范錢(qián)旺，李理光，鄧 俊，胡宗杰

（同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，上海201804）

內(nèi)燃機(jī)的燃燒和排放特性主要取決于燃料霧化、蒸發(fā)、混合的物理過(guò)程及缸內(nèi)工質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，與燃料的理化特性有著密切的關(guān)系.燃用不同類(lèi)型、不同烴族組分和不同化學(xué)成分的燃料，其燃燒特性及其燃燒過(guò)程中關(guān)鍵組分變化不同.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了燃料理化特性對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放的影響.其中，Singal等［1］研究了燃油特性（十六烷值、密度、揮發(fā)性等）對(duì)排放的影響.結(jié)果表明，硫含量與燃油密度對(duì)顆粒排放有著重要影響.Yoshiyuki等［2］研究了燃料特性對(duì)直噴柴油機(jī)燃燒與排放特性的影響.結(jié)果表明，在大負(fù)荷時(shí)，降低十六烷值導(dǎo)致NOX排放增加而碳煙降低.Tsurutani等［3］研究了燃料特性與氧化對(duì)排放特性的影響.結(jié)果表明，增加芳烴含量導(dǎo)致顆粒排放增加.Li［4］，Akasaka［5］和Takatori［6］從燃油燃燒化學(xué)過(guò)程的角度研究了芬芳烴含量對(duì)燃燒與排放特性的影響.結(jié)果表明，燃油的分子結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒排放物的生成有著重要影響.孫萬(wàn)臣等［7］研究了燃料著火性對(duì)小型柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)及恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況下燃燒特性的影響.結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)和恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況下，燃料十六烷值對(duì)燃燒參數(shù)的影響具有類(lèi)似的規(guī)律.隨燃料十六烷值降低，著火始點(diǎn)延遲，滯燃期增加，燃燒速率加快.

鑒于已完成的大部分工作重點(diǎn)是研究了燃料特性對(duì)燃燒與排放特性的影響，而對(duì)于不同燃料燃燒過(guò)程產(chǎn)生的關(guān)鍵反應(yīng)組分變化以及反應(yīng)組分與燃燒特性之間的關(guān)系研究甚少.本文重點(diǎn)是通過(guò)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證采用AVL-Fire三維CFD（計(jì)算流體力學(xué)）軟件所建模型的正確性，進(jìn)而模擬研究了直噴柴油機(jī)在噴油提前角17°CAD（曲軸轉(zhuǎn)角）BTDC（before top dead center）時(shí)，燃用不同種燃料（柴油、甲苯、十二烷、十六烷、正庚烷及異庚烷）的燃燒特性以及燃燒過(guò)程關(guān)鍵組分變化，特別探討了不同特性的燃料在燃燒過(guò)程中關(guān)鍵組分變化與放熱率之間的關(guān)系，為直噴柴油機(jī)代用燃料的研究以及優(yōu)化燃燒過(guò)程提供依據(jù).

1 計(jì)算模型及條件

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)

模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程直噴柴油機(jī)，缸徑為100 mm，沖程為105mm，壓縮比為18.本文模擬研究的重點(diǎn)在于直噴柴油機(jī)內(nèi)部的燃燒情況，因此不考慮進(jìn)排氣過(guò)程，故在本模型中也就不加入進(jìn)、排氣門(mén).模擬的區(qū)間起于進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉、終止于排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻.為了與柴油機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)接近，計(jì)算過(guò)程考慮缸內(nèi)滯留廢氣，因此進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻氣缸內(nèi)物質(zhì)被定義為新鮮空氣與上一循環(huán)滯留廢氣（其中，殘余廢氣所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）.

鑒于模擬的柴油機(jī)燃燒室呈軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，本模型采用1∶1比例選取八分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，其形狀及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示.其中，燃燒室的壁面為動(dòng)網(wǎng)格邊界，劃分為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為66 230（進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻）.

圖1 幾何模型Fig.1 Geometrical model

1.2 計(jì)算模型和求解方法

本文湍流模型選取k-ξ-f模型［8］，燃燒模型分別選取了相關(guān)火焰模型［8］.蒸發(fā)模型選取Dukowicz模型［8］，破碎（break-up）模型選取Wave模型［8］，考慮到計(jì)算結(jié)果精度、穩(wěn)定性以及收斂性，動(dòng)量方程采用二階精度Minimod Relaxed格式，連續(xù)方程采用中心差分格式，能量方程采用迎風(fēng)格式.數(shù)值模擬的邊界條件和初始條件是保證數(shù)值計(jì)算有解的前提條件.兩者與控制方程一起構(gòu)成了對(duì)物理現(xiàn)象的完整數(shù)學(xué)描述［9］.本模型的邊界條件主要指物理邊界條件，即固壁邊界條件，文中采用固定壁面溫度的湍流壁面函數(shù)作為固壁邊界條件.缸內(nèi)初始條件對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性有著重要影響，本文通過(guò)GT-Power模型計(jì)算取得初始條件值，根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)校核該計(jì)算值.具體邊界條件和初始值見(jiàn)表1.

