基于仿真的不同添加成分对HCCI 天然气发动机性能影响

孙楠楠，王晓艳，王 丹，贾德民

（1.潍柴动力股份有限公司 内燃机可靠性国家重点实验室，潍坊 261061，中国； 2.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022，中国）

内燃机发展至今，主要有火花点燃和压缩着火2种燃烧模式。1979 年，S. Onishi 等[1]在1 台二冲程发动机中燃用均匀的汽油和空气混合气，通过在压缩行程形成的高温高压达到自燃点而燃烧，这种燃烧方式可以大幅度减少排放和提高燃油经济性。当时这种燃烧方式被称为活性热氛围燃烧（active thermo-atmospheric combustion, ATAC）。1989 年，H. R. Thring 等[2]将活性热氛围燃烧过程命名为混合均质压燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）。HCCI 燃烧是一种结合了点燃式和压燃式发动机优点的燃烧模式，具有热效率高、NOx和PM 排放低、使用燃料灵活等优点，但也有燃烧相位难以控制、运行范围有限、冷起动困难等缺点。天然气作为应用最广泛的清洁替代燃料，应用在四冲程HCCI 发动机上的研究最早始于20 世纪80 年代[3]，此后诸多学者对天然气HCCI 发动机进行了详细研究。通过控制燃烧室内的温度和压力，控制燃料和活化基浓度，实现燃烧边界条件与燃料化学的协同控制，实现可控燃烧是HCCI 发动机目前的发展目标。向缸内加入添加物协同边界条件变化是实现可控燃烧的有效手段[4-6]。添加物通过改变缸内混合物组分及特性能够有效控制HCCI 发动机的燃烧过程。许多学者通过加入废气再循环（exhaust gas re-circulation，EGR）、氢气（H2）和重整气来控制燃烧过程和扩展负荷范围。

N. Jamaran 和O. Lim[7]使 用CHEMKIN-PRO 计算研究了EGR 和增压对天然气自燃特性的影响，其中，进气压力由自然吸气变化到0.3 MPa，EGR 率从0%增加到50%。结果表明EGR 和增压技术的适当结合能够扩展燃烧工况避免爆震。ZHANG Zunhua 等[8]基于CHEMKIN 软件提出了一种在线制氢的计算模型，分析了加氢、当量比和EGR 率对天然气HCCI 燃烧和排放的影响, 表明EGR 会影响重整过程的初始条件，导致制氢量的明显变化，加氢可以提前燃烧时间，提高燃烧效率。S. Hyunwoo[9]采用一维循环数值模拟方法，研究了甲烷和氢气混合燃料HCCI 发动机的性能和抗爆性, 发现加氢可以实现更宽的运行范围，降低爆震，增强着火能力。M. Pourfallah 和M. Armin[10]通过实验和模拟研究了重整气（CO 和H2）对天然气HCCI 燃烧和排放的影响。通过提高重整气体的比例，可以显著提高最大压力和最大压力上升率，可扩大运行范围的稀燃极限。F. M. Ahari 和E. Neshat[11]采用热力学多区模型耦合化学动力学机制探讨了加水对天然气HCCI 燃烧的影响，同时采用人工惰性法研究了水的化学效应、稀释效应和热效应, 发现水的热效应对燃烧始点的影响大于其稀释效应和化学效应，加水有助于控制HCCI发动机的燃烧过程。M. M. Salahi 和A. Gharehghani[12]采用多维计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）结合化学动力学机制，研究了臭氧(O3)对天然气HCCI 发动机进气和燃油混合气的影响。少量的O3（体积浓度10-6）即可对发动机性能产生相当大的影响；添加适当控制量的O3有助于控制HCCI 燃烧，扩大其工作范围，以降低进气温度。

天然气作为发动机燃料在低负荷下难以着火的主要原因是天然气辛烷值高，向缸内加入高十六烷值燃料，改变缸内组分自燃特性，增强缸内组分着火能力，有可能实现天然气HCCI 发动机向低负荷运行边界扩展。虽然诸多学者针对不同添加成分对天然气HCCI发动机的影响进行了大量研究，但针对不同添加成分对比的研究很少。本文从宏观燃烧特性和内部化学动力学两方面探讨和对比H2、O3和二甲醚（dimethyl ether,DME）3 种添加成分扩展天然气HCCI 发动机低负荷运行特性的能力，以选出有效扩展低负荷运行范围的优良添加成分。

1 研究平台与研究方案

1.1 试验平台

试验所用台架是在一台单缸四冲程柴油机上改装而成，发动机的详细技术参数如表1 所示。

表1 发动机主要技术参数

1.2 模拟平台

以上述单缸机为原型，搭建三维几何模型，其中进气道的几何模型是通过逆向工程获得，而由于本文三维计算重点在于缸内燃烧及组分分析，因此其排气道几何模型是自行设计而来。故本文计算结果会有误差存在，但在指导天然气HCCI 燃烧控制方面具有实际意义。将获得的进气道、排气道和由计算机辅助设计(computer aided design, CAD)得到的燃烧室几何模型导入CONVERGE 软件中，通过CONVERGE 的前处理模块自行划分网格，对进气门和燃烧室进行自适应加密，以精确计算结果。构建的三维模型如图1 所示，试验及模拟中所用天然气组分如表2 所示。

