乙醇均质压缩燃烧的数值模拟研究

肖 雪

江苏大学汽车与交通工程学院

乙醇均质压缩燃烧的数值模拟研究

肖 雪

江苏大学汽车与交通工程学院

1.引言

HCCI燃烧方式是新型的机内净化技术，可以同时降低颗粒物和NOx 排放。HCCI 发动机综合了汽油机和柴油机的特点，形成均质混合气并压缩着火。其燃烧方式是多点同时着火，燃料的着火和燃烧只受燃料氧化反应的化学反应动力学控制[1]， 并且可以保持较高的燃料经济性。

乙醇作为可再生含氧燃料，具有辛烷值高、抗爆性好等特点。研究表明乙醇是实现HCCI燃烧的理想燃料之一[2]。据此，本文就乙醇燃料的均质压缩燃烧进行数值模拟研究，着重探究燃烧边界条件对乙醇HCCI燃烧排放的影响。

2.计算模型

目前，HCCI 燃烧由化学反应动力学主导的观点已普遍被人们接受[3]。本文研究采用气相化学和等离子体动力学的软件CHEMKIN，它可以解决带有化学反应的流动问题，是燃烧领域中普遍使用的一个模拟计算工具[4]。本研究中使用的燃料是乙醇，乙醇燃烧的化学动力学机理和热力学数据采用了美国 Lawrence Livermore 国家实验室公布的数据[5]。

3.计算结果及分析

模拟计算采用的发动机： 型号4100QB- 1A、缸径为105 mm、 行程为120 mm、 压缩比为11.8、连杆长度为205 mm。计算考虑了完整的压缩和膨胀行程， 并以压缩冲程的上止点( TDC) 作为曲轴转角的零点， 并且考虑了进气迟闭的影响。在计算开始前， 假定气缸内已经形成了乙醇和空气的均匀混合气，且气缸内压力、温度、各组分浓度处处相等。研究中所采用的燃烧边界条件有：初始进气温度、过量空气系数和 EGR率。在计算中，初始进气压力保持为 0.098MPa，主要转速为 1200r/ min，并考虑了传热的影响。

用已得到验证的0-D单区HCCI计算模型对乙醇均质压燃发动机进行模拟研究，主要分析进气温度、过量空气系数以及EGR率等边界条件对乙醇HCCI燃烧排放的影响。

3.1 进气温度对排放的影响

（见图3-1）乙醇 HCCI 发动机着火燃烧后，随着进气温的增加，缸内温度、压力升高，乙醇燃烧更加完全。随着进气温的增加，CO排放降低：465K时刚刚着火CO排放高，当进气温度增加到 483K后，CO氧化较为完全，CO排放基本保持低水平不变。缸内NOX排放趋势与CO排放趋势正好相反。随着进气温度的增加，缸内最高燃烧压力不断增高，有利于富氧条件下NOX的生成。

3.2 过量空气系数对排放的影响

图 3-2 所示为 n＝1200r/min、进气温度 T=493K 时，过量空气系数λ对排放的影响。随λ的增加，乙醇 HCCI 燃烧反应反应速率降低、压力和缸内温度下降，NOX生成总量降低；CO 则是先降后升，在λ=5 时达到最低值，这是因为随λ的增加，燃烧逐渐改善所以 CO排放降低，但λ过大时，出现不完全燃烧排放恶化。

3.3 EGR率对排放的影响

图3-1 进气温度对排放的影响

图3-2 过量空气系数对排放的影响

图3-3 EGR率对排放的影响

EGR 对 HCCI 着火和燃烧的影响是多方面的，依据其作用可分为四类：充量加热作用、充量稀释作用、比热作用、化学作用。充量加热作用是指热EGR气体与冷的燃料/空气进气混合气混合时，由于EGR的加热作用充量温度将上升。

图3-3为 EGR 率对排放和指示平均有效压力的影响。随 EGR的增加，燃烧压力、温度下降，当 EGR 增大到一定量时，出现失火燃烧恶化， CO 排放随 EGR 的增大而增加。

而 NOX排放趋势与之相反。

4.结论

应用0-D单区HCCI燃烧模型耦合乙醇燃烧化学动力学机理对乙醇均质压燃发动机进行了模拟研究。考查了燃烧边界条件对乙醇燃料 HCCI 燃烧排放的影响，从研究中得到以下结论：

(1) 在定转速相同过量空气系数的条件下，随着进气温度的增加，缸内燃烧压力温度升高，CO 排放降低，NOx 排放增加；

(2) 在定转速相同进气温度的条件下，随λ的增加，缸内燃烧压力温度降低，在大λ的工况下出现发生部分燃烧，CO 排放增加，NOx 排放降低；

(3) EGR 率对排放的影响：在λ＜3.2的工况下，加入 EGR 可以抑制爆震实现 HCCI 燃烧，但随着 EGR 率的增大，缸内燃烧压力温度降低，CO 排放增加，NOx 排放降低。

[1] 苏万华，赵华，王建昕等著.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术[M].北京：科学出版社，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，吕兴才，等.正庚烷 HCCI 燃烧过程的数值模拟及试验研究[J].内燃机工程，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.