基于Chemkin的甲烷HCCI燃烧模拟研究

陈志方，常耀红

Chen Zhifang，Chang Yaohong

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

0 引言

随着经济的发展和汽车保有量的增加，给社会带来了一系列的能源与环境问题，对于内燃机工作者来说，寻找新的燃烧方式与可替代燃料成为日益紧迫的任务。

均质压缩燃烧（HCCI）是一种全新的发动机燃烧方式。其主要特点是在整个燃烧室内进行同步压缩点燃，没有火焰传播过程。这种燃烧方式既具有传统柴油机燃料利用率高的特点，又具有传统汽油机有害排放低的特点。在降低油耗和排放方面有巨大的潜力[1]。HCCI发动机的燃烧温度低，能大幅降低氮氧化物（NOX）排放，且由于燃烧持续期短，大部分的燃烧发生在上止点附近，提高了发动机的热效率[2]；我国天然气（主要成分是甲烷）储量相对丰富，甲烷的辛烷值高，具有很高的抗爆性能，有利于提高压缩比。同时甲烷燃烧产生的有害排放少，可以实现清洁燃烧[3]。因此，甲烷作为可替代燃料受到越来越多的关注。

缸内燃烧工况与发动机参数有很大的关系，这就需要寻求合适的参数以优化发动机的燃烧。文中模拟了甲烷HCCI燃烧的过程，研究了各个参数对发动机的影响，力求找到最优化的方案，以实现发动机动力性、经济性和排放的最优化。

1 模型建立

基于化学反应模拟软件Chemkin，模拟HCCI条件下甲烷的燃烧特性。

1.1 反应机理

为研究甲烷HCCI燃烧的NOX排放，在甲烷燃烧机理的基础上，添加了NOX的生成机理，构成了新的甲烷燃烧机理。文中涉及的机理由96种组分和396个化学反应组成。

1.2 C he mkin程序模型

利用Chemkin软件研究如气缸这样的封闭系统时，需要先根据热力学定律写出能量守恒方程。方程中的变量可以直接从Chemkin求解器中得到，通过求解常微分方程的一般方法来求解能量方程。

文中的模拟研究采用九区无质量交换模型。在此模型中，各区间的相互作用只有通过体积做功才能得到，通过将热力学第一定律Q-W=Δ U和理想气体状态方程P V=m R T结合起来，将每一区域的控制方程可以写成公式（1）的形式：

其中，下标i为区域，j为各区域的化学物质。n和k分别为区域和化学物质的总数，CP和R¯分别为恒压条件下各区的平均比热容和平均气体常数，T、ρ，m和Qhli分别为各区的温度、密度、质量和热量损失速率，u、ω和M是每种化学物质的内能、摩尔产率和分子量，V为发动机气缸总容积，t为时间。

不考虑各区间的质量交换，燃烧室和气缸壁的热交换可以由热交换方程求得。

其中，T为气缸内的平均温度，TW为气缸壁的温度，A为表面积，hc为可由Woschni方程得到的热交换系数。

1.3 几何模型

理论上缸内几何模型区域划分越多，内燃机燃烧特性与排放的模拟结果越接近实际情况，但是会直接导致模拟时间变得冗长[3]。根据发动机缸内温度和组分的差异，建立九区模型进行模拟；设定每一区的质量恒定，各区域之间的相互作用仅有体积功。几何模型如图1所示，1区为罅隙区；2区为边界层区；3区为外核心区；4～9区为内核心区。

模拟所用发动机的参数如表1所示。

表1 模拟发动机基本参数

2 模拟结果及分析

2.1 进气压力的影响

保持其它参数不变，将进气压力分别设置为110 kPa （1.1 bar），130 kPa （1.3 bar），150 kPa（1.5 bar）。

由图2（a）可以看出，随着进气压力的增加，放热率变化不大，但燃烧始点有所提前。例如，进气压力为130 kPa时的着火时刻要比进气压力为110 kPa时的着火时刻提前1.2°，但比150 kPa时延迟了1.3°曲轴转角。从图2（b）可以看出，进气压力对缸内压力的影响较大。随着进气压力的增加，缸内压力峰值显著增加，这对发动机强度造成影响[4]。

与缸内压力变化不同，缸内的温度没有受到进气压力的显著影响，温度峰值基本维持不变。如图2（d）所示，随进气压力的增加，受温度影响较大的NO排放也保持在一定的数量级范围内，变化不大。由此可见，增压对HCCI发动机是一项十分具有吸引力的措施[5]，但是进气压力的提高幅度受发动机机械强度的限制。

