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(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性和排放物的數(shù)值模擬研究

回勝,孫銳

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

本文分析利用CHEMKIN軟件中的零維單區(qū)HCCI模型模擬了不同的邊界參數(shù)包括：壓縮比、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和轉(zhuǎn)速對(duì)天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性及排放物的影響。利用模擬的結(jié)果分析了邊界參數(shù)的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度、壓力、著火時(shí)刻和污染物排放的影響，為合理選擇天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的邊界參數(shù)提供了參考。

發(fā)動(dòng)機(jī)；天然氣；排放物；HCCI；CHEMKIN

0 引言

均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)(HCCI)結(jié)合了汽油機(jī)“均質(zhì)混合氣”和柴油機(jī)“壓燃點(diǎn)火”的這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是一種具有發(fā)展前景的新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式。國(guó)內(nèi)科研單位針對(duì)天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性開展了一些相關(guān)理論研究。2013年高宏達(dá)[1]對(duì)摻氫天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。2012年劉欣等人[4]對(duì)甲烷HCCI燃燒反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析研究。2012年堯命發(fā)等人[2]對(duì)均質(zhì)壓燃技術(shù)進(jìn)行了分析展望。2009年許健等人[5]對(duì)天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。2012年侯明陽(yáng)[6]對(duì)乙醇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)和甲烷HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性進(jìn)行了模擬仿真。目前天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)是天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中最具前景的方式之一，開展天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程研究具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 HCCI(均質(zhì)壓縮燃燒)介紹

HCCI燃燒方式是指“均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃”，它出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末期，由于控制技術(shù)的限制，HCCI燃燒方式并沒有獲得足夠的重視。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)90年代后，發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)的要求日益嚴(yán)格，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求也越來越高，HCCI在低耗節(jié)能低排放方面的優(yōu)勢(shì)使得HCCI燃燒方式得到了人們的高度關(guān)注。

“均質(zhì)壓燃，低溫燃燒”不同于傳統(tǒng)的汽油機(jī)的燃燒過程，也不同于柴油機(jī)燃燒過程。它的基本思想是在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過控制內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)的溫度和壓力，控制燃料、活化基以及再循環(huán)廢氣的濃度，實(shí)現(xiàn)燃燒邊界條件與燃料化學(xué)協(xié)同控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)過程的控制，實(shí)現(xiàn)可控的高效、清潔燃燒，最大限度地提高熱效率，降低有害污染物的生成。它的科學(xué)意義在于正在開辟一個(gè)全新燃燒學(xué)領(lǐng)域。

初期的研究發(fā)現(xiàn)，HCCI 燃燒沒有火焰?zhèn)鞑ィ|(zhì)混合氣燃燒過程呈現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)著火的特征，是追求“均質(zhì)、整體、低溫”的燃燒。HCCI燃燒方式適合柴油、汽油、天然氣等多種液體和氣體燃料，天然氣由于是氣體燃料，容易形成均勻的混合氣，又由于抗爆性較好(辛烷值高達(dá)130)，可以采用較高的壓縮比以實(shí)現(xiàn)壓縮著火。故天然氣比其它幾種燃料更適合均質(zhì)混合壓縮著火的工作方式。

HCCI燃燒方式與傳統(tǒng)汽油機(jī)的火花塞點(diǎn)火預(yù)混燃燒方式不同，同時(shí)與傳統(tǒng)柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒方式也不同，HCCI結(jié)合了上述兩種燃燒方式，同時(shí)具有它們的優(yōu)點(diǎn)。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)沒有節(jié)流損失，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率相當(dāng)高，同時(shí)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的壓縮比，壓縮著火持續(xù)的燃燒時(shí)間短，熱效率得以進(jìn)一步的提高，因此HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)能以稀薄混合氣獲得相對(duì)較高的動(dòng)力。下圖為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)系。

2 模擬方案

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)從理論上來說，燃料與空氣的混合氣是均質(zhì)的，而且HCCI燃燒方式的一個(gè)特點(diǎn)就是多點(diǎn)同時(shí)著火，沒有明顯的火焰前鋒，燃燒溫度比較均勻，整個(gè)燃燒室空間范圍內(nèi)幾乎是同時(shí)著火，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)各種參數(shù)只與時(shí)間相關(guān)，而與空間位置幾乎無關(guān)，因此我們可以簡(jiǎn)化HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模型，直接采用CHEMKIN中的零維單區(qū)HCCI模型來對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程進(jìn)行模擬并分析。反應(yīng)機(jī)理選用GRI-Mech3.0。

氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能在很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)初始參數(shù)。以下研究主要考慮燃料為天然氣時(shí)的特性，天然氣的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷等烷烴中的輕組分。本文模擬所采用的天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1。

表1 天然氣組成

表2 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

3 邊界參數(shù)對(duì)天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

3.1 壓縮比的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用可變壓縮比是很困難的，但是，壓縮比的作用是不可以忽略的，因?yàn)樗前l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)?？梢酝ㄟ^直接改變氣缸容積或者間接改變氣門開閉時(shí)間來研究壓縮比對(duì)著火點(diǎn)的影響。

模擬工況的初始參數(shù)：轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；初始溫度為447 K；初始?jí)毫?07 911 Pa；當(dāng)量比為0.3；壓縮比取16.5、18、20、22、24、26。缸內(nèi)溫度和壓力及NO的排放隨壓縮比變化的模擬結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 不同壓縮比對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

圖3 不同壓縮比對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖4 不同壓縮比對(duì)NO排放的影響

可以看出隨著壓縮比的增加，著火時(shí)刻相對(duì)更接近上止點(diǎn)。在相同的當(dāng)量比的條件下，當(dāng)壓縮比升高且活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)容積逐漸變小，燃?xì)獾臐舛炔粩嗌?，從而使著火時(shí)刻不斷提前。即隨著壓縮比的增大，著火時(shí)刻不斷提前，當(dāng)壓縮比超過16.5并繼續(xù)增加時(shí)，著火時(shí)刻提前變緩。從圖2看出提高壓縮比，可以使缸內(nèi)溫度峰值提高。由于高溫是NO產(chǎn)生的重要條件，因此隨著壓縮比的提高NO的排放也逐漸增加。

3.2 進(jìn)氣溫度的影響

模擬工況的初始參數(shù)：壓縮比為16.5；轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；當(dāng)量比為0.3；進(jìn)氣壓力為107 911 Pa；進(jìn)氣溫度分別為407 K、417 K、427 K、437 K、447 K。缸內(nèi)溫度和壓力及NO的排放隨進(jìn)氣溫度變化的模擬結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 不同進(jìn)氣溫度對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

圖6 不同進(jìn)氣溫度對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖7 不同進(jìn)氣溫度對(duì)NO排放的影響

進(jìn)氣溫度變化對(duì)天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性有明顯的影響。在進(jìn)氣溫度低于427 K時(shí)，由于進(jìn)氣溫度過低燃料無法燃燒，因此當(dāng)進(jìn)氣溫度為407 K和417 K時(shí)缸內(nèi)的溫度曲線和壓力曲線幾乎重合。當(dāng)溫度達(dá)到427 K時(shí)，隨著進(jìn)氣溫度的升高，著火時(shí)刻提前，缸內(nèi)最高溫度也隨之升高。即此時(shí)進(jìn)氣溫度越高，著火時(shí)刻越提前，因此改變進(jìn)氣溫度能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)著火定時(shí)進(jìn)行控制。如圖7當(dāng)進(jìn)氣溫度為407 K和417 K時(shí)，由于進(jìn)氣溫度過低，燃料無法燃燒，此時(shí)NO的排放為0。當(dāng)進(jìn)氣溫度到達(dá)427 K并繼續(xù)提高時(shí)會(huì)對(duì)NO排放有較大的不利影響，但會(huì)使放熱率得到提高。

3.3 進(jìn)氣壓力的影響

模擬工況的初始參數(shù)：壓縮比為16.5；轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；當(dāng)量比為0.3；進(jìn)氣溫度為447 K；進(jìn)氣壓力分別為107 911 Pa、168 706 Pa、229 501 Pa、290 296 Pa、351 091 Pa。缸內(nèi)溫度和壓力及NO的排放隨進(jìn)氣壓力變化的模擬結(jié)果如圖8-圖10所示。

圖8 不同進(jìn)氣壓力對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

圖9 不同進(jìn)氣壓力對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖10 不同進(jìn)氣壓力對(duì)NO排放的影響

