王貴龍，鞠洪玲

DMF/柴油RCCI燃燒碳煙生成數(shù)值模擬

王貴龍1, 2，鞠洪玲1, 2

(1. 武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070；2. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

由于石油資源的短缺和汽車尾氣排放的污染問題日益嚴重，開發(fā)內(nèi)燃機可替代燃料以及新型燃燒方式，成為了當前研究領域的熱點．本文以進氣道噴射DMF、缸內(nèi)直噴柴油，模擬研究DMF/柴油RCCI發(fā)動機碳煙生成特性．基于一臺雙燃料發(fā)動機，建立三維仿真模型，采用基于離散分區(qū)法的詳細碳煙模型，研究DMF預混比對碳煙生成過程及顆粒粒徑分布的影響規(guī)律．結(jié)果表明，隨DMF預混比的增加，混合氣活性降低，滯燃期增大，燃燒相位逐漸滯后，燃燒持續(xù)期逐漸增大，缸內(nèi)溫度降低，高溫高當量比區(qū)域減??；碳煙排放總質(zhì)量降低，核態(tài)顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量增加，積聚態(tài)顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量降低．

詳細碳煙模型；RCCI；碳煙粒徑分布；數(shù)值模擬

傳統(tǒng)壓燃式柴油機由于柴油黏度高、揮發(fā)性差，噴霧燃燒以擴散燃燒為主，易形成局部高溫過濃區(qū)，碳煙排放較高．研究學者[1-3]提出了反應活性控制壓燃(RCCI)燃燒模式，利用進氣道噴射汽油，缸內(nèi)直噴柴油，實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度與反應活性分層，通過對燃燒相位的控制降低排氣中的碳煙和氮氧化物. 除了使用汽油作為低反應性燃料以外，國內(nèi)研究人員[4-6]還使用乙醇、正丁醇、含水乙醇等替代燃料作為低反應性燃料進行了RCCI燃燒的研究．

2，5-二甲基呋喃(DMF，C6H8O)是第2代生物質(zhì)含氧燃料，物化性質(zhì)與汽油相近[7]．相比于醇類燃料，DMF具有能量密度高、辛烷值高等優(yōu)點，是一種新型內(nèi)燃機替代燃料．Zhong等[8]在一臺單缸直噴點火發(fā)動機上研究了DMF、汽油和乙醇的燃燒和排放特性的差別，實驗結(jié)果表明DMF作為一種汽油代用燃料，其燃燒及排放特性與汽油相似．Daniel等[9]進一步研究了點火時刻以及負荷對燃用DMF、汽油和乙醇的影響，研究結(jié)果表明，DMF的燃燒效率更高，低負荷時DMF與汽油的碳煙排放相當，高負荷時DMF燃燒會產(chǎn)生更多核態(tài)顆粒物，而積聚態(tài)顆粒物更少．DMF的十六烷值較汽油更低，在RCCI燃燒方式中可作為低反應性燃料在進氣道噴射．Zheng等[10]在一臺單缸柴油發(fā)動機進氣道分別噴射3種低反應性含氧生物燃料正丁醇、2，5-二甲基呋喃和乙醇，研究了生物質(zhì)燃料特性對RCCI燃燒和排放的影響．結(jié)果表明，在不同的噴射時刻下，3種RCCI模式的燃燒和排放趨勢基本一致，提高低活性燃料預混比，能有效降低碳煙和NO排放．

