（武漢理工大學(xué)，武漢430070）

HCCI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程三維數(shù)值模擬

李程，周昌祁，許偉康，劉元

（武漢理工大學(xué)，武漢430070）

以AVL-FIRE作為三維瞬態(tài)模擬軟件，對(duì)HCCI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500、3 000和5 000 r/m in三種工況下燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：這三種轉(zhuǎn)速下燃燒過程混合氣的速度和濃度分布相似；轉(zhuǎn)速越高，火焰前鋒的速度越大，燃燒越迅速，而缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比越小。結(jié)果還表明：在排氣門開啟時(shí)刻缸內(nèi)未燃甲醇的量較高，碳煙的排放量很低，小于1×10-9。計(jì)算結(jié)果可為HCCI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能改善提供一定的理論依據(jù)。

燃燒數(shù)值模擬甲醇HCCI

1 前言

HCCI燃燒是一種新的燃燒方式，采用均質(zhì)混合氣的方式，在上止點(diǎn)附近將混合氣壓縮著火。與傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)相比，HCCI方式采用均勻的空氣與燃料混合氣，用壓燃代替火花塞點(diǎn)火方式；與傳統(tǒng)的缸內(nèi)直噴柴油機(jī)相比，HCCI方式的混合氣充量是均質(zhì)的[1]。油氣充量混合得越充分，燃油粒子霧化得越細(xì)，燃燒就越充分，排放就越低，經(jīng)濟(jì)性就可能提高[2]。

HCCI燃燒方式要求燃油粒子必須有很好的霧化，使油氣充分混合。而甲醇極易霧化蒸發(fā)，著火界限比較寬，并能使發(fā)動(dòng)機(jī)在混合氣較稀的條件下工作，而且燃燒速度比柴油快，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和熱效率，所以甲醇是一種比較理想的HCCI燃燒的代用燃料[3]。但甲醇燃料的熱值只有柴油的47%。因此，在壓縮點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用純甲醇做燃料，在同等的熱效率下，其有效質(zhì)量燃油消耗率較高。盡管甲醇燃燒熱值比柴油低會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩下降，但是由于甲醇含有氧原子，考慮到其在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中排放的優(yōu)越性，故甲醇可以作為替代柴油的一種清潔能源[4]。國外學(xué)者也開展了這方面的研究，Oakley等人使用高壓直噴的方法在一臺(tái)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了甲醇燃料的試驗(yàn)，得出了甲醇的燃料HCCI燃燒的特性，碳煙的排放得到大大的改善[5～6]。

本文以ZS195非增壓水冷直噴式柴油機(jī)為模型，運(yùn)用AVL-FIRE軟件研究轉(zhuǎn)速對(duì)HCCI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和微量污染物生成過程的影響。本研究將忽略化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)模擬造成的影響。

2 計(jì)算域網(wǎng)格的建立

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。本文設(shè)0℃A為進(jìn)氣上止點(diǎn)，主要計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉（230℃A）到排氣門開啟的時(shí)間段內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程?？紤]到燃燒室形狀的對(duì)稱性，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文的計(jì)算域只選用氣缸的1/8。計(jì)算采用六面體網(wǎng)格，圖1為生成的發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)約為42 060個(gè)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格

3 模型的選擇和初邊值條件的確定

本文計(jì)算采用PISO算法對(duì)速度場和壓力場進(jìn)行耦合，湍流模型選用k-z-f模型，燃燒模型選用渦破碎模型（Eddy Break-up Model）。

邊界條件也是影響計(jì)算精度和計(jì)算效率的重要因素之一[7]。由于該模型只涉及壓縮和膨脹行程，與外界無質(zhì)量交換，故只考慮各壁面溫度邊界。設(shè)氣缸蓋底面、氣缸壁面和活塞頂面的平均溫度分別為553K、403K和593K。初始?jí)毫蜏囟确謩e為381 kPa和353K，缸內(nèi)各組分質(zhì)量百分含量根據(jù)所計(jì)算工況的當(dāng)量燃空比求得，并忽略殘余廢氣對(duì)充量的影響。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 缸內(nèi)總體量

