1、基于 CHEMKIN 的乙醇汽油 HCCI 燃烧模拟研究陈飞 1434422（汽车学院，同济大学）摘 要：HCCI 作为内燃机新型燃烧方式，具有高效、低排放的巨大燃烧优势，为发动机性能的提高提供了广阔的前景。乙醇是一种高辛烷值的含氧燃料，因此乙醇汽油燃烧时发动机可在较高压缩比下工作。本文基于化学反应模拟软件 CHEMKIN，模拟添加乙醇的汽油燃烧过程，分别讨论了进气温度、压缩比、转速、过量空气系数、进气压力和不同乙醇添加比例对乙醇汽油 HCCI 燃烧的影响。关键词：乙醇汽油，HCCI，CHEMKIN，燃烧模拟1. 引言随着环境污染不断加剧和废气排放法规的日益严格，对于内燃机研究领域，寻找新型的
2、清洁替代燃料和发动机燃烧方式成为了日益紧迫的一项任务。HCCI 是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，是汽油机的一种压燃方式。它是一种具有显著优势的发动机燃烧方式。HCCI 发动机利用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式，它通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气压缩自燃，在缸内形成多点火核,有效维持了着火燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。这种燃烧方式既具有传统柴油机燃料利用率高的优点，又具有传统汽油机有害排放低的优点。在降低油耗和排放方面具有巨大潜力。HCCI 发动机的燃烧温度低，能大幅度降低 排放，并xN
3、O且由于燃烧周期短，大部分燃烧集中在上止点附近，提高了发动机的热效率。醇类作为代用燃料目前以参杂方式居多，即将甲醇或乙醇按一定比例加入到汽油中形成混合燃料。乙醇常温常压下是一种无色、透明、有香味、易挥发的可燃液体。乙醇分子中含氧量为 34.8%，含氧量高，热值低，汽化潜热大，抗爆性好，因此乙醇作为燃料可以减少燃烧过程中产生的碳烟和 NOx 排放，同时可以获得良好的雾化效果，使燃烧更充分，热效率更高。乙醇的热值（26.9MJ/Kg）比汽油低，但含氧量比汽油大，含乙醇 10%的汽油含氧量可达 5%，完全燃烧所需空气量仅为汽油的 61%。因此二者混合后热值差不多，乙醇汽油燃烧时，发动机动力性不会降低
4、。乙醇的辛烷值为 110，大大高于汽油的辛烷值（80-98），添加乙醇后可以提高燃料的辛烷值，可以增加抗爆性。因此乙醇汽油是一种较为理想的新型车用替代燃料。发动机燃烧添加不同比例的乙醇的汽油时，发动机的各项性能有何不同，将是本文的研究重点。2. 模型建立本文将基于化学反应模拟软件CHEMKIN 模拟 HCCI 条件下不同乙醇添加比例的汽油燃烧特性。2.1.CHEMKIN 介绍CHEMKIN 是非常强大的求解复杂化学反应问题的软件包，常用于对燃烧过程、催化过程、化学气相沉积、等离子体及其他化学反应的模拟。CHEMKIN 以气相动力学、表面动力学、传递过程这三个核心软件包为基础，提供了对 21 种
5、常见化学反应模型及后处理程序。CHEMKIN 的组成结构如图 2.1 所示。热力学数据库包含了大多数燃烧问题中设计的反应物、中间产物和终产物的热力学信息。解释器从热力学数据库中提出有关物质的热力学信息，其输出形成连接文件，包括了反应机理中元素、物质和反应的所有信息。气相子子程序库由 100 多个高度模块化的子程序构成。图 2.1 CHEMKIN 的组成结构2.2.发动机模型本文所用发动机模块在发动机中进行HCCI 燃烧需要基于以下假设：1 燃烧室内质量恒定，且整个燃烧室为绝热系统。2 混合气各组分均为理想气体，且不计气体的动能和势能。3 缸内工质状态均匀。4 边界条件参数在 CHEMKIN 模
