PCCI柴油机燃用DMC和生物柴油的燃烧活性调节模拟研究

于奇松，梅德清，涂立志，岳珊，张登攀

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.上海FEV技术有限公司，上海 200336；3.南京金肯职业技术学院，江苏 南京 210000)

近年来，为了满足严格的发动机性能和排放指标，国内外学者提出了创新性的燃烧思想及模式，如均质充量压缩点火(Homogeneous Charge Compressed Ignition，HCCI)[1-2]。HCCI燃烧模式可以有效降低炭烟(soot)和氮氧化物(NOx)排放，但其燃烧速率和相位难以控制，稀混特性导致了运行工况范围窄[3]。而PCCI(Premixed Charge Compressed Ignition)燃烧模式则利用提前或滞后喷油等多阶段喷射策略和大比例废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)等综合手段来控制燃烧相位和燃烧速率[4-5]。如文献[6]通过缸内早喷实现柴油机PCCI燃烧以减少soot生成，引入高EGR率降低缸内燃烧反应温度以减少NOx生成，此外，还研究了高EGR率耦合燃油二次喷射的情况，发现这种燃烧模式下燃烧循环波动改善，soot生成得到很好的抑制。

碳酸二甲酯作为一种非极性短碳链酯，其沸点和黏度均比柴油低，添加一定比例能使系统活性增加，有利于柴油机缸内混合气形成[7-8]。大豆生物柴油是一种长碳链酯，十六烷值和低热值均比碳酸二甲酯高，但其挥发性差，不利于缸内混合气的形成[9]。目前对两种含氧燃料的研究较多，但这些研究大都是基于传统燃烧或是单种混合燃料进行的[10-13]，针对分别掺混这两种含氧燃料对PCCI柴油机缸内燃烧过程的研究还很少，其具体化学作用机理对PCCI燃烧模式的影响仍有待揭示。

本研究在44%的高EGR率氛围及低负荷工况下，采用“预喷+预喷+主喷”燃油喷射策略，通过化学反应动力学和三维模拟仿真的手段，从宏观和微观两个方面研究了两种混合燃料相同质量分数和相同含氧量情况下对PCCI燃烧混合气形成和排放的影响，探究了PCCI燃烧模式中两种含氧燃料中燃料氧对燃烧系统活性和排放物的化学作用机理。

1 计算模型构建与验证

1.1 化学动力学简化模型构建

碳酸二甲酯(DMC)氧化反应简化机理在胡二江等[15]提出的present模型基础上构建，该机理含275种组分和1 586个反应。采用直接关系图法对该机理进行初步简化，运用CHEMKIN-PRO软件中的封闭均质模型，初始温度为1 000，1 250，1 500 K，当量比为0.5，1和2，初始压力为1，4，6 MPa，目标参数设定为着火延迟期、C2H2摩尔浓度和CO摩尔浓度，误差阈值为10%，得到包含69种组分和330个反应的半详细机理。

在温度为1 200 K、压力为1 MPa、当量比为1的工况下进行DMC氧化反应路径分析，结果见图1。以DMC为初始组分，去除与其相关的消耗比例较小的燃料分支组分coc*ooh和cjoc*ooh，留下其他对着火和燃烧比较重要的反应，并且把这些反应的重要生成物作为新的初始组分，接着删掉反应速率较小的反应，直至最终产物为CO2和H2O。只进行组分及基元反应的缩减，不改动半详细机理中基元反应的温度指数、指前因子和活化能。图1中反应均作保留，最终得到53种组分、243个反应的DMC简化机理。

图1 DMC氧化反应路径图

以Alexandrino[14]等在激波管上测量得到的DMC着火延迟期的试验数据为参照，在当量比为0.5，1,2，初始压力为2 MPa和4 MPa，温度为950～1 400 K的工况下进行DMC简化机理预测，图2示出当量比为1工况下通过DMC详细机理和简化机理获得的着火延迟期与试验值的对比结果。由图2可见，DMC简化机理预测的着火延迟期和试验值最大误差小于10%，当量比为0.5和2的工况下预测结果类似，故不作展示。