綜上可知，使用DMF作為低反應性燃料在RCCI燃燒方式中能夠降低碳煙，但是實驗不能獲知碳煙生成的機理，因此有必要對DMF/柴油RCCI燃燒碳煙生成進行數(shù)值模擬．近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，碳煙模型已經(jīng)由經(jīng)驗模型[11]、現(xiàn)象學模型[12-14]發(fā)展為詳細動力學模型．詳細動力學模型利用詳細的化學反應機理描述碳煙前驅(qū)物的形成過程，采用數(shù)值方法對碳煙的顆粒尺度分布函數(shù)(particle size distribution function，PSDF)進行詳細的數(shù)學分析，同時對各種復雜的碳煙生成與氧化過程進行求解．按照所應用的數(shù)值方法可分為蒙特卡羅法、矩方法以及離散分區(qū)法等．蒙特卡羅法基于運動的坐標系統(tǒng)直接對離散顆粒進行跟蹤，從而能夠得到顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細節(jié)信息．Mosbach等[15]基于蒙特卡羅法的求解器SWEEP構(gòu)建詳細碳煙模型，對碳煙聚集體的形態(tài)和化學成分進行描述．蒙特卡羅法雖然能準確預測PSDF，但計算成本很高．矩方法是描述PSDF的矩的演變過程的方法，一般可得到尺度分布的一些平均信息，如顆?？倲?shù)目、平均尺度、多分散程度等. Frenklach等[16]基于矩方法開發(fā)了詳細碳煙模型，通過求解碳煙粒徑的矩方程，模擬得到碳煙顆粒數(shù)和粒徑等信息．矩方法的計算量較小，算法相對簡單，但它以PSDF的低階矩為求解目標，無法得到離散顆粒群的細節(jié)信息．離散分區(qū)法[17-19]用一定數(shù)量的分段來表示碳煙的粒徑分布，每一個分段對應一個粒徑范圍，通過求解碳煙在各個分段內(nèi)的輸運方程，模擬所涉及的成核、凝結(jié)過程和表面反應，其優(yōu)點是可以獲得詳細的粒徑分布信息且計算代價?。?/p>

本文基于某臺改裝過的RCCI單缸機，以2，5-二甲基呋喃為低反應性燃料在進氣道噴射，以柴油為高反應性燃料，缸內(nèi)直噴．應用三維CFD軟件CONVERGE建立三維仿真模型，使用基于離散分區(qū)法的顆粒尺寸模擬PSM(particulate size mimic)[20-21]詳細碳煙模型，耦合詳細化學反應機理，探究DMF預混比對RCCI燃燒中碳煙生成過程及尺寸分布的影響規(guī)律．

1?PSM詳細碳煙模型

PSM模型將顆粒尺寸分布離散為有限數(shù)量的分段，每個分段代表一個特定的碳煙顆粒體積區(qū)間，由相同體積的粒子組成，分段邊界定義如下：

式中：max是分段的數(shù)量；MIN表示第1個成核粒子的體積，對應兩個A4(芘)分子所占的體積；MAX表示最大的粒子體積．不同分段的尺寸隨著幾何級數(shù)的增加而增加，v,min和v,max是各分段左右兩端的顆粒體積．

每個分段的碳煙質(zhì)量分數(shù)Y,i用輸運公式(2)計算：

式中：是氣相密度；是氣體流速；D,i是分段內(nèi)的碳煙的湍流擴散系數(shù)；Q是分段內(nèi)的體積分數(shù)源項，為每個分段內(nèi)成核、凝結(jié)、表面生長和氧化源項之和；N()表示時刻分段的粒子數(shù)；β,j是分段和分段內(nèi)粒子之間的碰撞頻率系數(shù)．

1.1?碳煙成核

碳煙成核是指第1個最小固體碳煙顆粒的形成過程，是由兩個A4分子碰撞的結(jié)果，僅在第1個分段內(nèi)通過方程(5)計算：

式中：PAH是PAH組分的體積；PAH,PAH是兩個PAH組分相互碰撞的碰撞系數(shù)；PAH是PAH的數(shù)量密度.

