PCCI柴油機燃用DMC和生物柴油的燃燒活性調節(jié)模擬研究

于奇松，梅德清，涂立志，岳珊，張登攀

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.上海FEV技術有限公司，上海 200336；3.南京金肯職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210000)

近年來，為了滿足嚴格的發(fā)動機性能和排放指標，國內外學者提出了創(chuàng)新性的燃燒思想及模式，如均質充量壓縮點火(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，稀混特性導致了運行工況范圍窄[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)等綜合手段來控制燃燒相位和燃燒速率[4-5]。如文獻[6]通過缸內早噴實現(xiàn)柴油機PCCI燃燒以減少soot生成，引入高EGR率降低缸內燃燒反應溫度以減少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，有利于柴油機缸內混合氣形成[7-8]。大豆生物柴油是一種長碳鏈酯，十六烷值和低熱值均比碳酸二甲酯高，但其揮發(fā)性差，不利于缸內混合氣的形成[9]。目前對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行的[10-13]，針對分別摻混這兩種含氧燃料對PCCI柴油機缸內燃燒過程的研究還很少，其具體化學作用機理對PCCI燃燒模式的影響仍有待揭示。

本研究在44%的高EGR率氛圍及低負荷工況下，采用“預噴+預噴+主噴”燃油噴射策略，通過化學反應動力學和三維模擬仿真的手段，從宏觀和微觀兩個方面研究了兩種混合燃料相同質量分數和相同含氧量情況下對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燃燒系統(tǒng)活性和排放物的化學作用機理。

1 計算模型構建與驗證

1.1 化學動力學簡化模型構建

碳酸二甲酯(DMC)氧化反應簡化機理在胡二江等[15]提出的present模型基礎上構建，該機理含275種組分和1 586個反應。采用直接關系圖法對該機理進行初步簡化，運用CHEMKIN-PRO軟件中的封閉均質模型，初始溫度為1 000，1 250，1 500 K，當量比為0.5，1和2，初始壓力為1，4，6 MPa，目標參數設定為著火延遲期、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個反應的半詳細機理。

在溫度為1 200 K、壓力為1 MPa、當量比為1的工況下進行DMC氧化反應路徑分析，結果見圖1。以DMC為初始組分，去除與其相關的消耗比例較小的燃料分支組分coc*ooh和cjoc*ooh，留下其他對著火和燃燒比較重要的反應，并且把這些反應的重要生成物作為新的初始組分，接著刪掉反應速率較小的反應，直至最終產物為CO2和H2O。只進行組分及基元反應的縮減，不改動半詳細機理中基元反應的溫度指數、指前因子和活化能。圖1中反應均作保留，最終得到53種組分、243個反應的DMC簡化機理。

圖1 DMC氧化反應路徑圖

以Alexandrino[14]等在激波管上測量得到的DMC著火延遲期的試驗數據為參照，在當量比為0.5，1,2，初始壓力為2 MPa和4 MPa，溫度為950～1 400 K的工況下進行DMC簡化機理預測，圖2示出當量比為1工況下通過DMC詳細機理和簡化機理獲得的著火延遲期與試驗值的對比結果。由圖2可見，DMC簡化機理預測的著火延遲期和試驗值最大誤差小于10%，當量比為0.5和2的工況下預測結果類似，故不作展示。

圖2 DMC詳細機理和簡化機理預測的著火延遲期和試驗值的對比

為進一步驗證DMC簡化機理的可行性，采用Hu等[15]的DMC對沖火焰組分濃度試驗數據對簡化機理作了驗證，圖3示出壓力0.1 MPa工況下簡化機理計算得到的DMC對沖燃燒火焰主要組分濃度與試驗值的對比結果。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，模擬預測值與試驗值二者的整體趨勢較為一致。

圖3 DMC簡化機理預測的對沖火焰主要組分濃度和試驗值的對比

柴油的燃燒氧化機理采用Converge軟件自帶的正庚烷(nC7H16)機理，該機理含42種組分、168個反應。利用解耦法將DMC和正庚烷兩個機理合并，得到包含73種組分330個反應的DMC-柴油機理。合并過程中DMC機理未作更改，只對正庚烷機理進行著火延遲期驗證[16]，當量比為0.5，1和2，初始壓力為1.36 MPa和4.2 MPa，圖4僅示出當量比為1工況下的結果。由圖4可知，該機理預測的正庚烷著火延遲期和試驗值最大誤差小于10%，可進行下一步研究。

