特定物性參數車用催化器排放特性模擬仿真*

張文 焦鵬昊

（天津電子信息職業技術學院）

國Ⅵ排放法規已在全國范圍內逐步推進實施。國Ⅵ排放法規對所有點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監測排放物的有效手段之一，因此對采用壁流式濾芯的車用催化器的研究是目前相關工作的重點。文章分別通過對比M0、M10（即醇類的體積摻混比為0%、10%的燃料，下同）的CO 和NOx的模擬數據和試驗數據，對建立的新型車用醇基汽油合成燃料的化學反應動力學模型和反應機理進行驗證，利用經過驗證的機理和模型，設置相應邊界條件和初始條件，對純汽油M0、新型車用醇基汽油合成燃料 M30 和 M50 的 THC，CO，NOx的排放進行了數值模擬，并對模擬數據進行分析。

1 反應動力學機理的選用與驗證

根據車用醇基汽油合成燃料的成分組成，其化學反應動力學機理由甲醇氧化機理[1-2]和異辛烷氧化機理[3-4]混合而成，包括33 種組分，59 個反應。主要反應途徑，如圖1所示。

圖1 車用醇基汽油合成燃料的反應途徑

為驗證此簡化機理的合理性與正確性，利用化學反應動力學軟件CHEMKIN 中的Closed Internal Combustion Engine Simulator 模塊，研究分別采用M0 與M10 燃料時CO 和NOx排放模擬值與試驗值[5-6]的對比。車用催化劑物性參數孔密度為400 cpsi，進口氣體質量流量為20 g/s，模型參數條件設置如下：缸徑為73 mm，行程為 89.4 mm，壓縮比為 10.2，轉速為2 000 r/min，負荷為 0.3 MPa。

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

圖2 CO 排放的模擬與試驗數據隨空燃比的變化關系

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

圖3 NOx 排放的模擬與試驗數據隨空燃比的變化關系

綜合對比2 種摻混比（M0 和M10）下CO 和NOx排放的模擬值與試驗值的變化情況，可見模擬計算選用的新型車用醇基汽油合成燃料燃燒機理與計算模型均能較為真實準確地描述燃燒排放物的變化情況，可以用來進行進一步的排放物模擬計算和分析。

2 燃燒排放物的模擬研究

采用選中的機理和模型，設置相應的邊界條件：進氣壓力為0.1 MPa，進氣溫度為30 ℃，排氣壓力為0.1 MPa；初始條件：排氣門開時缸內壓力為0.5 MPa、缸內溫度為750 ℃。分析M0，M30，M50 的排放性能情況并加以對比。

圖4示出在空燃比為14.7、負荷為0.3 MPa 時，THC 隨轉速的變化趨勢。從圖4可以看出，3 種燃料的THC 排放值隨轉速的增大而逐漸降低，在轉速達到2 400 r/min 后基本保持不變，也就是說轉速在達到2 400 r/min 以后，THC 的排放基本不受轉速增大的影響。從模擬結果還可以看出，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，僅從THC 來說，已經比純汽油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 排放值隨著轉速的增大而下降的趨勢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 隨轉速的變化關系

圖5示出轉速為2 000 r/min，空燃比為14.7 時，THC 排放隨負荷的變化趨勢。從圖5可以看出，隨著負荷的增大，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，全負荷時M50 燃料的THC 排放值已經降至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 隨負荷的變化關系

圖6示出空燃比為14.7，負荷為0.3 MPa 時，CO隨轉速的變化趨勢。從圖6可以看出：CO 的排放量在1 600～2 000 r/min 的轉速區間緩慢降低，在2 000 r/min以后則迅速下降，高轉速時CO 降低效果更加明顯；轉速達到3 200 r/min 時，M50 的CO 排放值已經僅為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 隨轉速的變化關系

圖7示出轉速為2 000 r/min，空燃比為14.7 時，CO 隨負荷變化的趨勢。由圖7可見：在轉速固定而增大負荷的情況下，M0 的CO 排放值隨負荷的增大而略有降低，但隨著醇基燃料摻混比例的增大，這一降低趨勢變得越加不明顯；同時，同一負荷下，隨著摻混比例的增大，CO 排放降低明顯，如負荷為0.5 MPa 時，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 隨負荷的變化關系

圖8和圖9分別示出空燃比為14.7，負荷為0.3 MPa時，NOx排放值隨轉速的變化趨勢以及轉速為2000r/min、空燃比為14.7 時，NOx排放值隨負荷的變化趨勢。

圖8 3 種燃料燃燒排放的NOx 隨轉速的變化關系

圖9 3 種燃料燃燒排放的NOx 隨負荷的變化關系

從圖8可以看出，M50 的NOx排放值要遠遠大于M0 以及 M30 的 NOx排放值，如轉速在 3 200 r/min 時，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，負荷為0.7 MPa 時，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。這是因為 NO 是發動機排放物NOx中的主要成分，發動機缸內混合氣中的N2是其主要生成來源，高溫、富氧和持續高溫的時間是影響其生成的3 個主要因素。隨著溫度的增加，NO 的產生呈現出指數函數型的急劇增加，而NO 的產生量也隨著混合氣中氧的體積分數的提高而增加，并且隨著高溫持續時間的延長，NO 反應生成有了充足的時間，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數大的因素促進NOx生成。從圖9中分析可知，低負荷時，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蒸發霧化時，新型車用醇基汽油合成燃料吸收大量的汽化潛熱，缸內溫度幅度降低較大，而且由于氧含量的存在，使得醇基燃料具有較快的火焰傳播速度，加快了混合燃料的燃燒速度，減少了燃料燃燒期間發動機缸內的高溫持續時間，所以在低負荷時，雖然新型車用醇基汽油合成燃料中氧的體積分數高，但是與純汽油相比相差不多；當轉速和負荷分別提高后，氣缸內溫度較高，燃料的富氧使得NOx迅速增加。

3 結論

文章以特定物性參數的車用催化器為研究對象，以 92#純汽油（M0）為基準，對 M0，M10，M30，M50 燃料的原機常規排放物進行了模擬研究，分析了4 種燃料的原機常規排放物隨空燃比、轉速、負荷變化的關系，通過模擬計算得出：

1）選用的化學反應動力學機理和計算模型能夠較為真實準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算。

2）隨著轉速的增加，M0，M30，M50 的 THC 排放值逐漸降低，當轉速大于2 400 r/min 后，THC 排放值基本保持不變；隨著負荷的增大，M0，M30，M50 的 THC 排放值大幅降低。M0，M30，M50 的 CO 排放值在轉速從1 600 r/min 增加到2 000 r/min 的過程中緩慢降低，當轉速大于2 000 r/min 后，THC 排放降低幅度明顯；當轉速不變時，隨著負荷的增加，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排放值隨轉速和負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。以上研究為今后對醇基燃料進一步深入的研究奠定了一定的理論基礎，有利于改善燃料的排放性能。