表1 計(jì)算邊界條件和初始值Tab.1 Calculating boundary conditions and initial values

1.3 初始及邊界條件確定

初始與邊界條件詳見(jiàn)表1.噴油規(guī)律則是基于圖2中給出噴油規(guī)律相似形（其圖中數(shù)值不代表真實(shí)噴油量），結(jié)合噴油持續(xù)期以及循環(huán)噴油量而計(jì)算得出.

圖2 噴油規(guī)律Fig.2 Fuel injection pattern

1.4 燃油理化特性［10－11］

不同類(lèi)型、不同烴族組分和不同化學(xué)成分的燃料有著不同的物理化學(xué)特性，對(duì)燃燒過(guò)程也有著不同程度的影響，文中所研究的6種燃料的部分物理化學(xué)特性見(jiàn)表2.

表2 燃料特性Tab.2 Fuel property

2 驗(yàn)證計(jì)算模型

本文模擬的柴油機(jī)工作條件與文獻(xiàn)［12］中的實(shí)驗(yàn)條件比較接近，即發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比18，柴油機(jī)單缸排量約為824.5mL，傳統(tǒng)噴油提前17°CA，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比約0.67.因此，本文采用文獻(xiàn)［12］中的進(jìn)氣壓力為傳統(tǒng)大氣壓下的缸內(nèi)燃燒壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證建立模型的正確性.

根據(jù)圖3所示結(jié)果可知，模擬計(jì)算燃燒始點(diǎn)比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)的略有提前之外，計(jì)算的缸內(nèi)壓力在趨勢(shì)上、最高壓力以及相位與文獻(xiàn)［12］中標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下缸內(nèi)壓力實(shí)驗(yàn)值基本吻合.由此可見(jiàn)，本文所建計(jì)算模型是可行且正確的.

圖3 缸內(nèi)壓力計(jì)算值與文獻(xiàn)［12］實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.3 Comparison between the calculated and experiment values in reference［12］

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 噴油結(jié)束時(shí)噴霧形態(tài)與混合氣空間分布

圖4比較了不同種燃料在噴油結(jié)束時(shí)刻（3°CA ATDC（after top dead center）缸內(nèi)混合氣空間分布及噴霧形態(tài).圖中數(shù)值為燃料量綱一濃度.0～5表示從稀至濃.由圖4可知，當(dāng)燃用異庚烷時(shí)，在噴油結(jié)束時(shí)刻，缸內(nèi)燃油蒸發(fā)最快；其他大約依次是十二烷，正庚烷，甲苯，十六烷以及柴油.其主要原因是燃油沸點(diǎn)以及汽化潛熱值大小所致，沸點(diǎn)越低燃油越是容易揮發(fā)，但是如果汽化潛熱高，則導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低也影響后續(xù)燃油蒸發(fā)，進(jìn)而影響預(yù)混合燃燒.

圖4 噴油結(jié)束時(shí)刻噴霧形態(tài)與混合氣空間分布Fig.4 Spray and mixture space distribution at the end of injection

3.2 燃燒特性

圖5比較了不同燃料燃燒過(guò)程中缸內(nèi)壓力的變化.由圖5可知，燃用甲苯的缸內(nèi)壓力峰值最大，十六烷，十二烷，正庚烷，異庚烷以及柴油依次減小.從燃料燃燒放熱方面分析，相對(duì)于甲苯而言，十六烷，十二烷，正庚烷，異庚烷以及柴油雖然熱值較高，但是在相同新鮮空氣與噴油量下，由于燃料計(jì)量空燃比大，缸內(nèi)混合氣更加濃，可能導(dǎo)致局部燃燒不完全所致.從燃料結(jié)構(gòu)方面分析也可能是由于甲苯的結(jié)構(gòu)中存在的苯環(huán)與甲基鍵在此條件下較容易斷裂所致.此外，直鏈正烷烴鏈越長(zhǎng)也越易斷裂.

圖5 不同燃料壓縮燃燒的缸內(nèi)壓力Fig.5 In-cylinder pressure for compression combustion with various fuels

圖6比較了不同燃料燃燒過(guò)程中燃燒速率的變化.由圖6可知，燃用甲苯、十六烷、柴油、十二烷、正庚烷以及異庚烷，放熱率峰值相位依次后移.主要原因可能是，一方面由于滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣以及擴(kuò)散燃燒開(kāi)始延遲所致；另一方面缸內(nèi)混合氣濃度不同也引起了燃燒速度的差異.此外，從正烷烴來(lái)說(shuō)，碳數(shù)愈大，則鏈愈長(zhǎng)，愈容易斷裂，燃燒速度也愈快.對(duì)于芳香烴而言，苯環(huán)結(jié)構(gòu)中存在支鏈越長(zhǎng)則越容易斷裂，因此燃燒速率也就更快.

