基于CHEMKIN的E10乙醇汽油的燃烧模拟研究

张忠强，强添纲

(东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨150040)

随着汽车保有量的持续增长，石油等能源的短缺以及持续恶化的环境问题越来越受到各国重视［1］。同时各国相继实行严格的排放法规，这给汽车代用燃料的发展创造了良好的条件，乙醇汽油就得到国家的支持并迅速发展。目前在黑龙江等地均已推广使用乙醇汽油。

汽油等燃料的实际燃烧过程是由许多同时进行的复杂的物理化学过程所组成，对其每个过程完全定量的研究都非常复杂的，所以燃烧过程的数学模拟计算也是相当困难的。乙醇与汽油的烃类组分有着不同的物理化学特点，将乙醇混入汽油将如何影响汽油复杂的化学反应也成为一个难点问题［2］。

本文借助研究汽油燃烧普遍使用的异辛烷(C8H18)代替汽油的燃烧机理，然后将异辛烷与乙醇的反应机理混合形成研究乙醇汽油燃烧所需的机理文件［3］，借助CHEMKIN软件，模拟乙醇汽油的燃烧过程。最后分析了进气温度、进气压力和压缩比对汽油机燃烧乙醇汽油的影响规律。

1 模型建立

1.1 燃烧模型的基本控制方程［4］

质量守恒方程如公式 (1):

式中:j为反应数;ρ为质量密度，kg/m3;v为反应容积，m3;m··为入口质量流速率，m/s;m为出口质量流速率，m/s;Ninlet(j)为每个反应j入口数;Npar为反应模型的总数;Rrj为反应r的流出部分;Am为第m个物质的表面积，m2;Kg为第m个物质的气体种类;S·k，m为每单位表面积上第m个物质第k个元素的摩尔表面发生速率。

1.2 发动机几何模型与传热模型

(1)几何模型。

计算模型中所用的发动机几何模型源于Heywood所提供的方程——基于发动机各参数把容积变化作为时间的函数。模型简述如公式 (2):式中:R为表示连杆比;θ为曲轴转角，(°CA);Ω为角速度，rad/s;Vc为容积，L。

(2)传热模型。

采用Woschni传热模型。传热模型定义如公式(3):

式中:Twall为缸壁温度，K;w为缸内工质的平均速率，m/s;Sp为活塞的平均速率，m/s［5－6］。

1.3 发动机参数

所用发动机模型的基本参数见表1。

表1 发动机模型参数Tab.1 Parameters of engine model

2 模拟结果及分析

2.1 进气温度对燃烧的影响分析

首先改变进气温度，温度的变化取值分别为447K、459.5K、472K、484.5K和497K，所得的结果如图1所示。

从以上的模拟结果可知，随着进气温度的上升，缸内压力随着时间变化的规律如图1(a)所示。在起初阶段，各进气温度下气缸压力升高趋势基本相同，曲线突变点 (即燃烧发生的起始时间)的发生时刻随着进气温度的提升而提前。在低温燃烧时，滞燃期较长并且所能达到的最大压力较低;从图1(b)中缸内温度的变化上来看，随着进气温度的上升，滞燃期缩短，在燃料完全燃烧之前，各时刻温度变化趋势一致，可见进气温度决定了缸内温度。但由于低温时滞燃期较长，所以在上止点之后，较低的进气温度在各个曲轴转角位置所对应的温度值略高;从图1(c)中热损失速率上来看，进气温度较高时热损失发生的时刻较早，这与气缸内气体燃烧发生时刻的规律吻合。随着进气温度的提高，热损失速率加快，这是由于燃烧生热与外界温差较大所造成的;从图1(d)中净生热值的变化规律可以看出，随着进气温度的提升，燃烧放热发生时刻提前，但所能达到的最大温度值并无明显规律，在温度为459.5K时放热值较大，此温度应理解为燃料在其他条件不变的情况下，该温度值为经济性较好的燃烧温度。

