吳玥

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雙燃料燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程研究

吳玥

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230000）

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，文章結(jié)合相關(guān)研究工作和國(guó)際最新燃燒理論發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種柴油機(jī)燃燒新方法：汽油/柴油混合燃燒，即以異辛烷在進(jìn)氣道噴射混合空氣形成混合氣，來(lái)代替常規(guī)空氣進(jìn)行燃燒。

發(fā)動(dòng)機(jī)；異辛烷/正庚烷混合燃燒；比例；比較分析

1 研究背景及意義

當(dāng)下，我國(guó)的城市空氣污染開(kāi)始呈現(xiàn)出煤煙和機(jī)動(dòng)車尾氣復(fù)合污染的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境以及群眾的人身健康。面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題和日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)，身為汽車人的我們要盡可能的優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的有害物排放更是要放在重中之重了。

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，我們開(kāi)始思索一種新方式，結(jié)合柴油和汽油燃燒特性，吸取兩者各自間的優(yōu)勢(shì)，獲得更加高效清潔的燃燒模式。1963年，Schwentzer第一次提出混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的概念。此后，不斷地有研究人員對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究和探索。經(jīng)過(guò)前人大量的理論和實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)對(duì)燃料的重新優(yōu)化重組（即有別于傳統(tǒng)燃燒方式，改變混合燃料的配比），利用低燃點(diǎn)的柴油壓縮引燃與空氣混合的易揮發(fā)的汽油，在燃燒熱效率提高的同時(shí)，可縮短著火延遲期，也可以降低碳煙和NOx的排放。

2 正庚烷異辛烷混合燃燒過(guò)程簡(jiǎn)介

由于汽油和柴油是兩種不同的復(fù)雜多烴混合物，對(duì)于它們的燃燒過(guò)程，尚且沒(méi)有一套完善準(zhǔn)確的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理來(lái)進(jìn)行描述。而正庚烷的十六烷值，以及異辛烷的辛烷值分別與柴油和汽油的該值相近，為了簡(jiǎn)化模型，本次研究中，用異辛烷來(lái)代替汽油，正庚烷代替柴油，來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的汽油柴油混合燃燒的模擬計(jì)算。

理論研究表示，汽油與柴油的混合燃燒，由于混合燃料中存在著沸點(diǎn)低，易揮發(fā)的輕質(zhì)分子，燃料與空氣的混合速度就能夠被加快，形成一種相較于只進(jìn)行柴油噴射時(shí)更均勻的混合氣，從而能夠使得缸內(nèi)過(guò)濃的區(qū)域明顯減少，與此同時(shí)碳煙排放就可以大幅降低。同時(shí)，在燃燒過(guò)程中，混合氣內(nèi)的柴油成分，其具有低著火點(diǎn)的性能，容易著火，便可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)壓縮著火，以提高指示熱效率的目的。

本文研究采用的是異辛烷進(jìn)氣道噴射，正庚烷缸內(nèi)噴射的方式來(lái)進(jìn)行燃燒模擬的。

3 雙燃料燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程

3.1 燃燒室和噴油器設(shè)定

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，在軟件內(nèi)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，然后通過(guò)修改12組幾何參數(shù)來(lái)確定燃燒室結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)定壓縮比到17左右（誤差盡可能小，優(yōu)于計(jì)算）。接下來(lái)，選擇合適的噴油器模型。

圖1 燃燒室和噴油器的設(shè)定

在完成上述基本參數(shù)設(shè)定后，Mesher部分就可以對(duì)剛剛建立的燃燒室模型自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.2 解算器的設(shè)定

在本研究中所采用的是Crank-Angle模式（即基于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角），同時(shí)設(shè)定好計(jì)算的起止時(shí)刻和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速這些參數(shù)。由于軟件中規(guī)定720°CA對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的上止點(diǎn)位置，同時(shí)為了便于我們的計(jì)算，我們?cè)O(shè)定計(jì)算始點(diǎn)為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻（即753°CA），計(jì)算終點(diǎn)為排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻（即857°CA）；計(jì)算期間所設(shè)置的步長(zhǎng)會(huì)直接影響計(jì)算的精度、時(shí)間和穩(wěn)定性，所以在計(jì)算初期，采用小步長(zhǎng)，以使得計(jì)算趨于穩(wěn)定。后期可逐步調(diào)大步長(zhǎng)，在接近噴油階段（本次研究設(shè)定的噴油時(shí)刻為708°CA）時(shí)要調(diào)小步長(zhǎng)，在燃燒階段所設(shè)定的步長(zhǎng)就要更加精細(xì)了，以便有效描述燃燒過(guò)程。

圖2 計(jì)算步長(zhǎng)的設(shè)定

3.3 邊界條件、初始條件的設(shè)定

由于本研究是模擬從進(jìn)氣門(mén)關(guān)到排氣門(mén)開(kāi)這一階段（即高壓循環(huán)階段），計(jì)算過(guò)程中氣缸是閉口系，邊界類型均默認(rèn)為wall，只需對(duì)壁面溫度進(jìn)行用戶需要的設(shè)定。值得注意的是，在軸邊界設(shè)置中邊界類型要設(shè)為對(duì)稱邊界(symmetry)，以此來(lái)保證柴油機(jī)部分模型的中心網(wǎng)格是六面體。

本次研究我們?cè)O(shè)定初始?jí)毫蜏囟确謩e為100000pa和370K；在這兩者確定后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算空氣密度值。初始條件中還包含了湍動(dòng)能和渦流強(qiáng)度，湍動(dòng)能（TKE）的計(jì)算如下：