表2 天然气组分

图1 单缸机三维仿真模型

本研究中天然气的化学反应机理采用GRI Mesh 3.0 反应机理，包含53 种组分，325 个基元反应[13]。燃烧模型为详细化学反应模型（SAGE），湍流模型为RANS 中的RNGk-ε模型，传热模型为O’Rourke 和Amsden 模型。

1.3 模拟结果验证

选取转速为1 000 r/min，过量空气系数为1.8，进气温度为180 ℃的试验工况点与模拟结果进行对比，以验证上述所建模型的准确性。试验主要边界条件为转速为1 000 r / min，过量空气系数为1.8，进气温度为180 ℃，平均指示压力(indicated mean effective pressure, IMEP)为0.41 MPa。同一工况下试验和仿真的缸压(pin)和放热率(η)如图2 所示。试验和仿真下的缸压曲线基本吻合，而放热率曲线由于受到不同软件计算方法的不同而略有偏差，但在可接受范围之内。证明上述所构建的三维模型可用于天然气HCCI 燃烧仿真研究。

图2 试验与仿真结果对比

1.4 研究方案

常用的添加成分有氢气、O3、DME、柴油、过氧化氢、有机过氧化物、甲醛和硝酸盐等。本文选用气态添加成分H2、O3和DME。添加成分、天然气均喷入进气道中与空气混合后进入气缸。选取转速为1 000 r/min，进气温度为180 ℃，过量空气系数为2.4， 平均指示压力(IMEP) 为0.38 MPa 作为基准研究工况。仿真计算中的相关边界条件如进气温度、进气压力、排气温度、排气压力、发动机转速、进气量和天然气量等均对标实验值。天然气、H2、O3和DME的理化特性如表4 所示。在采用的GRI Mesh 3.0 反应机理中包含H2组分，因此，H2作为添加成分时仍采用上述机理。O3的反应机理包含17 个基元反应[14]，将其与GRI Mesh 3.0 甲烷反应机理耦合形成CH4与O3的耦合机理，包含54 种组分，342 个基元反应，该耦合机理在已公开发表文献中被证明是合理有效的[12,14]。DME 的反应采用Lawrence Livermore 国家实验室提供的详细机理，包含79 种组分，351 个基元反应[15]。将该机理与GRI Mesh 3.0 CH4反应机理耦合形成CH4与DME 的耦合机理，包含101 种组分和523 个基元反应。

表4 天然气、H2、O3 和DME 的理化特性

H2、O3和DME 这3 种添加成分的十六烷值高于天然气且自燃温度低，引入缸内后混合气着火能力加强，易于自燃。在引入添加成分过程中，以基准工况下的天然气质量为基础，不断加入添加成分，确保天然气和添加成分总质量保持不变，总质量与初始天然气质量一致。文中关于添加成分加入量用质量比来表示，添加成分的质量分数（w）定义为：

其中，madd和mgas分别表示缸内添加成分和天然气的质量流量。

2 研究结果与分析

2.1 氢气

2.1.1 氢气对燃烧特性的影响

氢气(H2)是一种反应活性高、燃烧速度快的反应气体燃料，其火焰传播速度是天然气的8 倍。图3 所示为添加不同H2质量分数（wH2）时天然气HCCI 发动机的缸内压力和放热率变化曲线图。

从图3 中可知： 随着H2的wH2增加，缸内压力（pin）增加的幅度先增加后降低，压力峰值对应的曲轴转角(CA)明显前移；放热率(η)增加，其峰值对应的曲轴转角也明显前移。这与J. Moradi[16]等得出的结论一致。仅加入0.1%的H2，就会产生上述燃烧现象，这表明H2比甲烷更能有效的释放能量。一方面，H2热值远高于天然气，加入到缸内会增加缸内组分热值，燃烧后放出大量热量，可以有效提高发动机的燃烧动力性。因此，加入适量的H2会增加缸内压力和放热率。另一方面，H2自燃温度低于天然气，在缸内温度和压力条件达到H2自燃点后开始燃烧，加快了整体缸内组分燃烧速度，因此，缸内压力和放热率峰值对应的曲轴转角会随着H2质量分数增加而前移。但加入大量H2，由于燃烧过分前移，燃烧负功增加，缸内压力会降低。

图3 不同H2 质量分数下缸内压力和放热率曲线

燃烧相位(CA)是影响HCCI 发动机热功转化的重要参数。不同H2质量分数下燃烧相位和燃烧持续期的变化曲线如图4 所示。

图4 燃烧相位和燃烧持续期随H2 质量分数的变化曲线

DOC 为燃烧持续期 (duration of combustion)。本文中燃烧持续期定义为燃烧始点到燃烧终了之间的曲轴转角，CA90-CA10 表示累计放热量达到90%和10%时所对应的曲轴转角。随着氢气质量分数增加，发动机的整体燃烧相位前移，燃烧持续期缩短，发动机循环更接近于理想Otto 循环，降低传热损失，提升热效率。加入氢气会降低天然气HCCI 发动机实现稳定燃烧的进气温度，即在较低的进气温度下就可实现燃烧。

