双燃料燃烧的发动机工作过程研究

吴玥



双燃料燃烧的发动机工作过程研究

吴玥

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230000）

为应对日益严格的排放法规的要求，文章结合相关研究工作和国际最新燃烧理论发展趋势，提出了一种柴油机燃烧新方法：汽油/柴油混合燃烧，即以异辛烷在进气道喷射混合空气形成混合气，来代替常规空气进行燃烧。

发动机；异辛烷/正庚烷混合燃烧；比例；比较分析

1 研究背景及意义

当下，我国的城市空气污染开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点，严重影响着生态环境以及群众的人身健康。面临着严峻的环境问题和日益严苛的排放法规，身为汽车人的我们要尽可能的优化发动机燃烧效率，而减少发动机的有害物排放更是要放在重中之重了。

为了提高发动机的热效率，我们开始思索一种新方式，结合柴油和汽油燃烧特性，吸取两者各自间的优势，获得更加高效清洁的燃烧模式。1963年，Schwentzer第一次提出混合燃烧发动机的概念。此后，不断地有研究人员对这一领域进行研究和探索。经过前人大量的理论和实验表明，通过对燃料的重新优化重组（即有别于传统燃烧方式，改变混合燃料的配比），利用低燃点的柴油压缩引燃与空气混合的易挥发的汽油，在燃烧热效率提高的同时，可缩短着火延迟期，也可以降低碳烟和NOx的排放。

2 正庚烷异辛烷混合燃烧过程简介

由于汽油和柴油是两种不同的复杂多烃混合物，对于它们的燃烧过程，尚且没有一套完善准确的化学动力学机理来进行描述。而正庚烷的十六烷值，以及异辛烷的辛烷值分别与柴油和汽油的该值相近，为了简化模型，本次研究中，用异辛烷来代替汽油，正庚烷代替柴油，来进行相应的汽油柴油混合燃烧的模拟计算。

理论研究表示，汽油与柴油的混合燃烧，由于混合燃料中存在着沸点低，易挥发的轻质分子，燃料与空气的混合速度就能够被加快，形成一种相较于只进行柴油喷射时更均匀的混合气，从而能够使得缸内过浓的区域明显减少，与此同时碳烟排放就可以大幅降低。同时，在燃烧过程中，混合气内的柴油成分，其具有低着火点的性能，容易着火，便可以实现多点压缩着火，以提高指示热效率的目的。

本文研究采用的是异辛烷进气道喷射，正庚烷缸内喷射的方式来进行燃烧模拟的。

3 双燃料燃烧的发动机工作过程

3.1 燃烧室和喷油器设定

根据发动机的参数，在软件内进行参数设定，然后通过修改12组几何参数来确定燃烧室结构形状，设定压缩比到17左右（误差尽可能小，优于计算）。接下来，选择合适的喷油器模型。

图1 燃烧室和喷油器的设定

在完成上述基本参数设定后，Mesher部分就可以对刚刚建立的燃烧室模型自动进行网格划分。

3.2 解算器的设定

在本研究中所采用的是Crank-Angle模式（即基于发动机曲轴转角），同时设定好计算的起止时刻和发动机转速这些参数。由于软件中规定720°CA对应发动机的上止点位置，同时为了便于我们的计算，我们设定计算始点为进气门关闭时刻（即753°CA），计算终点为排气门开启时刻（即857°CA）；计算期间所设置的步长会直接影响计算的精度、时间和稳定性，所以在计算初期，采用小步长，以使得计算趋于稳定。后期可逐步调大步长，在接近喷油阶段（本次研究设定的喷油时刻为708°CA）时要调小步长，在燃烧阶段所设定的步长就要更加精细了，以便有效描述燃烧过程。

图2 计算步长的设定

3.3 边界条件、初始条件的设定

由于本研究是模拟从进气门关到排气门开这一阶段（即高压循环阶段），计算过程中气缸是闭口系，边界类型均默认为wall，只需对壁面温度进行用户需要的设定。值得注意的是，在轴边界设置中边界类型要设为对称边界(symmetry)，以此来保证柴油机部分模型的中心网格是六面体。