6、块中设置。5 此模块仅模拟一个压缩和做功过程。本文所用发动机基本配置参数如表 2.1所示。模拟所用空气只考虑氧气和氮气，其中气体百分比如表 2.2 所示。表 2.1 发动机基本配置参数参数 参数值排量 (cc) 500压缩比 14.0表 2.2 空气各组分含量气体组分 占空气体积百分比氮气 79%氧气 21%标准工况时，模型使用转速1500rpm，1.0atm 进气压力，14.0 压缩比，460k 进气温度，1.0 过量空气系数，10%乙醇添加量进行模拟，之后运用控制变量法改变某一因素进行分析。2.3.乙醇汽油机理建立本文将使用异辛烷代表汽油，在详细反应机理的基础上，首先分别对乙醇和异辛烷的氧
7、化机理进行一定的简化，然后构建乙醇汽油混合机理。1) 乙醇反应机理简化乙醇氧化过程主要是以裂解和脱氢两种途径来消耗的。l)乙醇裂解反应: (+M)-产物OHC522)乙醇脱氢反应:+OH-产物；OHC52+H-产物；+O-产物；52+CH3-产物；OHC+ -产物。522乙醇裂解反应主要是链引发反应，通过反应链产生大量活性基团。首先裂解生成 CH3(甲基 )和 ，OHC52 OHC2再进一步氧化成 （甲醛）和(自由基)，两个自由基 、 反2 32应生成 (甲氧基)和 OH 基，然后OCH3分解为 和 H(自由基 )，此时和2O2 发生支链反应，使反应链进一步增长。此阶段产生的自由基主要有:、
8、、H、OH 等，为 脱3C2OHC52氢反应引发其他的各种反应链，使反应得以进一步延续。脱氢反应则是进一步消耗，使其氧化成许多中间产物，从O52而完成整个燃烧过程。图 2.2 乙醇氧化反应的总体流程图把上述关键反应组合到一起，就形成了一个包括 28 种组分和 46 个基元反应的乙醇氧化简化反应机理 【1】 。2) 异辛烷机理简化异辛烷 首先进行脱氢反应生成18HC，然后进一步脱氢生成 ，进178 168而分解成小分子 ， ， ，8433CH。53HC丁烯 是异辛烷氧化的主要中间产物，84在反应中由 ， 生成，之后丁烯17168HC又进一步氧化生成小分子。 84HC图 2.3 异辛烷简化结构示意
9、图 把上述关键反应组合到一起，就形成了一个包括包括 34 个组分，42 个反应的异辛烷氧化简化反应机理 【2】 。3) 乙醇汽油反应机理将上述乙醇简化机理和异辛烷简化机理组合在一起即可获得乙醇汽油的氧化反应机理。 在该机理中加入 的反应机理，即可xNO实现对 的排放分析。（本文暂未做排放x物分析。）表 2.3 简化模型xN3. 燃烧模拟结果及分析3.1.进气温度对燃烧的影响分析从图 1 所示模拟结果可知，随着进气温度的上升，缸内压力随曲轴转角变化的规律如图(c) 所示。在起始阶段，各进气温度下缸内压力升高趋势基本相同，燃烧起始点的发生时刻随着进气温度的上升而提前。进气温度小于 460k 时，燃
10、烧起始时刻发生在上止点后，随着进气温度的上升，燃烧准备时期缩短，燃烧起始时刻缩短，压力峰值增大；当进气温度大于 460k 时，由于进气温度较高，导致燃烧起始时刻在上止点前发生，因此压力峰值随着进气温度的升高而降低。从图(b)缸内温度的变化来看，在各个进气温度下，各时刻温度变化趋于一致，可见进气温度对缸内温度起决定作用。随着进气温度的上升，燃烧起始点也提前；缸内温度峰值同样在 460k 时达到最大，因为此时燃烧放生在上止点附近，总体温度峰值呈现增大规律。图(a)中净放热值的变化规律可知，随着进气温度的升高，燃烧放热时刻提前。最大放热值在 460k 达到最大，因此 460k 可以认为是发动机经济型
11、较好的进气温度。 (a)净放热值曲线(b)缸内温度曲线(c)缸内压力曲线图 3.1 不同进气温度时缸内压力、温度、净放热值变化曲线3.2. 进气压力对燃烧的影响分析 (a)净放热值曲线(b)缸内温度曲线(c)缸内压力曲线图 3.2 不同进气压力时缸内压力、温度、净放热值变化曲线根据图 2 分析结果可知，随着进气压力的增大，燃烧起始时刻不断提前。从图(a)净放热值图像可知，在进气压力小于 1bar 时，燃烧起始时刻发生在上止点后，并且随着进气压力的升高，起始时刻不断提前，压力峰值也不断增大；进气压力超过 1bar 之后，燃烧起始点发生在上止点前，但是净放热值峰值仍然继续增大。从图(b)缸内温度图