圖4 DMC-柴油混合機理預測的著火延遲期和正庚烷試驗值的對比

采用Bakali等[17]的正庚烷預混火焰組分濃度試驗數據對DMC-柴油混合機理進行驗證，初始壓力為0.1 MPa，當量比為1.9。計算結果見圖5。由圖5可見，該混合機理能對正庚烷預混火焰主要組分濃度進行準確預測。

圖5 DMC-柴油混合機理預測的預混火焰主要組分濃度和正庚烷試驗值的對比

選用大豆生物柴油作為燃料，生物柴油-柴油的燃燒機理選用李軍成等[18]在正庚烷和癸酸甲酯(MD)氧化機理的基礎上構建而成的Bio111機理，該機理已經通過激波管試驗、射流攪拌試驗及柴油機燃燒試驗驗證了其良好的預測能力。

1.2 缸內燃燒仿真模型構建

樣機是一臺由4缸Daimler OM646柴油機改裝的高壓共軌單缸柴油機，其主要技術參數見表1。為了滿足歐Ⅴ及更高的排放標準，目標樣機使用高壓共軌系統(tǒng)以靈活控制噴油次數和噴油脈寬，并在進氣增壓的基礎上耦合高EGR率以實現(xiàn)柴油PCCI燃燒模式。

表1 發(fā)動機主要技術參數

目標樣機的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，在保證模擬結果準確性的前提下，為了減少計算工作量，選用1/7模型進行燃燒過程計算，利用Converge軟件建立仿真模型(見圖6)，相關計算模型選擇見表2。

圖6 燃燒室三維模型

表2 求解器數學模型

發(fā)動機模擬計算過程從進氣門關閉時刻開始到排氣門開啟時刻結束，即對應曲軸轉角的變化為從-112°到116°(360°為壓縮行程上止點，定義壓縮行程上止點為0°，轉角為負表示上止點前，反之為正)。計算初始條件見表3，模擬計算的初始溫度、初始壓力、初始燃油溫度及EGR率基于試驗獲得。采用1/7燃燒室模型進行計算，將扇形體相對的切面作為循環(huán)邊界。氣缸壁、氣缸蓋和燃燒室頂部作為固定壁面，其溫度的初始參數設定基于經驗及平均溫度。

表3 初始條件及邊界條件

1.3 燃油噴射方案及模型驗證

試驗樣機所用燃油的理化性質見表4。燃油噴射量對比見表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。本研究為對比研究分別摻混相同組分和相同含氧量DMC及生物柴油對PCCI油機燃燒活性及排放的影響，設置了柴油、D10、B10和B48 4種燃料，其中B10燃料(摻混10%質量分數大豆生物柴油)和D10燃料(摻混10%質量分數DMC)摻混含氧燃料質量分數相同，B48燃料(摻混48%質量分數大豆生物柴油)和D10燃料含氧量相同。試驗樣機燃油噴射系統(tǒng)主要參數為第1段預噴、第2段預噴和主噴的噴油正時SOI-P1，SOI-P2及SOI-M，以及三段噴射對應的噴油量Q1，Q2及QM。燃油噴射方案見表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

表5 燃油噴射量對比

表6 燃油噴射方案

模擬工作在發(fā)動機轉速1 900 r/min、平均指示壓力0.44 MPa的工況下進行，所用數據參照課題組前期工作[8]，實測壓力和瞬時放熱率與模擬計算的對比見圖7。由圖7可見，模擬計算和實測缸壓及瞬時放熱率峰值較為一致，誤差小于5%，說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值的對比

2 結果與分析

2.1 PCCI燃燒過程分析

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，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，但易揮發(fā)，有利于促進混合氣的形成及后續(xù)燃燒。B10燃料的燃燒起點介于DMC和柴油之間，B48燃料的燃燒時刻則最為滯后，缸內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，這是因為燃用的大豆生物柴油熱值和十六烷值均比柴油低，放熱逐漸延遲。