圖2給出了缸內(nèi)平均溫度的變化情況，隨著壓縮的進(jìn)行，缸內(nèi)壓力急劇增加，尤其在壓縮行程的后期。在壓縮上止點(diǎn)（360℃A）開始噴油燃燒，約在370℃A處達(dá)到峰值。三種轉(zhuǎn)速下，溫度的變化趨勢一致，且對(duì)轉(zhuǎn)速的變化不敏感。較之純柴油燃燒的最高溫度值（1 500～2 200 K）較低，這是因?yàn)榧状嫉牡蜔嶂递^小，燃燒所放出的熱量低。

圖3給出了缸內(nèi)平均壓力的變化情況，三種轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)平均壓力的變化趨勢一致，且變化不大，說明轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)壓力波動(dòng)影響很小。1 500 r/min工況由于活塞環(huán)的漏氣損失相對(duì)較大，而5 000 r/min漏氣損失雖小，但隨轉(zhuǎn)速的增加其流動(dòng)損失較大。故平均壓力最大值出現(xiàn)在3 000 r/min，5 000 r/min次之，1 500 r/min最小。

圖2 缸內(nèi)平均溫度的變化

圖3 缸內(nèi)平均壓力的變化

4.2 缸內(nèi)速度場分析

進(jìn)氣門關(guān)閉后，氣缸內(nèi)為一封閉的腔體，與外界無質(zhì)量交換。進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)流場的狀態(tài)基本決定了壓縮過程中缸內(nèi)氣體的分布。

圖4為三種轉(zhuǎn)速下的速度場分布情況。從圖4中可以看出，轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)和燃燒的擾動(dòng)較大。轉(zhuǎn)速增加，活塞平均速度增加，進(jìn)氣擾動(dòng)和壓縮擾動(dòng)也成比例增加，因此，火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀蹼S轉(zhuǎn)速增加而增加。在急燃期內(nèi)（363℃A～370℃A），轉(zhuǎn)速越高，缸內(nèi)流動(dòng)加劇，使缸內(nèi)的混合強(qiáng)度更高，燃燒時(shí)湍流燃燒程度加強(qiáng)，反應(yīng)面積增加，反應(yīng)速度加快，可使發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)燃燒更為充分。隨著燃燒的進(jìn)行，火焰前鋒面發(fā)展到氣缸底部，氣缸底部和燃燒室內(nèi)的燃油開始燃燒。故440℃A處，燃燒室內(nèi)的湍流速度較之缸內(nèi)的其它區(qū)域都要大，特別是在5 000 r/min工況下氣體的速度最高可達(dá)到50 m/s。

圖4 缸內(nèi)速度場變化情況

4.3 缸內(nèi)濃度分析

圖5為著火后缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比的變化規(guī)律。混合氣著火初期(361℃A～363℃A)，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比較大，有利于形成火焰中心并向前傳播；隨著燃燒的進(jìn)行，當(dāng)量比逐漸減少，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀＾D(zhuǎn)速越高，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比越小。由于5 000 r/min轉(zhuǎn)速較高，缸內(nèi)的壓力梯度大，可能會(huì)造成局部混合氣過稀而引起發(fā)動(dòng)機(jī)失火。

4.4 缸內(nèi)未燃甲醇和碳煙濃度分析

未燃甲醇是甲醇燃燒的主要污染源之一。圖6給出了排氣門開啟時(shí)刻缸內(nèi)燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。燃燒結(jié)束后，隨著活塞下行，缸內(nèi)溫度降低，殘留在燃燒室狹縫中的未燃甲醇使得排放物中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。三種工況下，未燃甲醇均主要集中在氣缸中心距氣缸蓋底部較遠(yuǎn)處和燃燒室等火焰前鋒面最遲發(fā)展到的地方，由于燃燒不充分而造成了局部區(qū)域的甲醇未能充分燃燒。轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由于燃燒持續(xù)期較長，甲醇燃料有充分的時(shí)間進(jìn)行低溫化學(xué)反應(yīng)，使得甲醇燃料反應(yīng)充分，排放較低。3 000 r/min和5 000 r/min工況下未燃甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近。