1.2?碳煙凝結(jié)

碳煙碰撞凝結(jié)由較小的碳煙顆粒相互碰撞并結(jié)合形成較大的單一球形碳煙顆粒的物理過程，用公式(6)計算：

公式中的第1項表示由于兩個較小尺寸和的粒子碰撞產(chǎn)生的粒子進入分段中，第2項表示尺寸的粒子與尺寸粒子碰撞，產(chǎn)生的顆粒分布在分段內(nèi)．第3項表示尺寸的粒子與尺寸的粒子碰撞，碰撞產(chǎn)生超出,max的顆粒而離開分段．

1.3?碳煙表面反應

碳煙表面反應包括表面生長和氧化反應，每個分段內(nèi)表面生長體積分數(shù)sg,i和氧化體積分數(shù)ox,i通過Marchal方程[22]計算：

式中：是反應的表面位置分數(shù)；是表面生長和氧化的動力學速率；是表示碳煙顆粒不規(guī)則性質(zhì)的表面指數(shù)因子．

2?DMF/柴油RCCI燃燒仿真模型建立與驗證

本文以一臺輕型單缸柴油機改裝的雙燃料發(fā)動機為原型機建立數(shù)值模型，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表1．由于原型機采用6孔噴油器，為提高計算效率，使用1/6燃燒室作為模型的幾何結(jié)構(gòu)．模型網(wǎng)格精度為2mm，采用2級自適應加密和局部嵌入式加密，上止點時的幾何結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，網(wǎng)格數(shù)為260000，仿真計算主要子模型如表2所示．其中，湍流模型采用RNG模型[23]，計算公式：

式中：為湍動能；為湍流耗散率；為湍流源項．

傳熱模型采用Reitz等[24]建立的壁面函數(shù)傳熱模型，計算公式如下：

式中：c為比熱容；f為流體溫度；w為壁面溫度；為網(wǎng)格到壁面距離；m為分子普朗特數(shù)．

表1?原型機主要技術(shù)參數(shù)

Tab.1?Diesel engine specifications

圖1?上止點時的計算網(wǎng)格

表2?主要子模型

Tab.2?Main submodels

燃燒模型采用SAGE求解器[25]，模型基于詳細化學動力學，能精確計算反應機理中基元反應的反應速率和輸運方程．

模型驗證采取純柴油工況，轉(zhuǎn)速為1600r/min，噴油量為45mg，噴油正時-25°CA．圖2給出了數(shù)值模擬與實驗缸壓及放熱率曲線，缸壓最大誤差為2%，放熱率最大誤差為4%，均在誤差允許的范圍內(nèi)．表3為仿真模擬與實驗數(shù)據(jù)燃燒參數(shù)的對比，綜合看來，本文所構(gòu)建的仿真模型能夠反映發(fā)動機的實際工作情況．

圖2?模擬與實驗缸內(nèi)壓力、放熱率對比

表3?模擬與實驗燃燒參數(shù)對比

Tab.3　　Comparison of combustion performance between experiment and simulation

3?DMF預混比對RCCI燃燒特性和碳煙排放特性的影響

模擬計算中DMF預混比按照DMF熱值占總熱值的比例進行計算[26]．表4列出了仿真模擬的工況條件．

表4?不同模擬工況條件設置

Tab.4　　Setting of calibrated boundary conditions in the model

3.1?DMF預混比對RCCI燃燒特性的影響

圖3和圖4分別是不同預混比對缸內(nèi)壓力、放熱率、滯燃期以及燃燒持續(xù)期的影響．由圖所示，隨著DMF預混比增大，著火時刻推遲，滯燃期和燃燒持續(xù)期延長．首先，這是因為在RCCI燃燒方式下，DMF先由進氣道噴入缸內(nèi)，與空氣混合，形成均勻的混合氣，柴油由缸內(nèi)直噴進入燃燒室，由于DMF的十六烷值更低，就形成了較為明顯的活性分層，且缸內(nèi)整體活性隨DMF預混比的增加而降低，因此導致著火時刻推遲且滯燃期延長．如圖5所示為混合氣的活性分布，圖中的活性是根據(jù)燃料的十六烷值來計算的[27]，計算公式見式(12)．

圖3?DMF預混比對缸內(nèi)壓力、放熱率的影響

式中：diesel和DMF分別表示柴油和DMF的摩爾分數(shù)，柴油的十六烷值取為52，DMF的十六烷值取為9.

