張忠強，強添綱

(東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江哈爾濱150040)

隨著汽車保有量的持續(xù)增長，石油等能源的短缺以及持續(xù)惡化的環(huán)境問題越來越受到各國重視［1］。同時各國相繼實行嚴格的排放法規(guī)，這給汽車代用燃料的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，乙醇汽油就得到國家的支持并迅速發(fā)展。目前在黑龍江等地均已推廣使用乙醇汽油。

汽油等燃料的實際燃燒過程是由許多同時進行的復(fù)雜的物理化學過程所組成，對其每個過程完全定量的研究都非常復(fù)雜的，所以燃燒過程的數(shù)學模擬計算也是相當困難的。乙醇與汽油的烴類組分有著不同的物理化學特點，將乙醇混入汽油將如何影響汽油復(fù)雜的化學反應(yīng)也成為一個難點問題［2］。

本文借助研究汽油燃燒普遍使用的異辛烷(C8H18)代替汽油的燃燒機理，然后將異辛烷與乙醇的反應(yīng)機理混合形成研究乙醇汽油燃燒所需的機理文件［3］，借助CHEMKIN軟件，模擬乙醇汽油的燃燒過程。最后分析了進氣溫度、進氣壓力和壓縮比對汽油機燃燒乙醇汽油的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 燃燒模型的基本控制方程［4］

質(zhì)量守恒方程如公式 (1):

式中:j為反應(yīng)數(shù);ρ為質(zhì)量密度，kg/m3;v為反應(yīng)容積，m3;m··為入口質(zhì)量流速率，m/s;m為出口質(zhì)量流速率，m/s;Ninlet(j)為每個反應(yīng)j入口數(shù);Npar為反應(yīng)模型的總數(shù);Rrj為反應(yīng)r的流出部分;Am為第m個物質(zhì)的表面積，m2;Kg為第m個物質(zhì)的氣體種類;S·k，m為每單位表面積上第m個物質(zhì)第k個元素的摩爾表面發(fā)生速率。

1.2 發(fā)動機幾何模型與傳熱模型

(1)幾何模型。

計算模型中所用的發(fā)動機幾何模型源于Heywood所提供的方程——基于發(fā)動機各參數(shù)把容積變化作為時間的函數(shù)。模型簡述如公式 (2):式中:R為表示連桿比;θ為曲軸轉(zhuǎn)角，(°CA);Ω為角速度，rad/s;Vc為容積，L。

(2)傳熱模型。

采用Woschni傳熱模型。傳熱模型定義如公式(3):

式中:Twall為缸壁溫度，K;w為缸內(nèi)工質(zhì)的平均速率，m/s;Sp為活塞的平均速率，m/s［5－6］。

1.3 發(fā)動機參數(shù)

所用發(fā)動機模型的基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機模型參數(shù)Tab.1 Parameters of engine model

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 進氣溫度對燃燒的影響分析

首先改變進氣溫度，溫度的變化取值分別為447K、459.5K、472K、484.5K和497K，所得的結(jié)果如圖1所示。

從以上的模擬結(jié)果可知，隨著進氣溫度的上升，缸內(nèi)壓力隨著時間變化的規(guī)律如圖1(a)所示。在起初階段，各進氣溫度下氣缸壓力升高趨勢基本相同，曲線突變點 (即燃燒發(fā)生的起始時間)的發(fā)生時刻隨著進氣溫度的提升而提前。在低溫燃燒時，滯燃期較長并且所能達到的最大壓力較低;從圖1(b)中缸內(nèi)溫度的變化上來看，隨著進氣溫度的上升，滯燃期縮短，在燃料完全燃燒之前，各時刻溫度變化趨勢一致，可見進氣溫度決定了缸內(nèi)溫度。但由于低溫時滯燃期較長，所以在上止點之后，較低的進氣溫度在各個曲軸轉(zhuǎn)角位置所對應(yīng)的溫度值略高;從圖1(c)中熱損失速率上來看，進氣溫度較高時熱損失發(fā)生的時刻較早，這與氣缸內(nèi)氣體燃燒發(fā)生時刻的規(guī)律吻合。隨著進氣溫度的提高，熱損失速率加快，這是由于燃燒生熱與外界溫差較大所造成的;從圖1(d)中凈生熱值的變化規(guī)律可以看出，隨著進氣溫度的提升，燃燒放熱發(fā)生時刻提前，但所能達到的最大溫度值并無明顯規(guī)律，在溫度為459.5K時放熱值較大，此溫度應(yīng)理解為燃料在其他條件不變的情況下，該溫度值為經(jīng)濟性較好的燃燒溫度。