图2 DMC详细机理和简化机理预测的着火延迟期和试验值的对比

为进一步验证DMC简化机理的可行性，采用Hu等[15]的DMC对冲火焰组分浓度试验数据对简化机理作了验证，图3示出压力0.1 MPa工况下简化机理计算得到的DMC对冲燃烧火焰主要组分浓度与试验值的对比结果。由图3可以发现，模拟预测值与试验值二者的整体趋势较为一致。

图3 DMC简化机理预测的对冲火焰主要组分浓度和试验值的对比

柴油的燃烧氧化机理采用Converge软件自带的正庚烷(nC7H16)机理，该机理含42种组分、168个反应。利用解耦法将DMC和正庚烷两个机理合并，得到包含73种组分330个反应的DMC-柴油机理。合并过程中DMC机理未作更改，只对正庚烷机理进行着火延迟期验证[16]，当量比为0.5，1和2，初始压力为1.36 MPa和4.2 MPa，图4仅示出当量比为1工况下的结果。由图4可知，该机理预测的正庚烷着火延迟期和试验值最大误差小于10%，可进行下一步研究。

图4 DMC-柴油混合机理预测的着火延迟期和正庚烷试验值的对比

采用Bakali等[17]的正庚烷预混火焰组分浓度试验数据对DMC-柴油混合机理进行验证，初始压力为0.1 MPa，当量比为1.9。计算结果见图5。由图5可见，该混合机理能对正庚烷预混火焰主要组分浓度进行准确预测。

图5 DMC-柴油混合机理预测的预混火焰主要组分浓度和正庚烷试验值的对比

选用大豆生物柴油作为燃料，生物柴油-柴油的燃烧机理选用李军成等[18]在正庚烷和癸酸甲酯(MD)氧化机理的基础上构建而成的Bio111机理，该机理已经通过激波管试验、射流搅拌试验及柴油机燃烧试验验证了其良好的预测能力。

1.2 缸内燃烧仿真模型构建

样机是一台由4缸Daimler OM646柴油机改装的高压共轨单缸柴油机，其主要技术参数见表1。为了满足欧Ⅴ及更高的排放标准，目标样机使用高压共轨系统以灵活控制喷油次数和喷油脉宽，并在进气增压的基础上耦合高EGR率以实现柴油PCCI燃烧模式。

表1 发动机主要技术参数

目标样机的7孔喷油器安装在气缸中心轴线位置，且沿圆周方向均匀分布，在保证模拟结果准确性的前提下，为了减少计算工作量，选用1/7模型进行燃烧过程计算，利用Converge软件建立仿真模型(见图6)，相关计算模型选择见表2。

图6 燃烧室三维模型

表2 求解器数学模型

发动机模拟计算过程从进气门关闭时刻开始到排气门开启时刻结束，即对应曲轴转角的变化为从-112°到116°(360°为压缩行程上止点，定义压缩行程上止点为0°，转角为负表示上止点前，反之为正)。计算初始条件见表3，模拟计算的初始温度、初始压力、初始燃油温度及EGR率基于试验获得。采用1/7燃烧室模型进行计算，将扇形体相对的切面作为循环边界。气缸壁、气缸盖和燃烧室顶部作为固定壁面，其温度的初始参数设定基于经验及平均温度。

表3 初始条件及边界条件

1.3 燃油喷射方案及模型验证

试验样机所用燃油的理化性质见表4。燃油喷射量对比见表5，选用正庚烷和癸酸甲酯的混合物作为大豆生物柴油的替代物，1 mol癸酸甲酯和0.98 mol正庚烷的热值和1 mol大豆生物柴油热值相同，且其平均分子式C17.86H37.68O2和大豆生物柴油分子式也较为接近。本研究为对比研究分别掺混相同组分和相同含氧量DMC及生物柴油对PCCI油机燃烧活性及排放的影响，设置了柴油、D10、B10和B48 4种燃料，其中B10燃料(掺混10%质量分数大豆生物柴油)和D10燃料(掺混10%质量分数DMC)掺混含氧燃料质量分数相同，B48燃料(掺混48%质量分数大豆生物柴油)和D10燃料含氧量相同。试验样机燃油喷射系统主要参数为第1段预喷、第2段预喷和主喷的喷油正时SOI-P1，SOI-P2及SOI-M，以及三段喷射对应的喷油量Q1，Q2及QM。燃油喷射方案见表6，Case为柴油喷油方案，基于表5燃油喷射摩尔比，可得出D10，B10和B48燃料的喷油方案，分别为Case1，Case2和Case3。