同時，DMF汽化潛熱較之柴油更大，因此汽化蒸發(fā)的過程吸收了大量的熱量，致使缸內(nèi)平均溫度降低，如圖6所示，使得缸內(nèi)燃燒變得緩慢，燃燒持續(xù)期增大．

圖5?DMF預混比對著火時刻活性分布的影響

圖6?DMF預混比對缸內(nèi)平均溫度的影響

3.2?DMF預混比對碳煙生成過程的影響

模型以A4為碳煙前驅(qū)物，以C2H2為碳煙的表面生長組分，以OH和O2為碳煙氧化過程的關鍵組分．為了進一步探究預混比對碳煙生成過程的影響機制，圖7和圖8給出了碳煙顆粒數(shù)密度及關鍵中間組分質(zhì)量的變化曲線．由圖可以看出，A4和C2H2的質(zhì)量隨DMF預混比例的增加而逐漸減少，而O2的消耗量和OH的生成也呈減少的趨勢．主要原因是隨著DMF預混比例的增加，降低了缸內(nèi)溫度，減少了燃油裂解生成中間小分子產(chǎn)物的質(zhì)量．

圖7?DMF預混比對碳煙顆粒數(shù)密度的影響

圖9給出了不同預混比在上止點后10°CA的碳煙成核、表面生長、凝結(jié)以及氧化質(zhì)量分數(shù)的分布圖．由圖可知，預混比增加，碳煙成核、表面生長、凝結(jié)以及氧化質(zhì)量逐漸降低．主要原因是，RCCI燃燒方式通過進氣道噴射DMF，使DMF與空氣預先形成均勻的混合氣，再由缸內(nèi)直噴柴油，實現(xiàn)了濃度分層，預混比增加，直噴柴油量減少，減少了富油區(qū)域，減少了碳煙前驅(qū)物A4的生成，如圖8(a)所示，進而減小了碳煙的成核質(zhì)量．碳煙表面生長過程，與碳煙顆粒數(shù)密度以及C2H2分子濃度有關，綜合圖7顆粒數(shù)密度和圖8(b)C2H2的質(zhì)量的變化，碳煙表面生長質(zhì)量隨預混比的增加而降低．碳煙凝結(jié)過程為不同顆粒之間發(fā)生碰撞而聚合在一起形成更大碳煙顆粒的過程，由于預混比的增加，減少了碳煙成核數(shù)量，使得碳煙顆粒數(shù)密度降低，減少了顆粒碰撞的機會，因此碳煙凝結(jié)質(zhì)量下降．碳煙氧化反應是在碳煙顆粒表面與O2和OH等氧化劑組分發(fā)生的化學反應，綜合圖8(c)O2和圖8(d)OH的質(zhì)量變化，使得碳煙的氧化質(zhì)量隨預混比增加而降低．

圖9?上止點后10°CA碳煙生成和氧化質(zhì)量分數(shù)分布

圖10為不同預混比下碳煙總質(zhì)量變化曲線．由圖可知，隨預混比增大，最終生成的碳煙質(zhì)量逐漸降低．圖11～圖13分別為DMF預混比對缸內(nèi)溫度、當量比以及碳煙分布的影響．由圖中可以看出，碳煙主要生成在高溫高當量比的區(qū)域，在RCCI燃燒方式下，形成了較為明顯的溫度分層以及當量比分層，實現(xiàn)了分層燃燒，且隨著預混比的增加，高溫高當量比區(qū)域縮小，使得碳煙的生成量減少．

3.3?DMF預混比對碳煙尺寸分布的影響

根據(jù)碳煙顆粒直徑尺寸的大小分為核態(tài)、積聚態(tài)和粗態(tài)[28]．其中，核態(tài)顆粒物分布在3～20nm，積聚態(tài)顆粒物分布20～500nm之間．圖14為不同預混比碳煙的質(zhì)量分布和數(shù)量分布．從圖中可以看出，不同預混比例下，核態(tài)顆粒物數(shù)量都是最多的，但是核態(tài)顆粒物的質(zhì)量較積聚態(tài)顆粒物的少，碳煙質(zhì)量主要集中在較大粒徑范圍內(nèi)．隨預混比的增大，核態(tài)顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量升高，而積聚態(tài)顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量呈現(xiàn)降低的趨勢．