2.2 进气温度的影响

保持其它参数不变，进气温度分别设置为530 K，550 K，570 K。

图3（a）显示了不同进气温度下缸内放热率变化，从图中可以看出，随着进气温度的增加，放热率逐渐增大。从3（b）中看出，随着进气温度的增加，滞燃期缩短，燃烧提前。进气温度每增加20 K，着火时刻提前约4°。另外，缸内温度也随着进气温度的增加而升高。例如，进气温度为570 K时缸内温度高于1 800 K，比进气温度为530 K时增加了近90 K。

从图3（c）看出，随进气温度的增加，滞燃期明显缩短，但缸内峰值压力有所降低。峰值压力减小的原因可能是由于初始进气温度为570 K和550 K时，着火发生在上止点前，此时缸内的温度和压力都不是太高，压力增加相对较小，当初始温度为530 K时，燃烧发生在上止点附近，造成缸内压力增加较大。在排放方面，因为当进气温度为570 K时，缸内最高温度大于1 800 K，此时NO生成加速，造成570 K时NO曲线急剧上升，如图 3（d）所示。

2.3 压缩比的影响

保持其它参数不变，将压缩比分别设置为12，13.5 和 15。

从图4（a）可以看出，提高压缩比可使着火始点提前，燃烧持续期变短。但是，随着压缩比的增大，着火始点的提前幅度逐渐变小。另外，随着压缩比的增大，放热率增大，热效率也有所提高。因此，在不同的工况下，可以通过调节压缩比来控制着火时刻。

随着压缩比的增加，缸内的最高温度和压力也随之增加，尤其是压力升高明显。压缩比为15时，缸内最高温度超过1800 K，NO排放较多。但是，相比传统发动机，其NO排量依然很低。压缩比对HCCI正常燃烧有重要作用，但压缩比过高，会造成燃烧恶化，NO排放增加。因此必须选定合适的压缩比，以保证甲烷实现高效、低污染的HCCI燃烧方式。

2.4 燃空当量比的影响

保持其它参数不变，分别将燃空当量比设置为 0.25，0.30 和 0.35。

由图5（a）可以看出，随着燃空当量比的增大，混合气浓度增加，放热率显著增大，但着火时刻有所延迟。这是由于随着燃空当量比的增加，空气在混合气中所占的比例变小，混合气的平均比热增大，压缩过程中温度上升慢，造成着火延迟。

随着燃空当量比的增加，缸内最高温度、压力显著增加，这与混合气浓度增大、放热增多有关。从图5（b）和图5（d）可以看出，当燃空当量比为0.25和0.30时，缸内最高温度均低于1 800 K，NO排放较少；当燃空当量比为0.35时，缸内温度高于1 800 K，NO排放显著增加。由此可见，燃空当量比对NO排放起着至关重要的作用。因此，甲烷实施HCCI燃烧方式时，需要选择合适的当量比，以保证发动机的工作和排放要求。

3 结论

基于化学反应模拟软件Chemkin，引入包含NOX生成机理的甲烷氧化详细化学反应机理，模拟研究了甲烷HCCI燃烧过程。研究结论如下：

（1）提高进气压力，会导致HCCI发动机着火提前，缸内压力升高明显，而缸内温度和NO排放的变化不大。因此，增压对甲烷HCCI发动机是一项十分具有吸引力的措施，但要考虑发动机设计中的强度要求。

（2）增加进气温度可以提高甲烷HCCI燃烧的效率，造成着火提前，同时也会提高缸内温度和压力。但是进气温度过高会造成缸内峰值燃烧温度高于1 800 K，导致NO排放升高。因此，在不同工况下要选择合适的进气温度，以保证发动机的动力性和排放性。

（3）增大压缩比也可提高燃烧效率，增加缸内温度。但增大压缩比会造成峰值压力急剧升高，给发动机强度带来挑战。因此，在保证排放的前提下，需要在不同工况下选择合适的压缩比。

（4）适当的燃空当量比能够使着火延迟，燃烧效率增大。不过，增加燃空当量比容易造成缸内温度过高，NO排放增加，因此在使用大燃空当量比时，需要采取适当措施来降低缸内温度，以减少NO排放。

［1］苏万华，赵华，王建昕.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术［M］.北京：科学出版社，2010.

［2］赵志国，王生昌，刘晓亮.均质充气压缩点燃（HCCI）技术及其在汽油机上的应用［J］.北京汽车，2008.

［3］周龙保.内燃机学（第二版）［M］.北京机械工业出版社，2005.

［4］黎幸荣，左承基.基于Chemkin的二甲醚HCCI燃烧模拟［C］.中国内燃机学会第七届学术年会论文集，2007.10.

［5］Shadi Gharahbaghi,Trevor S.Wilson,Hongming Xu,Simon Cryan,Steve Richardson,Miroslaw L.Wyszynski,Jacek Misztal.Modelling and Experimental Investigations of Supercharged HCCI Engines[C].SAE Paper 2006-01-0634,2006.