V=0.70（小缸徑高速柴油機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式）

其中：V：湍流波動(dòng)速度 (m/s)；V：活塞平均速度 (m/s)；h：沖程(m)；n：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。計(jì)算可得，湍動(dòng)能TKE =52.3（m2/s2）；

發(fā)動(dòng)機(jī)渦流強(qiáng)度等于渦流比乘以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由于本研究中的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道為螺旋式進(jìn)氣道，其形狀較為復(fù)雜，渦流比范圍是2~4，研究中取3，則渦流強(qiáng)度為6600r/min。湍流尺度與擴(kuò)散率采用軟件默認(rèn)值。

3.4 其余模塊、模型的設(shè)定

（1）物質(zhì)輸運(yùn)模塊：用于模擬化學(xué)組分的輸運(yùn)，同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中提供輸運(yùn)的化學(xué)方程。本文選擇standard模型即可。

圖3 平均壓力圖

（2）燃燒模型：本次研究中采用的是柴油機(jī)，故采用ECFM-3Z模型來(lái)描述柴油機(jī)燃燒過(guò)程。

（3）排放模型：本文采用的是Zeldovich模型來(lái)作為NOx的排放模型；同時(shí)采用Frolov Kinetic Model模型作為soot(碳煙)的排放模型。

3.5 通用氣相模塊

以標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣燃燒的模擬計(jì)算參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)修改物質(zhì)輸運(yùn)模塊和通用氣相反應(yīng)模塊的參數(shù)來(lái)模擬計(jì)算通用燃燒部分。設(shè)置進(jìn)氣組分?jǐn)?shù)量為16，給進(jìn)氣組分分別賦初始值。由于異辛烷為進(jìn)氣道噴射，在進(jìn)氣的初始組分中就存在，所以要重新計(jì)算各物質(zhì)組分占比，為其賦值。異辛烷和正庚烷比例1：1，燃料總量不變，正庚烷的噴射量就變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)燃燒下的一半，即為4.08×10-6kg，同時(shí)異辛烷的質(zhì)量也就是4.08×10-6kg。理論空燃比為14.3，過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)置為1.5，則實(shí)際進(jìn)空氣量m air為87.087×10-6kg，總混合進(jìn)氣量m總=mair+m異辛烷，分別求出氧氣O2、氮?dú)釴2和異辛烷C7H16占總混合進(jìn)氣量的質(zhì)量比例。

4 模擬結(jié)果及結(jié)果分析

以下是標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣燃燒與異辛烷正庚烷1：1比例的通用燃燒的一系列描述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒參數(shù)的比較圖：

圖4 平均溫度圖

從以上兩張圖片可以看出，模擬的通用燃燒部分燃燒效果更好，其壓力曲線和溫度曲線的斜率角抖，且燃燒始點(diǎn)相較于標(biāo)準(zhǔn)燃燒也提前了10°CA之多，最高壓力和最高溫度分別達(dá)到了10Mpa和2300K以上，相較于標(biāo)準(zhǔn)燃燒其燃燒更充分更快速。

圖5 平均CO含量

分析原因：由于異辛烷的添加，提高了混合氣的易燃性，延長(zhǎng)了著火延遲期，使燃油和空氣充分預(yù)混合，燃燒更加充分、高效。由此可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)中加入適量的汽油與空氣進(jìn)行預(yù)混合，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率。

圖6 平均CO2含量

而數(shù)據(jù)表明燃燒過(guò)程中H和OH的含量，通用燃燒較標(biāo)準(zhǔn)燃燒有所增加，這兩者是燃燒過(guò)程中的活性物質(zhì)，其含量反映了燃燒的進(jìn)程，即燃燒速度的快慢。可見(jiàn)，通用部分的燃燒更加劇烈，速度更快，活性更高。

圖5、6分別是燃燒過(guò)程中的CO、CO2的含量，這兩者可以用來(lái)描述燃燒的排放特性。通用燃燒進(jìn)程不僅相較于標(biāo)準(zhǔn)燃燒更快速更高效，其燃燒也更加完全，意味著對(duì)燃料的利用率也更高，所以CO2的生成量在圖中也就更高了。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)雙燃料燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的研究，得出了如下結(jié)論：

（1）雙燃料燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的簡(jiǎn)化機(jī)理具有適用性，可利用正庚烷代替柴油，異辛烷代替汽油，來(lái)對(duì)實(shí)際燃燒過(guò)程進(jìn)行初步的簡(jiǎn)化分析；

（2）在一定范圍內(nèi)，往柴油機(jī)中增加汽油可以有效提高燃燒效率和速度以及燃燒的質(zhì)量，同時(shí)降低排放。因?yàn)樵谌剂蟽?nèi)加入了可以提高燃料總體易燃性的物質(zhì)，再者異辛烷的揮發(fā)性好，使得燃燒的預(yù)混合階段混合氣更加均勻，燃燒效果會(huì)更好，燃燒速率增加，碳煙的排放降低。

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Research on working process of dual fuel combustion engine

Wu Yue

（Anhui jianghuai group co., ltd, Anhui Hefei 230000）

In order to meet the increasingly stringent emission regulations, this paper proposes a new combustion method for diesel engine, i.e. gasoline/diesel blend combustion, in which isooctane is injected into the intake port to form a mixture instead of conventional air. Burn.

Engine; Isooctane/N-heptane combustion; Proportion; Comparative analysis

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1671-7988(2018)22-181-03

U464

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吳玥，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.065