本次研究我们设定初始压力和温度分别为100000pa和370K；在这两者确定后，软件会自动计算空气密度值。初始条件中还包含了湍动能和涡流强度，湍动能（TKE）的计算如下：

V=0.70（小缸径高速柴油机经验公式）

其中：V：湍流波动速度 (m/s)；V：活塞平均速度 (m/s)；h：冲程(m)；n：发动机转速(r/min)。计算可得，湍动能TKE =52.3（m²/s²）；

发动机涡流强度等于涡流比乘以发动机转速，由于本研究中的发动机的进气道为螺旋式进气道，其形状较为复杂，涡流比范围是2~4，研究中取3，则涡流强度为6600r/min。湍流尺度与扩散率采用软件默认值。

3.4 其余模块、模型的设定

（1）物质输运模块：用于模拟化学组分的输运，同时在计算过程中提供输运的化学方程。本文选择standard模型即可。

图3 平均压力图

（2）燃烧模型：本次研究中采用的是柴油机，故采用ECFM-3Z模型来描述柴油机燃烧过程。

（3）排放模型：本文采用的是Zeldovich模型来作为NOx的排放模型；同时采用Frolov Kinetic Model模型作为soot(碳烟)的排放模型。

3.5 通用气相模块

以标准进气燃烧的模拟计算参数为基础，通过修改物质输运模块和通用气相反应模块的参数来模拟计算通用燃烧部分。设置进气组分数量为16，给进气组分分别赋初始值。由于异辛烷为进气道喷射，在进气的初始组分中就存在，所以要重新计算各物质组分占比，为其赋值。异辛烷和正庚烷比例1：1，燃料总量不变，正庚烷的喷射量就变为标准燃烧下的一半，即为4.08×10-6kg，同时异辛烷的质量也就是4.08×10-6kg。理论空燃比为14.3，过量空气系数设置为1.5，则实际进空气量m air为87.087×10-6kg，总混合进气量m总=mair+m异辛烷，分别求出氧气O2、氮气N2和异辛烷C7H16占总混合进气量的质量比例。

4 模拟结果及结果分析

以下是标准进气燃烧与异辛烷正庚烷1：1比例的通用燃烧的一系列描述发动机燃烧参数的比较图：

图4 平均温度图

从以上两张图片可以看出，模拟的通用燃烧部分燃烧效果更好，其压力曲线和温度曲线的斜率角抖，且燃烧始点相较于标准燃烧也提前了10°CA之多，最高压力和最高温度分别达到了10Mpa和2300K以上，相较于标准燃烧其燃烧更充分更快速。

图5 平均CO含量

分析原因：由于异辛烷的添加，提高了混合气的易燃性，延长了着火延迟期，使燃油和空气充分预混合，燃烧更加充分、高效。由此可见，在发动机中加入适量的汽油与空气进行预混合，可以提高发动机的燃烧效率。

图6 平均CO2含量

而数据表明燃烧过程中H和OH的含量，通用燃烧较标准燃烧有所增加，这两者是燃烧过程中的活性物质，其含量反映了燃烧的进程，即燃烧速度的快慢。可见，通用部分的燃烧更加剧烈，速度更快，活性更高。

图5、6分别是燃烧过程中的CO、CO2的含量，这两者可以用来描述燃烧的排放特性。通用燃烧进程不仅相较于标准燃烧更快速更高效，其燃烧也更加完全，意味着对燃料的利用率也更高，所以CO2的生成量在图中也就更高了。

5 结论

通过对双燃料燃烧的发动机工作过程的研究，得出了如下结论：

（1）双燃料燃烧的发动机工作过程的简化机理具有适用性，可利用正庚烷代替柴油，异辛烷代替汽油，来对实际燃烧过程进行初步的简化分析；

（2）在一定范围内，往柴油机中增加汽油可以有效提高燃烧效率和速度以及燃烧的质量，同时降低排放。因为在燃料内加入了可以提高燃料总体易燃性的物质，再者异辛烷的挥发性好，使得燃烧的预混合阶段混合气更加均匀，燃烧效果会更好，燃烧速率增加，碳烟的排放降低。

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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

吴玥，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.065