大，放熱率增大，熱效率也有所提高。因此，在不同的工況下，可以通過調節壓縮比來控制著火時刻。

隨著壓縮比的增加，缸內的最高溫度和壓力也隨之增加，尤其是壓力升高明顯。壓縮比為15時，缸內最高溫度超過1800 K，NO排放較多。但是，相比傳統發動機，其NO排量依然很低。壓縮比對HCCI正常燃燒有重要作用，但壓縮比過高，會造成燃燒惡化，NO排放增加。因此必須選定合適的壓縮比，以保證甲烷實現高效、低污染的HCCI燃燒方式。

2.4 燃空當量比的影響

保持其它參數不變，分別將燃空當量比設置為 0.25，0.30 和 0.35。

由圖5（a）可以看出，隨著燃空當量比的增大，混合氣濃度增加，放熱率顯著增大，但著火時刻有所延遲。這是由于隨著燃空當量比的增加，空氣在混合氣中所占的比例變小，混合氣的平均比熱增大，壓縮過程中溫度上升慢，造成著火延遲。

隨著燃空當量比的增加，缸內最高溫度、壓力顯著增加，這與混合氣濃度增大、放熱增多有關。從圖5（b）和圖5（d）可以看出，當燃空當量比為0.25和0.30時，缸內最高溫度均低于1 800 K，NO排放較少；當燃空當量比為0.35時，缸內溫度高于1 800 K，NO排放顯著增加。由此可見，燃空當量比對NO排放起著至關重要的作用。因此，甲烷實施HCCI燃燒方式時，需要選擇合適的當量比，以保證發動機的工作和排放要求。

3 結論

基于化學反應模擬軟件Chemkin，引入包含NOX生成機理的甲烷氧化詳細化學反應機理，模擬研究了甲烷HCCI燃燒過程。研究結論如下：

（1）提高進氣壓力，會導致HCCI發動機著火提前，缸內壓力升高明顯，而缸內溫度和NO排放的變化不大。因此，增壓對甲烷HCCI發動機是一項十分具有吸引力的措施，但要考慮發動機設計中的強度要求。

（2）增加進氣溫度可以提高甲烷HCCI燃燒的效率，造成著火提前，同時也會提高缸內溫度和壓力。但是進氣溫度過高會造成缸內峰值燃燒溫度高于1 800 K，導致NO排放升高。因此，在不同工況下要選擇合適的進氣溫度，以保證發動機的動力性和排放性。

（3）增大壓縮比也可提高燃燒效率，增加缸內溫度。但增大壓縮比會造成峰值壓力急劇升高，給發動機強度帶來挑戰。因此，在保證排放的前提下，需要在不同工況下選擇合適的壓縮比。

（4）適當的燃空當量比能夠使著火延遲，燃燒效率增大。不過，增加燃空當量比容易造成缸內溫度過高，NO排放增加，因此在使用大燃空當量比時，需要采取適當措施來降低缸內溫度，以減少NO排放。

［1］蘇萬華，趙華，王建昕.均質壓燃低溫燃燒發動機理論與技術［M］.北京：科學出版社，2010.

［2］趙志國，王生昌，劉曉亮.均質充氣壓縮點燃（HCCI）技術及其在汽油機上的應用［J］.北京汽車，2008.

［3］周龍保.內燃機學（第二版）［M］.北京機械工業出版社，2005.

［4］黎幸榮，左承基.基于Chemkin的二甲醚HCCI燃燒模擬［C］.中國內燃機學會第七屆學術年會論文集，2007.10.

［5］Shadi Gharahbaghi,Trevor S.Wilson,Hongming Xu,Simon Cryan,Steve Richardson,Miroslaw L.Wyszynski,Jacek Misztal.Modelling and Experimental Investigations of Supercharged HCCI Engines[C].SAE Paper 2006-01-0634,2006.