圖7給出了排氣門開啟時(shí)刻缸內(nèi)碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。甲醇燃燒碳煙生成對(duì)轉(zhuǎn)速的變化較敏感。轉(zhuǎn)速越低，越容易形成碳煙。但在三種轉(zhuǎn)速工況下產(chǎn)生的碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，平均值小于1×10-9。這是由于轉(zhuǎn)速較高，進(jìn)氣充量較大，進(jìn)入缸內(nèi)的氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大（富氧環(huán)境不利于碳煙的形成），在缸內(nèi)溫度接近的前提下，不利于碳煙的形成。相對(duì)于純柴油燃燒來說，碳煙的排放得到了很大程度的降低。

圖5 缸內(nèi)當(dāng)量比變化情況

圖6 排氣門開啟時(shí)刻缸內(nèi)未燃燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖7 排氣門打開時(shí)刻缸內(nèi)碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

5 結(jié)束語

通過對(duì)HCCI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的模擬計(jì)算，獲得了不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)總體量、速度場、燃油濃度場和尾氣（未燃甲醇和碳煙）的變化規(guī)律，得到了HCCI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和主要排放物生成的相關(guān)結(jié)論，歸納如下：

（1）不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)總體量的變化趨勢相同，缸內(nèi)溫度和壓力對(duì)轉(zhuǎn)速變化不敏感。

（2）三種轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)速度場變化趨勢相似。轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)和燃燒擾動(dòng)較大，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，氣體湍流速度加快，燃燒迅速。

（3）混合氣著火初期，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比較大，有利于形成火焰中心并向前傳播；隨著燃燒的進(jìn)行，當(dāng)量比逐漸減少；轉(zhuǎn)速越高，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比越小，不利于火焰的傳播。

（4）在排氣門開啟時(shí)刻，殘留在燃燒室狹縫中的未燃甲醇使得排放物中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。甲醇燃燒對(duì)轉(zhuǎn)速的變化較敏感。轉(zhuǎn)速越低，未燃甲醇進(jìn)行低溫化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間越長，使得甲醇燃料反應(yīng)充分。轉(zhuǎn)速越低，越易于碳煙的形成，但總體上甲醇燃燒的碳煙排放都很低，故甲醇可以作為一種清潔能源。

1蘇萬華，趙華，王建昕等.均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

2陳韜，何邦全，謝輝等.HCCI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù).2007，13（2）：177-182.

3張青妍，喬信起，張華等.甲醇重整氣發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI燃燒的數(shù)值模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2007，41（12）：19-25.

4魏志鵬，謝輝，何邦全等.甲醇/乙醇/汽油HCCI燃燒和排放特性對(duì)比[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào). 2007，25（3）：224-228.

5 Oakley A,Zhao H,LadommatosN,etal.Dilution Effectson the Controlled Auto-Ignition(CAI) Combustion ofHydrocarbon and Alcohol Fuels[C]. SAE 2001-01-3606.

6 Najt P M,Foster D E.Compression-ignited HomogeneousCharge Combustion[C].SAE 830264.

7回鳳娜，梁桂華，徐莉.HCCI條件下柴油機(jī)缸外噴射及燃燒的數(shù)值模擬[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào). 2008，34（z1）.

Three DimensionalNumericalSimulation of theCombustion Process in the HCCIEngine Fueled with Methanol

LiCheng,Zhou Changqi,Xu Weikang,Liu Yuan
（WuHan University of Technology,Wuhan 430070,China）

The combustion process in the HCCImethanol engine at 1500,3000 and 5000 r/min is simulated based on the AVL-FIRE tool.The results show that the velocity and concentration fields of mixture are similar at threeworking conditions.The larger the engine speed is,the faster the velocity of the flame forward is,while the lower the equivalence ratio of themixture in cylinder is.The stimulation results also show that theamountofunburnedmethanol is high,while PM isevery low.The stimulation results can be regarded as a kind of reference base for improving combustion and emission reduction in the HCCI methanolengine.

combustion,numerical simulation,methanol,HCCI

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.04.001

來稿日期：2010-07-08

李程（1985-），男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工作過程數(shù)值模擬。