12、像可知，进气压力变化时，缸内温度的变化趋势基本一致，不同的是燃烧起始点和温度峰值。随着进气压力的升高，缸内温度峰值呈现微弱增大的趋势。在 1.2bar 时可达 3100k 左右。从图(c)缸内压力图像可知，进气压力变化时，缸内压力的变化趋势基本一致。进气压力的升高会导致压力峰值的升高。3.3. 压缩比对燃烧的影响分析 根据图 3 分析结果可知，随着压缩比的增大，各项指标（气缸压力、温度、净放热值）均增大，燃烧起始点提前。(a)净放热值曲线(b)缸内温度曲线(c)缸内压力曲线图 3.3 不同压缩比时缸内压力、温度、净放热值变化曲线3.4.过量空气系数对燃烧的影响分析根据图 4 模拟结果可知，随着
13、过量空气系数的增大，燃烧起始点提前。从图(a)净放热值图像可知，过量空气系数较小时，混合气较浓，净放热值峰值较大，随着过量空气系数增大，混合气变稀，峰值不断降低。从图(b)缸内温度图像和图(c)缸内压力图像可知，缸内温度和缸内压力变化趋势基本一致。混合气较浓时，缸内温度和缸内压力峰值较高，但是燃烧时刻发生在上止点后。随着过量空气系数的增大，缸内温度和缸内压力峰值不断降低，但是燃烧起始点不断提前。(a)净放热值曲线(b)缸内温度曲线(c)缸内压力曲线图 3.4 不同过量空气系数时缸内压力、温度、净放热值变化曲线3.5.转速对燃烧的影响分析根据图 5 模拟结果可知，缸内压力和温度所能达到的峰值基本
14、不受转速影响，不过燃烧起始点随着转速的升高而延迟，因为化学反应的速度已经小于了发动机的转速。根据放热值图像可以看出，随着转速的升高，燃烧放热时刻延迟，最大放热值也降低。(a)净放热值曲线(b)缸内温度曲线(c)缸内压力曲线图 3.5 不同转速时缸内压力、温度、净放热值变化曲线3.6.乙醇添加比例对燃烧的影响分析(a)净放热值曲线(b)缸内温度曲线(c)缸内压力曲线图 3.6 不同乙醇添加比例时缸内压力、温度、净放热值变化曲线根据图 6 模拟结果分析可知，缸内压力和温度的峰值基本不受乙醇添加量的影响，但燃烧起始点随着乙醇添加量的增加略微提前。但是纯乙醇燃烧起燃时刻会延迟，使得燃烧期缩短。净放热值
15、在各燃料情况下基本一致，但使用纯乙醇燃烧时，燃烧时刻略有延迟，且最大放热值小于其他燃料。4. 结论本文主要研究了进气温度、进气压力、过量空气系数、转速和压缩比，以及不同乙醇添加量对乙醇汽油在 HCCI 条件下的燃烧特性，主要得出以下结论：1 进气温度、进气压力、过量空气系数、压缩比，以及不同乙醇添加量的增加会使得燃烧起始点提前，不过转速升高，燃烧起始点延迟。2 不同乙醇添加量基本不影响缸内压力和温度峰值，不过却会影响燃烧起始点和净放热值。3 本文使用的模型简化了燃烧过程，认为燃烧一瞬间放热完毕；并且模型没有考虑热损失，壁温热传导等因素，因此模拟结果可能和实验数据有出入。参考文献1 张素英.乙醇 HCCI 发动机燃烧与排放物生成机理的研究D. 湖北,武汉理工大学 .2010.2 张霞.甲醇汽油排放建模与预测D.北京,清华大学.2009.3董刚,蒋勇,陈义良,王清安.大型气相化学动力学软件包 CHEMKIN 及其在燃烧中的应用J.火灾科学 ,2000:27-33.4张忠强,强添纲. 基于 CHEMKIN 的 E10 乙醇汽油的燃烧模拟研究J.森林工程 ,2012:58-61.5吕昊.CHEMKIN 软件在均质压燃及燃料改质数值模拟中的应用D. 陕西 ,长安大学.2010.6刘发发.乙醇燃料均质压燃发动机的模拟研究D.吉林,吉林大学 .2007.
