乙醇均質壓縮燃燒的數(shù)值模擬研究

肖 雪

江蘇大學汽車與交通工程學院

乙醇均質壓縮燃燒的數(shù)值模擬研究

肖 雪

江蘇大學汽車與交通工程學院

1.引言

HCCI燃燒方式是新型的機內凈化技術，可以同時降低顆粒物和NOx 排放。HCCI 發(fā)動機綜合了汽油機和柴油機的特點，形成均質混合氣并壓縮著火。其燃燒方式是多點同時著火，燃料的著火和燃燒只受燃料氧化反應的化學反應動力學控制[1]， 并且可以保持較高的燃料經濟性。

乙醇作為可再生含氧燃料，具有辛烷值高、抗爆性好等特點。研究表明乙醇是實現(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壓縮燃燒進行數(shù)值模擬研究，著重探究燃燒邊界條件對乙醇HCCI燃燒排放的影響。

2.計算模型

目前，HCCI 燃燒由化學反應動力學主導的觀點已普遍被人們接受[3]。本文研究采用氣相化學和等離子體動力學的軟件CHEMKIN，它可以解決帶有化學反應的流動問題，是燃燒領域中普遍使用的一個模擬計算工具[4]。本研究中使用的燃料是乙醇，乙醇燃燒的化學動力學機理和熱力學數(shù)據(jù)采用了美國 Lawrence Livermore 國家實驗室公布的數(shù)據(jù)[5]。

3.計算結果及分析

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

用已得到驗證的0-D單區(qū)HCCI計算模型對乙醇均質壓燃發(fā)動機進行模擬研究，主要分析進氣溫度、過量空氣系數(shù)以及EGR率等邊界條件對乙醇HCCI燃燒排放的影響。

3.1 進氣溫度對排放的影響

（見圖3-1）乙醇 HCCI 發(fā)動機著火燃燒后，隨著進氣溫的增加，缸內溫度、壓力升高，乙醇燃燒更加完全。隨著進氣溫的增加，CO排放降低：465K時剛剛著火CO排放高，當進氣溫度增加到 483K后，CO氧化較為完全，CO排放基本保持低水平不變。缸內NOX排放趨勢與CO排放趨勢正好相反。隨著進氣溫度的增加，缸內最高燃燒壓力不斷增高，有利于富氧條件下NOX的生成。

3.2 過量空氣系數(shù)對排放的影響

圖 3-2 所示為 n＝1200r/min、進氣溫度 T=493K 時，過量空氣系數(shù)λ對排放的影響。隨λ的增加，乙醇 HCCI 燃燒反應反應速率降低、壓力和缸內溫度下降，NOX生成總量降低；CO 則是先降后升，在λ=5 時達到最低值，這是因為隨λ的增加，燃燒逐漸改善所以 CO排放降低，但λ過大時，出現(xiàn)不完全燃燒排放惡化。

3.3 EGR率對排放的影響

圖3-1 進氣溫度對排放的影響

圖3-2 過量空氣系數(shù)對排放的影響

圖3-3 EGR率對排放的影響

EGR 對 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、化學作用。充量加熱作用是指熱EGR氣體與冷的燃料/空氣進氣混合氣混合時，由于EGR的加熱作用充量溫度將上升。

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

而 NOX排放趨勢與之相反。

4.結論

應用0-D單區(qū)HCCI燃燒模型耦合乙醇燃燒化學動力學機理對乙醇均質壓燃發(fā)動機進行了模擬研究。考查了燃燒邊界條件對乙醇燃料 HCCI 燃燒排放的影響，從研究中得到以下結論：

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

(2) 在定轉速相同進氣溫度的條件下，隨λ的增加，缸內燃燒壓力溫度降低，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 率對排放的影響：在λ＜3.2的工況下，加入 EGR 可以抑制爆震實現(xiàn) HCCI 燃燒，但隨著 EGR 率的增大，缸內燃燒壓力溫度降低，CO 排放增加，NOx 排放降低。

[1] 蘇萬華，趙華，王建昕等著.均質壓燃低溫燃燒發(fā)動機理論與技術[M].北京：科學出版社，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 燃燒過程的數(shù)值模擬及試驗研究[J].內燃機工程，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.