可以看出隨著初始?jí)毫Φ奶岣?，著火時(shí)刻不斷提前。這是因?yàn)椋谀M中改變進(jìn)氣壓力，保持進(jìn)氣溫度和當(dāng)量比不變，在相同的曲軸轉(zhuǎn)角下，初始?jí)毫^高時(shí)，燃料濃度較大，從而導(dǎo)致反應(yīng)加快，著火點(diǎn)時(shí)刻提前。隨著進(jìn)氣壓力的增加，缸內(nèi)壓力的峰值顯著增加，而對(duì)缸內(nèi)溫度變化影響較小。隨著進(jìn)氣壓力提高NO排放稍有增加，但是氮氧化物的排放可以保持在一定的范圍內(nèi)，因此增大進(jìn)氣壓力在降低排放方面是一項(xiàng)非常具有吸引力的措施。

3.4 轉(zhuǎn)速的影響

模擬工況的初始參數(shù)：壓縮比為16.5；當(dāng)量比為0.3；進(jìn)氣溫度為447 K；進(jìn)氣壓力為107 911 Pa；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min、1 100 r/min、1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min。缸內(nèi)溫度和壓力及NO的排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的模擬結(jié)果如圖11-圖13所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

圖12 不同轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖13 不同轉(zhuǎn)速對(duì)NO排放的影響

如圖11和圖12所示轉(zhuǎn)速提高后，對(duì)缸內(nèi)溫度峰值和缸內(nèi)壓力峰值幾乎沒有影響。但是峰值出現(xiàn)的時(shí)刻不斷提前,燃燒整體提前。如圖13所示隨著轉(zhuǎn)速的增加，NO排放略微降低。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致燃料的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相對(duì)變少了，NO生成的化學(xué)反應(yīng)也需要時(shí)間，氧和氮在缸內(nèi)滯留的時(shí)間是NO生成的一種重要因素。

4 總結(jié)

天然氣燃料是一種清潔能源，采用HCCI均質(zhì)壓燃技術(shù)后，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的經(jīng)濟(jì)性以及清潔型均優(yōu)于傳統(tǒng)燃料汽車，因此HCCI天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的發(fā)展前景。本文基于化學(xué)反應(yīng)模擬軟件CHEMKIN模擬了HCCI燃燒過程，得出以下結(jié)論：(1)隨著壓縮比提高，著火時(shí)刻不斷提前，缸內(nèi)溫度提高，NO的排放也逐漸增加。因此，在保證排放的前提下，需要在不同工況下選擇合適的壓縮比；

(2)隨著進(jìn)氣溫度的增加，著火時(shí)刻提前，缸內(nèi)溫度峰值提高，當(dāng)溫度達(dá)到427 K時(shí)NO的排放也隨之升高。因此，在不同工況下要選擇合適的進(jìn)氣溫度，即可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性也滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的排放要求；

(3)隨著進(jìn)氣壓力的升高，著火時(shí)刻不斷提前，缸內(nèi)壓力的峰值顯著增加，而缸內(nèi)溫度變化較小，NO排放有微小增加，因此，增壓對(duì)提高HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性是一種十分有效的措施，但要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度要求；

(4)當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，著火時(shí)刻延遲，NO排放有微小的降低，缸內(nèi)溫度峰值和缸內(nèi)壓力峰值幾乎沒有變化，因此為了選擇理想的著火點(diǎn)以及有效控制NO的排放要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

[1]高宏達(dá).摻氫天然氣HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性模擬研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

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SimulationStudyonCombustionCharacteristicandEmissionsofNaturalGasHCCIEngine

HUI Sheng,SUN Rui

(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

This article simulates that the influence concerning combustion characteristic and emissions of HCCI Engine aroused by different parameters via CHEMKIN software. And these parameters include: compression ratio,intake temperature,intake air pressure and rotational speed. Simulation results show the variation of cylinder temperature, pressure, ignition timing and emissions caused by boundary parameters. The research conclusions could be referred for designing boundary parameters of HCCI Engine reasonable.

engine; natural gas; emissions; HCCI; CHEMKIN

2014-03-06修訂稿日期2014-05-14

回勝(1986～)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)樘烊粴馊紵I(lǐng)域。

TK479;TK16

A

1002-6339 (2014) 05-0443-04