圖8 4種燃料的缸壓和放熱率曲線

圖9示出4種燃料的缸內平均溫度曲線。由圖9可見，添加不同酯類含氧燃料后缸內平均溫度較柴油均有不同程度的降低，這是因為DMC和生物柴油的熱值均比柴油低。D10燃料的溫度升高率最大，達到溫度峰值時刻最早，且由于DMC對燃燒有促進作用，其峰值大小僅次于柴油，較B10燃料略高。結合表7可以看出，D10燃料著火到CA10(10%累計放熱率對應曲軸轉角)時刻縮短，燃燒持續(xù)期也變短，放熱中心CA50(50%累計放熱率對應曲軸轉角，表7中CA90為90%累計放熱率對應曲軸轉角)前移。添加生物柴油后霧化效果更差，影響混合氣形成，導致燃燒持續(xù)期變長，放熱中心CA50后移。

圖9 4種燃料的缸內平均溫度曲線

表7 4種燃料的缸內燃燒特征參數

圖10示出4種燃料的OH，HO2和H2O2生成變化曲線。OH能有效促進燃料裂解并釋放能量，決定了整個燃燒系統(tǒng)的氧化活性和反應速率，在缸內自由基中尤為重要。由圖可見，4種燃料OH、HO2及H2O2的生成時刻不同，柴油最早，D10和B10生成時刻相差不大，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刻，HO2和H2O2幾乎同時生成，標志著低溫反應開始，燃料分子氧化后生成HO2，脫氫后繼而生成H2O2。當溫度升高至1 150 ℃左右，H2O2快速裂解為大量OH，燃料氧化反應速度加快，反應體系溫度迅速上升。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達到峰值的時刻最早，但OH峰值比B10燃料略低，具體原因可結合混合燃料交叉反應路徑分析。

圖10 4種燃料OH，HO2和H2O2生成變化曲線

圖12示出4種燃料燃空當量比、溫度、OH和H2O2的缸內分布云圖。選取CA10，CA50，CA90 3個典型放熱率時刻進行分析。由圖12可見，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，缸內高溫區(qū)域主要集中在當量比及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時刻，混合氣隨著缸內擠流運動迅速擴散，大量H2O2轉化為OH，反應體系活性迅速升高，缸內溫度隨著燃燒反應迅速上升。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，有利于促進缸內混合氣的形成及燃燒，添加DMC后可燃混合氣分布范圍擴大，整個系統(tǒng)活性提高。在燃燒后期，隨著缸內膨脹過程的進行，混合氣迅速擴散，油氣混合情況改善，高溫區(qū)域擴大，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于OH的反應流分析示意

圖12 4種燃料燃空當量比、溫度、OH和H2O2的缸內分布云圖

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

2.2 有害排放物生成特性

圖13示出4種燃料缸內NOx生成質量變化情況。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種氮氧化物生成時刻和滯燃期較為一致，NO2和NO生成量相對較多，為主要NOx生成物。D10燃料的缸內平均溫度和柴油缸內平均溫度相差不大，B10則略低。雖然B10燃料的OH累積量較D10燃料高，但其NOx排放低于D10燃料，可見溫度對NOx排放起主要作用。從圖12中CA50時刻云圖可以看出，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NOx生成的促進作用要高于生物柴油。

圖13 4種燃料缸內NOx生成質量變化情況

圖14 4種燃料缸內soot生成質量變化情況

3 結論

a)應用CHEMKIN-PRO軟件，采用DRG及反應路徑分析簡化方法對DMC機理進行簡化，得到一個包含53種組分243個反應的DMC簡化機理，經驗證合理后將該機理和正庚烷機理合并，得到一個包含75種組分311個反應的DMC-柴油混合機理，結果表明該混合機理具有良好的預測性；

b)應用Converge軟件，耦合DMC-柴油混合機理和生物柴油-柴油混合機理，研究DMC和生物柴油兩種酯類燃料對采用“預噴+預噴+主噴”噴油策略的PCCI柴油機燃燒排放的影響；添加DMC對燃燒有促進作用，著火到CA10時刻縮短，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系統(tǒng)活性增加，添加10%DMC對反應系統(tǒng)活性的增加作用體現(xiàn)在整個反應系統(tǒng)中，OH生成量較B10燃料少，燃空當量比濃區(qū)減少，油氣擴散情況較好，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)域縮小；NOx主要分布在缸內中上部，即高溫但當量比較低的區(qū)域，soot開始生成在燃燒室底部區(qū)域，并擴散至燃燒室中上部，主要分布高溫且當量比較高的區(qū)域。