表4 燃油理化性质

表5 燃油喷射量对比

表6 燃油喷射方案

模拟工作在发动机转速1 900 r/min、平均指示压力0.44 MPa的工况下进行，所用数据参照课题组前期工作[8]，实测压力和瞬时放热率与模拟计算的对比见图7。由图7可见，模拟计算和实测缸压及瞬时放热率峰值较为一致，误差小于5%，说明建立的仿真模型可用于后续模拟研究。

图7 缸压、放热率模拟值和试验值的对比

2 结果与分析

2.1 PCCI燃烧过程分析

图8示出柴油、D10、B10和B48 4种燃料的缸压和放热率曲线。由图8可见，4种燃料的缸压及放热率均呈现双峰，D10燃料的缸压曲线最早和柴油缸压曲线分离，放热最快且峰值最高。DMC虽然十六烷值比柴油低、滞燃期长，但易挥发，有利于促进混合气的形成及后续燃烧。B10燃料的燃烧起点介于DMC和柴油之间，B48燃料的燃烧时刻则最为滞后，缸内最高燃烧压力和放热率峰值均比柴油低，且随掺混比例增加逐渐降低，这是因为燃用的大豆生物柴油热值和十六烷值均比柴油低，放热逐渐延迟。

图8 4种燃料的缸压和放热率曲线

图9示出4种燃料的缸内平均温度曲线。由图9可见，添加不同酯类含氧燃料后缸内平均温度较柴油均有不同程度的降低，这是因为DMC和生物柴油的热值均比柴油低。D10燃料的温度升高率最大，达到温度峰值时刻最早，且由于DMC对燃烧有促进作用，其峰值大小仅次于柴油，较B10燃料略高。结合表7可以看出，D10燃料着火到CA10(10%累计放热率对应曲轴转角)时刻缩短，燃烧持续期也变短，放热中心CA50(50%累计放热率对应曲轴转角，表7中CA90为90%累计放热率对应曲轴转角)前移。添加生物柴油后雾化效果更差，影响混合气形成，导致燃烧持续期变长，放热中心CA50后移。

图9 4种燃料的缸内平均温度曲线

表7 4种燃料的缸内燃烧特征参数

图10示出4种燃料的OH，HO2和H2O2生成变化曲线。OH能有效促进燃料裂解并释放能量，决定了整个燃烧系统的氧化活性和反应速率，在缸内自由基中尤为重要。由图可见，4种燃料OH、HO2及H2O2的生成时刻不同，柴油最早，D10和B10生成时刻相差不大，B48燃料最迟，这与滞燃期较为一致。在-19°附近，即第二段燃油喷入时刻，HO2和H2O2几乎同时生成，标志着低温反应开始，燃料分子氧化后生成HO2，脱氢后继而生成H2O2。当温度升高至1 150 ℃左右，H2O2快速裂解为大量OH，燃料氧化反应速度加快，反应体系温度迅速上升。4种燃料OH、HO2及H2O2的生成量也不同，柴油OH累积量峰值最小，B48燃料OH累积量峰值最高。D10和B10燃料OH累积量峰值均高于柴油，而D10燃料由于其较好的挥发性，初始阶段放热较快，OH达到峰值的时刻最早，但OH峰值比B10燃料略低，具体原因可结合混合燃料交叉反应路径分析。

