謝春華，馬帥營（.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430070；.河南科技大學(xué)，洛陽47000）

中等負荷工況下汽/柴油雙燃料發(fā)動機排放特性的模擬研究

謝春華1，馬帥營2
（1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430070；2.河南科技大學(xué)，洛陽471000）

針對汽油/柴油混合燃料發(fā)動機在均質(zhì)壓然（HCCI）模式，利用缸徑100mm單缸柴油機，控制噴油量在每循環(huán)19mg，轉(zhuǎn)速在2 000 r/m in時，通過改變噴油提前角、汽油/柴油摻燒比例、噴油持續(xù)角、進氣壓力等參數(shù)，進行發(fā)動機排放模擬研究。結(jié)果表明，汽油/柴油混合燃料中，選擇G50燃料，控制噴油提前角為-40℃A，噴油持續(xù)角為14℃A，進氣壓力為200 kPa時，在不增加Soot的同時能大幅降低CO和NO。

中等負荷汽油/柴油混合燃料排放特性模擬

1 前言

隨著世界能源形勢的日益緊張，環(huán)境污染的進一步加劇，內(nèi)燃機行業(yè)采用了多種替代燃料方案，提出了許多新型的燃燒方式，以滿足日益嚴(yán)格的油耗、排放法規(guī)要求。大多的新型燃燒方式都強調(diào)了不同負荷適宜不同的燃料特性，汽/柴油雙燃料模式是目前眾多研究中的熱點，其目的是通過汽/柴油比例的調(diào)節(jié)改變?nèi)剂咸匦砸赃m應(yīng)不同工況的需求。而汽/柴油雙燃料模式又分兩種模式，一種是進氣道噴射汽油、缸內(nèi)直噴柴油的方式，如美國威斯康星大學(xué)的Reitz教授提出的RCCI（Reactivity Charge Compression Ignition）燃燒模式[1]、天津大學(xué)的堯命發(fā)教授提出的HPCC（Highly Premixed Charge Combustion）燃燒模式[2]，這種模式的特點是能通過噴油控制燃燒相位，在獲得較低的NOx、CO、HC的同時保持較高的熱效率，但燃油噴射與燃燒過程完全分離使混合氣預(yù)混合程度帶來巨大的缸內(nèi)波動，傳熱損失增加并油耗上升[3]；另一種是汽/柴油混合之后直噴入氣缸壓燃，如英國伯明翰大學(xué)的Xu等研究了汽油/柴油混合燃料的HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）模式[4]，英國劍橋大學(xué)Weall等研究了汽油/柴油混合燃料的PPCI（Premixed Charge Compression Ignition）模式[5]，這種模式的特點是在較低的EGR水平下實現(xiàn)了NOx和碳煙同時大幅降低，在不改變發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和控制方式上實現(xiàn)了降低排放的目的，成為了雙燃料發(fā)動機的新的研究熱點之一。

本文建立了發(fā)動機的三維網(wǎng)格，以汽油/柴油混合燃料為對象，修改了KIVA-3V軟件汽/柴油混合燃料庫，并以HCCI燃燒模式，通過選擇不同噴油提前角、汽/柴油摻燒比例、噴油持續(xù)角和進氣壓力，針對發(fā)動機中等負荷工況進行模擬分析，探索中等負荷工況下汽/柴油雙燃料發(fā)動機的排放特性，為深入研究汽/柴油雙燃料發(fā)動機奠定基礎(chǔ)。

2 發(fā)動機的主要參數(shù)與網(wǎng)格的建立

基于一臺中型單缸柴油機建立仿真模型，具體參數(shù)見表1，利用ICEM CFD網(wǎng)格軟件建立了燃燒室三維網(wǎng)格28 919個，如圖1所示。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

圖1 燃燒室三維網(wǎng)格圖

3 汽柴油混合燃料等效計算與KIVA模型選擇

3.1 汽柴油混合燃料物性參數(shù)的等效計算

KIVA-3V燃料庫中包含有汽油和柴油燃料的分子量、分子生成熱、臨界溫度、臨界密度、焓值、液體汽化潛熱、液體蒸發(fā)壓力、液體粘度、表面張力、導(dǎo)熱率、擴散系數(shù)、臨界溫度等的物性參數(shù)。其中，混合燃料的分子量、分子生成熱、臨界溫度、臨界密度、焓值、液體汽化潛熱、液體蒸發(fā)壓力、擴散系數(shù)可以用簡單的Kay摩爾分?jǐn)?shù)法進行混合計算[6]，這里不再贅述。

液體粘度的計算采用V.M.Lobe等人發(fā)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)式并進行雙元混合物簡化為[7]：

式中，下標(biāo)A、B為兩種組分物質(zhì)類型，ν為運動粘度μ/ρ，為體積分?jǐn)?shù)，α為特性粘度參數(shù)，J/mol，R為氣體常數(shù)，8.314 J/(K·mol)，T為絕對溫度，K。