图1 不同进气温度时缸内压力、温度、热损失率和净生热变化曲线图Fig.1 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet temperature is different

2.2 进气压力对燃烧的影响分析

改变进气压力，压力的变化取值分别为1.065 atm、1.19 atm、1.315 atm、1.44 atm 和1.565 atm， (其中，1 atm=1.013 25×105Pa=0.101 325 MPa)所得的结果如图2所示。

对模拟结果进行分析可以得出如下结论:从图2(a)和图2(b)中可以看出，缸内压力和温度所能达到的峰值，随着进气压力的升高而增大。且缸内压力和温度峰值出现的时刻也相应提前;从图2(c)中可以看出，系统的热损失速率在大于1.19 atm的高压范围内，随着进气压力的升高而加快，且发生时刻提前。但是在低压时，出现了相反情况。可见当进气压力不足时，燃料的燃烧将会恶化;从图2(d)中可以看出，燃料燃烧的净生热的发生时刻随着压力的升高而提前，在数值上的分布上并无明显规律，但是在进气压力为1.065 atm(模型自定义的进气压力)出现一个较大的气缸压力值。可见在其他条件不变的情况下，发动机燃烧存在一个理想的进气压力范围使得燃烧状况达到最优。

2.3 压缩比对燃烧的影响分析

最后改变发动机的压缩比，压缩比的变化取值分别为11.5、12.75、14、15.25和16.5，所得的结果如图3所示。

图2 不同进气压力时缸内压力、温度、热损失率和净生热变化曲线图Fig.2 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet pressure is different

以上的模拟结果可以得出如下结论:随着压缩比的增大，各项指标 (气缸压力、温度、净生热值和热损失速率)也相应增大，但是当压缩比超过一定范围 (本仿真结果为16.5)，气缸压力和温度等都出现明显的突变，可见其燃烧状况已经极不稳定，出现爆震等燃烧恶化的结果，这样的情况下极有可能出现发动机的硬件损伤，所以在实际工作中要结合乙醇汽油燃烧特点确定合理的发动机结构，既满足动力性需求，又合理降低发动机的制造成本。

3 结论

基于化学反应动力学软件CHEMKIN，对将异辛烷和乙醇混合的机理文件进行乙醇汽油的燃烧过程模拟［6］，从模拟结果可以得出以下结论:

(1)随着进气温度的上升，缸内压力和温度变化不大，但是净生热值在进气温度约459.5 K左右时较大，燃料在该温度下燃烧的经济性较好。

(2)随着进气压力的增大，乙醇汽油燃烧时气缸压力和温度峰值均会增大，且滞燃期缩短;进气压力不足将严重影响乙醇汽油的燃烧。

图3 不同压缩比时缸内压力、温度、热损失率和净生热变化曲线图Fig.3 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and Etc.when the inlet Compression ratio is different

(3)在一定范围内增加压缩比，所模拟的各项指标 (进气温度、进气压力、热损失速率和净生热值)都相应增加。但压缩比达到16.5左右时，会出现燃烧状况不稳定等情况。所以在实际问题中要结合乙醇汽油特点，确定发动机合理的压缩比以获得良好的动力性。

［1］陈志方，常耀红.基于 Chemkin的甲烷HCCI燃烧模拟研究［J］.北京汽车，2010(5):10 －13.

［2］姚春玲.汽油机进气混合O2/CO2的燃烧机理与性能研究［D］.哈尔滨:东北林业大学，2011.

［3］张 霞.甲醇汽油排放建模与预测［D］.北京:清华大学，2009.

［4］吕 昊.CHEMKIN软件在均质压燃及燃料改质数值模拟中的应用［D］.西安:长安大学，2010.

［5］崔淑华，胡亚楠.发动机燃用乙醇汽 油的燃烧数值模拟分析［J］.森林工程，2007，23(2):28 －30.

［6］孙 杰.汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的仿真研究［D］.杭州:浙江大学，2010.