图10 4种燃料OH，HO2和H2O2生成变化曲线

图12示出4种燃料燃空当量比、温度、OH和H2O2的缸内分布云图。选取CA10，CA50，CA90 3个典型放热率时刻进行分析。由图12可见，高温区域和OH浓区有较好的一致性，主要集中在燃空当量比浓区，因而温度主要受OH自由基浓度影响。在燃烧初期，缸内高温区域主要集中在当量比及OH浓度较高的燃烧室底部区域，此刻大量的H2O2在燃烧室凹坑生成。在CA50时刻，混合气随着缸内挤流运动迅速扩散，大量H2O2转化为OH，反应体系活性迅速升高，缸内温度随着燃烧反应迅速上升。在燃烧核心区域，B10和B48的局部高温区域要高于柴油，结合图10和图11可以发现，添加生物柴油后燃料体系氧含量增加，大量氧集中在局部区域，使得缸内局部活性较高，但由于生物柴油挥发性差，使得可燃混合气分布范围缩小，燃烧区域变小。而DMC挥发性比生物柴油好，有利于促进缸内混合气的形成及燃烧，添加DMC后可燃混合气分布范围扩大，整个系统活性提高。在燃烧后期，随着缸内膨胀过程的进行，混合气迅速扩散，油气混合情况改善，高温区域扩大，此刻H2O2已基本分解为OH，仅燃烧室顶部还残留少部分。

图11 DMC-柴油和生物柴油-柴油两种混合燃料体系中低温下关于OH的反应流分析示意

图12 4种燃料燃空当量比、温度、OH和H2O2的缸内分布云图

在燃烧初期，缸内温度较低，NOx和soot排放生成量可忽略不计。在CA50时刻和燃烧后期，NOx生成并随高温区域扩散，主要分布在缸内中上部，即高温但当量比较低的区域，soot开始生成在燃烧室底部区域，并扩散至燃烧室中上部，主要分布在高温且当量比较高的区域。

2.2 有害排放物生成特性

图13示出4种燃料缸内NOx生成质量变化情况。NOx排放主要包含NO2，N2O及NO 3种氮氧化物，由图13可以看出，同一种含氧燃料下，3种氮氧化物生成时刻和滞燃期较为一致，NO2和NO生成量相对较多，为主要NOx生成物。D10燃料的缸内平均温度和柴油缸内平均温度相差不大，B10则略低。虽然B10燃料的OH累积量较D10燃料高，但其NOx排放低于D10燃料，可见温度对NOx排放起主要作用。从图12中CA50时刻云图可以看出，B10和B48燃料局部温度较柴油高，造成添加生物柴油后NOx生成量升高。D10，B10和B48燃料的NOx排放较柴油分别升高了6.2%，5.3%和8.1%，因此DMC对NOx生成的促进作用要高于生物柴油。

图13 4种燃料缸内NOx生成质量变化情况

图14 4种燃料缸内soot生成质量变化情况

3 结论

a)应用CHEMKIN-PRO软件，采用DRG及反应路径分析简化方法对DMC机理进行简化，得到一个包含53种组分243个反应的DMC简化机理，经验证合理后将该机理和正庚烷机理合并，得到一个包含75种组分311个反应的DMC-柴油混合机理，结果表明该混合机理具有良好的预测性；

b)应用Converge软件，耦合DMC-柴油混合机理和生物柴油-柴油混合机理，研究DMC和生物柴油两种酯类燃料对采用“预喷+预喷+主喷”喷油策略的PCCI柴油机燃烧排放的影响；添加DMC对燃烧有促进作用，着火到CA10时刻缩短，燃烧持续期也随之变短，放热中心CA50前移，而添加生物柴油后则相反；D10，B10和B48燃料的NOx排放较柴油分别升高了6.2%，5.3%和8.1%，soot排放较纯柴油分别降低了58.1%，23.5%和68.4%；

c)添加含氧燃料后反应系统活性增加，添加10%DMC对反应系统活性的增加作用体现在整个反应系统中，OH生成量较B10燃料少，燃空当量比浓区减少，油气扩散情况较好，而添加10%生物柴油则仅体现在局部区域中，OH生成量较D10燃料多，燃空当量比浓区及局部高温区域增加，且随掺混量增加而增加，但可燃混合气区域缩小；NOx主要分布在缸内中上部，即高温但当量比较低的区域，soot开始生成在燃烧室底部区域，并扩散至燃烧室中上部，主要分布高温且当量比较高的区域。