圖10?DMF預混比對碳煙總質(zhì)量的影響

圖11?DMF預混比對缸內(nèi)溫度分布的影響

圖12?DMF預混比對當量比分布的影響

圖13?DMF預混比對碳煙總質(zhì)量分數(shù)分布的影響

圖14?不同預混比對碳煙顆粒質(zhì)量和尺寸分布的影響

4?結(jié)?論

本文通過建立RCCI柴油機仿真模型，使用基于離散分區(qū)法的PSM詳細碳煙模型，探究不同DMF預混比例對DMF/柴油RCCI燃燒碳煙生成過程及顆粒尺寸分布的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1) 隨DMF預混比的增加，混合氣活性降低，滯燃期增大，燃燒相位逐漸滯后，燃燒持續(xù)期增大，缸內(nèi)溫度降低，高溫高當量比區(qū)域縮?。?/p>

(2) DMF/柴油RCCI燃燒方式在缸內(nèi)形成較為明顯的活性分層，實現(xiàn)了分層燃燒．由于DMF的活性更低、蒸發(fā)潛熱更大，因此DMF預混比的增加，降低了缸內(nèi)高溫高當量比區(qū)域，降低了燃油裂解生成C2H2、A4的質(zhì)量；進而減少了碳煙成核過程，也降低了燃燒前期的顆粒數(shù)密度，減少了碳煙表面生長、凝結(jié)過程；O2消耗量的減少以及OH生成量的降低，導致碳煙的氧化質(zhì)量分數(shù)降低．綜合分析碳煙生成和氧化的共同作用，DMF預混比的增加降低了最終的碳煙總生成質(zhì)量．

(3) 隨DMF預混比的增加，最終生成的碳煙顆粒物中，核態(tài)顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量增加，積聚態(tài)的質(zhì)量和數(shù)量降低．主要原因是，DMF預混比的增加減少了碳煙的成核過程，降低了燃燒前期的碳煙顆粒數(shù)密度，進而減少了碳煙顆粒的表面生長和凝結(jié)過程，使得小尺寸顆粒物數(shù)量得到累積．因此，最終生成的核態(tài)顆粒物數(shù)量增加，而積聚態(tài)的數(shù)量減少．

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Numerical Simulation of Soot Formation in DMF/Diesel RCCI Combustion

Wang Guilong1, 2，Ju Hongling1, 2

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan 430070，China)

Due to the shortage of petroleum resources and the pollution of automobile exhaust emissions，the development of alternative fuels and new combustion methods for internal combustion engines has become a hot spot in the current research field. In this paper，the soot generation characteristics of DMF/diesel RCCI engine are simulated and studied by using port injection of DMF and direct injection of diesel in the cylinder. A three-dimensional simulation model was established based on a dual-fuel engine. A detailed soot model based on the discrete segment method was used to study the effect of different DMF premixing ratios on soot particle generation and particle size distribution. The results showed that，with the increase of the DMF premixing ratio，the activity of the mixture decreased，both the ignition delay period and the combustion duration increased，combustion phase gradually lagged，and the cylinder temperature decreased. As the high-temperature and high-equivalent ratio area was reduced，the total amount of soot emission decreased，the mass and number of small-size particles increased，and the mass and number of large-size particles decreased.

detailed soot model；RCCI；particle size distribution；numerical simulation

TK42

A

1006-8740(2023)02-0235-08

10.11715/rskxjs.R202112013

2022-04-18.

國家自然科學基金資助項目(51706163).

王貴龍（1990—??），男，碩士研究生，2410779363@qq.com.

鞠洪玲，女，博士，講師，juhongling@whut.edu.cn.

(責任編輯：梁?霞)