圖6 不同燃料壓縮燃燒的放熱率Fig.6 Rate of heat release for compression combustion with various fuels

圖7比較了不同燃料燃燒過(guò)程中累計(jì)放熱率的變化.由圖7 可知，燃燒甲苯時(shí)，放熱量最多，十二烷、正庚烷和異庚烷基本相當(dāng)，而柴油相對(duì)最少.其中，燃用甲苯放熱量最多，可能由于甲苯計(jì)量空燃比較低，等量燃料與空氣的條件下，燃用甲苯氧氣更加充足，進(jìn)而燃燒更加充分所致［10］.柴油雖然熱值較高，但可能由于相對(duì)于甲苯，柴油-空氣混合氣偏濃，局部燃油霧化不良，混合氣形成較差，導(dǎo)致局部燃燒不完全的原因.而其他4種燃油計(jì)量空燃比基本一致，但是其熱值卻隨碳數(shù)增加而降低，因此累積放熱量也有差別.

圖7 不同燃料壓縮燃燒的累計(jì)放熱量Fig.7 Accumulated heat release for compression combustion with various fuels

3.3 燃燒過(guò)程中關(guān)鍵組分變化

圖8～圖11分別為不同種燃料壓縮燃燒過(guò)程中H，N，OH 與O 活性基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化歷程.由圖可知，4種活性基均存在兩個(gè)峰值，其中第一個(gè)峰值，可能是預(yù)混合燃燒所致；第二峰值可能是擴(kuò)散燃燒所致.其中，就第一個(gè)峰值而言，除了甲苯而外，可能是燃油預(yù)混合氣形成對(duì)燃燒過(guò)程中的活性基生成起到更加重要的作用.對(duì)于第二個(gè)峰值而言，燃用甲苯反應(yīng)過(guò)程中的H，N，OH 與O 活性基質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最大，柴油、十六烷、十二烷以及庚烷，4種活性基均依次減少.一方面可能是由于甲基和苯環(huán)相連的C—C鍵能較低，在能量輸入較低的情況下就能夠斷裂，分解為苯自由基或甲苯自由基，自由基不穩(wěn)定，容易被降解，因此甲苯中苯環(huán)與甲基更加容易破裂［13］；此外，隨著碳原子數(shù)增加，正烷烴來(lái)說(shuō)，碳數(shù)越大，則鏈越長(zhǎng)，越容易斷裂，即越容易著火和燃燒［10］.另一方面可能還與參加反應(yīng)的燃油量有關(guān)，在等量的新鮮空氣與燃料下，計(jì)量空燃比大的燃油缸內(nèi)混合氣偏濃，可能局部燃燒更不完全，進(jìn)而也導(dǎo)致反應(yīng)中間組分有所減少.

3.4 不同燃料燃燒中間反應(yīng)組分與放熱率之間關(guān)系

圖12為不同燃料燃燒過(guò)程中反應(yīng)組分與放熱率之間的對(duì)比.由圖12可知，不論燃用那種燃料，放熱率的最高峰值都與4種反應(yīng)活性基的第一個(gè)峰值相位一致.由此可以推測(cè)出，滯燃期形成的預(yù)混合氣對(duì)放熱率與4種活性基生成有著相同的影響規(guī)律.此外，對(duì)比圖12a～12f可知，燃料燃燒過(guò)程中放熱率較快，則OH，O 和H 活性基質(zhì)量濃度相應(yīng)也增大，而N 活性基質(zhì)量濃度變化不明顯.由此推測(cè)說(shuō)明所研究的6 種燃料中，OH 活性基是燃燒過(guò)程中最活躍的關(guān)鍵基團(tuán)，O 活性基其次，N 活性基最差.

圖9 不同燃料壓縮燃燒的N 活性基的變化Fig.9 Variation of N specie with various fuels

圖10 不同燃料壓縮燃燒的OH 活性基的變化Fig.10 Variation of OH specie with various fuels

圖11 不同燃料壓縮燃燒的O 活性基的變化Fig.11 Variation of O specie with various fuels

圖12 不同燃料燃燒反應(yīng)組分與放熱率的關(guān)系Fig.12 Correlation between combustion reaction species and rate of heat release with various fuels

4 結(jié)論

（1）計(jì)算模型是合理的，模擬缸內(nèi)壓力曲線與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)值基本吻合.

（2）對(duì)燃用不同種燃料而言，OH 活性基生成量最大，H 與O 活性基次之，N 活性基最小.由此可能推論出4種活性基在燃燒過(guò)程中所起的作用基本不受燃料種類(lèi)影響.

（3）H，N，OH 與O 活性基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照甲苯、柴油、十六烷、十二烷以及庚烷的順序依次減?。怀嘶旌衔锊裼椭?，對(duì)于單質(zhì)烷烴燃料而言，4種活性基有著隨碳數(shù)減小而減少的趨勢(shì).

（4）燃用6種不同的燃料，H，N，OH 與O 這4種活性基均存在兩個(gè)峰值，其中放熱率最大峰值相位與4種活性基第一個(gè)峰值相位一致.此外，就4種活性基而言，OH 活性基與放熱率快慢有著更為密切的關(guān)系.

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