吳玥

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雙燃料燃燒的發(fā)動機工作過程研究

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)研究工作和國際最新燃燒理論發(fā)展趨勢，提出了一種柴油機燃燒新方法：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，來代替常規(guī)空氣進(jìn)行燃燒。

發(fā)動機；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，我國的城市空氣污染開始呈現(xiàn)出煤煙和機動車尾氣復(fù)合污染的特點，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)動機燃燒效率，而減少發(fā)動機的有害物排放更是要放在重中之重了。

為了提高發(fā)動機的熱效率，我們開始思索一種新方式，結(jié)合柴油和汽油燃燒特性，吸取兩者各自間的優(yōu)勢，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)動機的概念。此后，不斷地有研究人員對這一領(lǐng)域進(jìn)行研究和探索。經(jīng)過前人大量的理論和實驗表明，通過對燃料的重新優(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，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程簡介

由于汽油和柴油是兩種不同的復(fù)雜多烴混合物，對于它們的燃燒過程，尚且沒有一套完善準(zhǔn)確的化學(xué)動力學(xué)機理來進(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，為了簡化模型，本次研究中，用異辛烷來代替汽油，正庚烷代替柴油，來進(jìn)行相應(yīng)的汽油柴油混合燃燒的模擬計算。

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)行柴油噴射時更均勻的混合氣，從而能夠使得缸內(nèi)過濃的區(qū)域明顯減少，與此同時碳煙排放就可以大幅降低。同時，在燃燒過程中，混合氣內(nèi)的柴油成分，其具有低著火點的性能，容易著火，便可以實現(xiàn)多點壓縮著火，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)噴射的方式來進(jìn)行燃燒模擬的。

3 雙燃料燃燒的發(fā)動機工作過程

3.1 燃燒室和噴油器設(shè)定

根據(jù)發(fā)動機的參數(shù)，在軟件內(nèi)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，然后通過修改12組幾何參數(shù)來確定燃燒室結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)定壓縮比到17左右（誤差盡可能小，優(yōu)于計算）。接下來，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部分就可以對剛剛建立的燃燒室模型自動進(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)動機曲軸轉(zhuǎn)角），同時設(shè)定好計算的起止時刻和發(fā)動機轉(zhuǎn)速這些參數(shù)。由于軟件中規(guī)定720°CA對應(yīng)發(fā)動機的上止點位置，同時為了便于我們的計算，我們設(shè)定計算始點為進(jìn)氣門關(guān)閉時刻（即753°CA），計算終點為排氣門開啟時刻（即857°CA）；計算期間所設(shè)置的步長會直接影響計算的精度、時間和穩(wěn)定性，所以在計算初期，采用小步長，以使得計算趨于穩(wěn)定。后期可逐步調(diào)大步長，在接近噴油階段（本次研究設(shè)定的噴油時刻為708°CA）時要調(diào)小步長，在燃燒階段所設(shè)定的步長就要更加精細(xì)了，以便有效描述燃燒過程。

圖2 計算步長的設(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)氣門關(guān)到排氣門開這一階段（即高壓循環(huán)階段），計算過程中氣缸是閉口系，邊界類型均默認(rèn)為wall，只需對壁面溫度進(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)為對稱邊界(symmetry)，以此來保證柴油機部分模型的中心網(wǎng)格是六面體。

本次研究我們設(shè)定初始壓力和溫度分別為100000pa和370K；在這兩者確定后，軟件會自動計算空氣密度值。初始條件中還包含了湍動能和渦流強度，湍動能（TKE）的計算如下：

V=0.70（小缸徑高速柴油機經(jīng)驗公式）

其中：V：湍流波動速度 (m/s)；V：活塞平均速度 (m/s)；h：沖程(m)；n：發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)。計算可得，湍動能TKE =52.3（m2/s2）；

發(fā)動機渦流強度等于渦流比乘以發(fā)動機轉(zhuǎn)速，由于本研究中的發(fā)動機的進(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，則渦流強度為6600r/min。湍流尺度與擴散率采用軟件默認(rèn)值。

3.4 其余模塊、模型的設(shè)定

（1）物質(zhì)輸運模塊：用于模擬化學(xué)組分的輸運，同時在計算過程中提供輸運的化學(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，故采用ECFM-3Z模型來描述柴油機燃燒過程。

（3）排放模型：本文采用的是Zeldovich模型來作為NOx的排放模型；同時采用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)氣燃燒的模擬計算參數(shù)為基礎(chǔ)，通過修改物質(zhì)輸運模塊和通用氣相反應(yīng)模塊的參數(shù)來模擬計算通用燃燒部分。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，同時異辛烷的質(zhì)量也就是4.08×10-6kg。理論空燃比為14.3，過量空氣系數(shù)設(shè)置為1.5，則實際進(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、氮氣N2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)動機燃燒參數(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，在發(fā)動機中加入適量的汽油與空氣進(jìn)行預(yù)混合，可以提高發(fā)動機的燃燒效率。

圖6 平均CO2含量

而數(shù)據(jù)表明燃燒過程中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?？梢?，通用部分的燃燒更加劇烈，速度更快，活性更高。

圖5、6分別是燃燒過程中的CO、CO2的含量，這兩者可以用來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

通過對雙燃料燃燒的發(fā)動機工作過程的研究，得出了如下結(jié)論：

（1）雙燃料燃燒的發(fā)動機工作過程的簡化機理具有適用性，可利用正庚烷代替柴油，異辛烷代替汽油，來對實際燃燒過程進(jìn)行初步的簡化分析；

（2）在一定范圍內(nèi)，往柴油機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，同時降低排放。因為在燃料內(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，燃燒效果會更好，燃燒速率增加，碳煙的排放降低。

[1] 馬帥營.汽油/柴油雙燃料高預(yù)混合低溫燃燒技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究.天津大學(xué).

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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

A

1671-7988(2018)22-181-03

U464

A

1671-7988(2018)22-181-03

U464

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