其中，χ為摩爾分?jǐn)?shù)，σ為表明張力，A為偏摩爾表面積，cm2/gmol。

導(dǎo)熱率采用童景山公式（95型法）進行計算[8]

臨界溫度的計算采用C.C.Li計算法關(guān)聯(lián)式[9]

3.2 汽柴油混合燃料化學(xué)反應(yīng)參數(shù)的等效計算

KIVA-3V中需要根據(jù)混合燃料燃油中碳氫比，修正燃料和氧氣燃燒的系數(shù)stoifuel、stoio2。這里根據(jù)混合燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算成摩爾分?jǐn)?shù)計算出等效的燃料碳氫比，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 燃料碳氫比

3.3 KIVA模型的選擇

KIV-3V對流體運動描述遵循了質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒、理想狀態(tài)方程、化學(xué)守恒方程，建模方法采用了有限容積法，對N-S方程進行了簡化并引入了RNG k-ε模型[10]，使用了DDM噴霧模型[11]、油滴破粹WAVE模型[12]、Walljet碰壁模型[13]、Dukcowicz蒸發(fā)模型[14]、NOx生成的擴展Zeldovich模型[15]、Soot生成的NSC模型[16]對發(fā)動機工作過程進行仿真計算。

圖2 噴油提前角對CO排放的比較

4 雙燃料發(fā)動機排放特性的影響分析

4.1 噴油提前角對發(fā)動機排放的影響分析

將柴油、汽油預(yù)先混合,混合燃油按照汽油質(zhì)量所占總質(zhì)量的比例分別選取柴油、G20、G50在噴油時刻為-10℃A、-20℃A、-30℃A和-40℃A，模擬中等負荷工況下每循環(huán)噴油量為19mg，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，噴油持續(xù)角為14℃A，進氣壓力為200 kPa進行排放仿真分析。

圖2中，CO在-10℃A時明顯整體偏高，且柴油比G20、G50都低，這時噴油滯后，燃油來不及混合，且G20、G50的汽油含量高，局部燃燒過快造成的。隨著噴油提前角的提前，在-20℃A時，CO明顯降低了，這時缸內(nèi)溫度升高，有利于燃料的混合蒸發(fā)。但是，在-30℃A時，由于缸內(nèi)的溫度進一步升高，燃料的混合逐漸均勻，G20和G50的局部燃燒速度進一步加快，CO再次增大，但柴油由于燃燒速度變化不大，CO沒有增加。在-40℃A時，滯燃期再次延長，混合氣也更加均勻，且缸內(nèi)溫度也再次增加，CO明顯減少，且G50和柴油的排放量相當(dāng)，而G20排放量更低，到-50℃A時，柴油的排放量進一步降低，而G20和G50的排放量接近于零。

圖3噴油提前角對NO排放的影響

圖3 中，當(dāng)提前角為-10℃A時NO較大，但到-20℃A時整體開始減少，這是由于噴油提前，滯燃期長造成的。但當(dāng)提前角為-30℃A時，缸內(nèi)溫度也升高，G20和G50的蒸發(fā)效果變好，混合燃料的燃燒速度加快，多點同時自然造成了局部高溫，相比于-20℃A時G20和G50的排放量再次升高，而柴油的排放量基本沒有變化，柴油、G20和G50的排放差異更加明顯。在-40℃A時，滯燃期更長，缸內(nèi)混合氣開始變稀薄，局部高溫消失，排放量大幅度下降，且G20和G50因為混合汽油的原因蒸發(fā)更加均勻，排放量更小，到-50℃A時基本沒有，但柴油的排放量相比-40℃A只是略有降低，說明柴油的蒸發(fā)性能比汽柴油混合燃料相差更大。

圖4中，在-10℃A時Soot偏高，而在-20℃A時由于溫度升高，Soot排放大幅度下降，此時由于滯燃期短，柴油、G20和G50差異不明顯。隨著噴油提前角提前，到-30℃A、-40℃A和-50℃A時，排放量再次升高，因為燃料混合更均勻，局部高溫點減少，Soot被氧化的數(shù)量降低。同時，柴油、G20和G50的排放差異更加明顯，G20逐漸超過了G50的排放量，而柴油的排放量最低，這是因為汽柴油混合燃料含有汽油，易蒸發(fā)進入氣缸內(nèi)的余隙產(chǎn)生猝熄生成Soot大，G20比G50汽油含量低，混合氣存在較濃區(qū)，所以G20又比G50高。

圖4 噴油提前角對Soot排放的比較

4.2 汽油比例對發(fā)動機排放的影響分析

在噴油提前角為-40℃A時，噴油持續(xù)角14℃A，噴油量為每循環(huán)19mg，進氣壓力為200 kPa不變，選擇G50、G70、G80三種燃料進行排放比較。圖5中，隨著汽油比例的增大，G70、G80相比G50的CO和NO明顯急劇上升，且汽油比例越大，NO排放量越大。而G70、G80的Soot比G50有一定下降，但G70、G80之間的Soot排放差異不明顯。因此，選擇G50燃料，控制CO、NO、Soot排放較理想。