圖1 不同進氣溫度時缸內(nèi)壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.1 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet temperature is different

2.2 進氣壓力對燃燒的影響分析

改變進氣壓力，壓力的變化取值分別為1.065 atm、1.19 atm、1.315 atm、1.44 atm 和1.565 atm， (其中，1 atm=1.013 25×105Pa=0.101 325 MPa)所得的結(jié)果如圖2所示。

對模擬結(jié)果進行分析可以得出如下結(jié)論:從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，缸內(nèi)壓力和溫度所能達到的峰值，隨著進氣壓力的升高而增大。且缸內(nèi)壓力和溫度峰值出現(xiàn)的時刻也相應(yīng)提前;從圖2(c)中可以看出，系統(tǒng)的熱損失速率在大于1.19 atm的高壓范圍內(nèi)，隨著進氣壓力的升高而加快，且發(fā)生時刻提前。但是在低壓時，出現(xiàn)了相反情況?？梢姰斶M氣壓力不足時，燃料的燃燒將會惡化;從圖2(d)中可以看出，燃料燃燒的凈生熱的發(fā)生時刻隨著壓力的升高而提前，在數(shù)值上的分布上并無明顯規(guī)律，但是在進氣壓力為1.065 atm(模型自定義的進氣壓力)出現(xiàn)一個較大的氣缸壓力值。可見在其他條件不變的情況下，發(fā)動機燃燒存在一個理想的進氣壓力范圍使得燃燒狀況達到最優(yōu)。

2.3 壓縮比對燃燒的影響分析

最后改變發(fā)動機的壓縮比，壓縮比的變化取值分別為11.5、12.75、14、15.25和16.5，所得的結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同進氣壓力時缸內(nèi)壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.2 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet pressure is different

以上的模擬結(jié)果可以得出如下結(jié)論:隨著壓縮比的增大，各項指標 (氣缸壓力、溫度、凈生熱值和熱損失速率)也相應(yīng)增大，但是當壓縮比超過一定范圍 (本仿真結(jié)果為16.5)，氣缸壓力和溫度等都出現(xiàn)明顯的突變，可見其燃燒狀況已經(jīng)極不穩(wěn)定，出現(xiàn)爆震等燃燒惡化的結(jié)果，這樣的情況下極有可能出現(xiàn)發(fā)動機的硬件損傷，所以在實際工作中要結(jié)合乙醇汽油燃燒特點確定合理的發(fā)動機結(jié)構(gòu)，既滿足動力性需求，又合理降低發(fā)動機的制造成本。

3 結(jié)論

基于化學反應(yīng)動力學軟件CHEMKIN，對將異辛烷和乙醇混合的機理文件進行乙醇汽油的燃燒過程模擬［6］，從模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)隨著進氣溫度的上升，缸內(nèi)壓力和溫度變化不大，但是凈生熱值在進氣溫度約459.5 K左右時較大，燃料在該溫度下燃燒的經(jīng)濟性較好。

(2)隨著進氣壓力的增大，乙醇汽油燃燒時氣缸壓力和溫度峰值均會增大，且滯燃期縮短;進氣壓力不足將嚴重影響乙醇汽油的燃燒。

圖3 不同壓縮比時缸內(nèi)壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.3 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and Etc.when the inlet Compression ratio is different

(3)在一定范圍內(nèi)增加壓縮比，所模擬的各項指標 (進氣溫度、進氣壓力、熱損失速率和凈生熱值)都相應(yīng)增加。但壓縮比達到16.5左右時，會出現(xiàn)燃燒狀況不穩(wěn)定等情況。所以在實際問題中要結(jié)合乙醇汽油特點，確定發(fā)動機合理的壓縮比以獲得良好的動力性。

［1］陳志方，常耀紅.基于 Chemkin的甲烷HCCI燃燒模擬研究［J］.北京汽車，2010(5):10 －13.

［2］姚春玲.汽油機進氣混合O2/CO2的燃燒機理與性能研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學，2011.

［3］張 霞.甲醇汽油排放建模與預(yù)測［D］.北京:清華大學，2009.

［4］呂 昊.CHEMKIN軟件在均質(zhì)壓燃及燃料改質(zhì)數(shù)值模擬中的應(yīng)用［D］.西安:長安大學，2010.

［5］崔淑華，胡亞楠.發(fā)動機燃用乙醇汽 油的燃燒數(shù)值模擬分析［J］.森林工程，2007，23(2):28 －30.

［6］孫 杰.汽油機燃用乙醇汽油混合燃料的仿真研究［D］.杭州:浙江大學，2010.