4.3 噴油持續(xù)角對發(fā)動機排放的影響分析

圖6中，按照柴油先緩后急的規(guī)律，使用G50，噴油量為每循環(huán)19 mg，噴油提前角在-40℃A時，進氣壓力200 kPa，噴油持續(xù)角分別為6℃A、12℃A、14℃A、17℃A和29℃A共5種噴油規(guī)律。

圖7中，隨著噴油規(guī)律的變化，噴油持續(xù)角延長，CO逐漸上升，這是因為燃燒初期，氧含量充足，隨著噴油時間的延長，廢氣增多，氧含量降低而造成CO增加。而NO呈先增后減的趨勢。噴油持續(xù)角短，燃油混合均勻，局部高溫點少，NO少。隨著噴油持續(xù)角變長，后噴入氣缸的燃油滯燃期變短，局部高溫點增多，NO增多。而噴油持續(xù)角過長，后期噴入氣缸內(nèi)的燃料比例上升，而這時氧含量減少，廢氣增多而降低了NO。而噴油質(zhì)量不變，隨著噴油壓力降低，燃料碰壁的機率小，Soot也降低了。噴油持續(xù)角從6℃A至14℃A時，Soot降幅大，而14℃A至29℃A時，降幅明顯減小。因此，噴油持續(xù)角在14℃A時，整體相對較優(yōu)。

4.4 進氣壓力對發(fā)動機排放的影響分析

在噴油提前角為-40℃A時，每循環(huán)噴油量19 mg保持不變，選擇G50燃料的情況下，進氣壓力分別為150 kPa、250 kPa、300 kPa與原進氣壓力200 kPa的排放進行比較。計算結(jié)果如圖8所示。

從圖中可以看出，trade-off現(xiàn)象非常明顯，進氣壓力為150 kPa時，CO、NO有明顯的升高，而Soot有明顯下降，隨著進氣壓力進一步上升，CO，NO開始下降，但Soot又升高。這是因為壓力增大，氣流的運動阻力增大，燃油混合氣的混合效果變差，因此，進氣壓力在200 kPa時整體排放控制效果較好。

圖5 汽油比例對排放的比較

圖6 噴油規(guī)律

5 結(jié)論

通過建立發(fā)動機的三維網(wǎng)格模型，利用KIVA-3V軟件對汽柴油混合燃料的物性參數(shù)和化學(xué)反應(yīng)參數(shù)進行計算、修改軟件的燃料庫并進行模擬，能得到如下結(jié)論。

（1）當(dāng)每循環(huán)噴油量為19mg，噴油持續(xù)角為14℃A，進氣壓力為200 kPa時，隨噴油提前角增大，發(fā)動機CO和NO大幅降低，Soot明顯上升。

（2）當(dāng)每循環(huán)噴油量為19mg，噴油提前角在-40℃A，噴油持續(xù)角14℃A時，使用G50、G70、G80燃料，隨著汽油比例的增大，CO和NO增大，Soot減少。計算結(jié)果表明，使用G50燃料較為理想。

（3）當(dāng)每循環(huán)噴油量為19mg，進氣壓力為200 kPa，噴油提前角在-40℃A時，使用G50燃料噴油持續(xù)角在6℃A至29℃A區(qū)間時，隨著噴油持續(xù)角的延長，CO上升，NO呈先增后減的趨勢，Soot呈下降趨勢。最優(yōu)的噴油持續(xù)角在14℃A。

圖7 噴油持續(xù)角對排放的影響

圖8 進氣壓力對排放的比較

（4）當(dāng)每循環(huán)噴油量為19mg，噴油提前角在-40℃A，噴油持續(xù)角為14℃A時，G50燃料隨進氣壓力的增大，CO和NO明顯減小，而Soot則略有增加，最優(yōu)的進氣壓力應(yīng)控制在200 kPa。這樣，在不增加Soot的同時能大幅降低CO和NO。

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Simulation Research on Emissions Characteristics of a Gasoline/Diesel Dual FuelEngineatMiddle Load

Xie Chunhua1,Ma Shuaiying2
（1.HubeiWaterResource TechnicalCollege,Wuhan 430070,China; 2.Henan Universityof Scienceand Technology,Luoyang47100,China)

Base on homogeneous charge compression ignition(HCCI)mode,this paper carries out numberical simulation of the effect of single cylinder diesel engine(cylinder diameter:100 mm,fuel injection quantity:19 mg/cycle,rotation speed:2 000 r/min)on various injection time,various gasoline/diesel ratio,various injection duration and various inlet pressure.The results show that injection time at-40℃A,fuel injection duration at14℃A and inlet pressure at 200 kPa,the G50 fuel engine can greatly reduce theCO and NO,withoutincreasing the Soot.

m iddle load,gasoline/dieselblended fuel,em ission characteristics,simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.001

來稿日期：2017-02-23基金項目：湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點科研項目（2015KJFW 06）

謝春華（1978-），男，碩士，講師，主要研究方向為汽車發(fā)動機控制技術(shù)。