HCCI 发动机低负荷易失火和高负荷易爆震的特点[17]限制了HCCI 燃烧的工作范围。在低负荷区域，燃烧始点（start of combustion，SOC）延迟，无法维持发动机气缸内的燃烧，并且存在失火现象；而在高负荷区域，燃烧过早（SOC 提前）导致燃料提前燃烧，产生大量放热，导致爆震。2 种异常燃烧现象造成HCCI工作范围窄。因此，在低负荷下向前移动SOC，在高负荷下向后移动SOC[17]，可扩展HCCI 发动机负荷范围。因此，对于HCCI 发动机来说，扩展负荷范围和控制燃烧归根结底是燃烧始点的控制。向天然气HCCI 发动机中加入H2后，燃烧始点前移，可扩展发动机低负荷工况。当H2质量分数由0%增加到5%时，天然气质量降低，过量空气系数由2.4 增加到2.6。因此，研究结果表明，在本文的基准工况下，向天然气中添加质量分数为1%的少量氢气可以改善低负荷下天然气HCCI 发动机的失火不正常燃烧现象，延长其稳定运行的低负荷边界[18]。选取1%质量分数H2的原因在于一方面相比于未加入H2，加入1% H2时缸内压力升高；另一方面，相比于1.5%质量分数H2，此时还未产生压缩负功。

2.1.2 氢气助燃机理分析

甲烷的主要反应路径文献[14]中给出，如图5a所示。

图5 CH4 主要反应路径

本文所用的GRI Mesh 3.0 中消耗CH4主要的基元反应如下所示：

甲烷首先与氧气进行脱氢反应，即R118；在系统中产生的O、H、OH、HO2等活性自由基与CH4发生反应，消耗主要燃料CH4，即R11，R53，R98，R118和R157。加入质量分数1%的H2，就其消耗CH4主要基元反应的正向反应速率与未加入时进行对比，如图6所示。2 种情况下，CH4初始脱氢R118 的反应速率（r）均接近0，反应非常缓慢。H2的加入显著加快了其余CH4消耗反应速率，其中起主要消耗CH4反应作用的是R98，为活性自由基OH 参与的CH4消耗反应，表明自由基OH 是强化天然气HCCI 燃烧的重要组分，这与诸多学者得到的结论一致[19-20]。

图6 未加入H2 和加入1% H2 时消耗CH4 主要反应速率

图7对比了未加H2和加入1%的H2下重要组分变化，包括CH4、H2、O2和自由基OH。从图中可以看出，H2在燃烧始点处开始消耗，在燃烧持续期内，CH4基本消耗完毕。未加入H2时，H2最大浓度出现在燃烧持续期内，主要是由部分基元反应生成；而在混合气中加入H2，H2在燃烧持续期内消耗，且增加了自由基OH 浓度，加快了CH4消耗过程。值得注意的是，未加和加入1%的H2这2 种情况下，最大自由基OH 浓度均位于燃烧结束处，即CA90 处。加入H2后，CH4主要反应路径如图6b, H2主要通过R4 影响自由基H和OH，从而对CH4反应路径产生影响。H2作为添加成分加入天然气HCCI 发动机中提前燃烧始点，加快燃烧过程的机理主要在于H2的加入增加了重要自由基OH 浓度，加快了消耗CH4主要基元反应反应速率。

图7 未加入H2 和加入1% H2 时重要组分变化

2.2 臭氧

2.2.1 臭氧对燃烧特性的影响

臭氧（O3）是氧气的同素异形体，在常温常压条件下，O3是一种淡蓝色气体，有明显刺鼻气味，具有很强的氧化性，是最强的氧化剂之一。O3极不稳定，当温度高于473 K 时，O3就会分解为氧气和氧原子，同时释放出大量热量[21]。有研究表明，O3能够加速着火过程，增强火焰传播[22-23]。本节在进气道中引入O3气体，与天然气空气混合气混合均匀后进入气缸，探讨其对扩展天然气HCCI 发动机低负荷范围的能力。

图8所示为基准研究工况下加入不同质量分数O3的缸内压力和放热率曲线。随着O3质量分数增加，缸内压力和放热率明显增加，它们峰值对应的相位大幅度提前。仅仅加入质量分数为0.1%的O3，就表现出明显的上述燃烧特征。当加入超过0.5%质量分数的O3，缸压和放热率峰值几乎没有变化，只表现在提前燃烧相位上，由于燃烧相位过于提前造成压缩负功增加，降低热功转化效率。不同O3质量分数下燃烧相位和燃烧持续期的变化曲线如图9 所示，O3由0 增加到0.5%，燃烧始点由曲柄转角(CA)上止点后(after top dead center, ATDC）4.52°变化到 2.27°。当O3质量分数大于0.5%时，燃烧相位提前，但是燃烧持续期几乎没有变化，直到加入5%的O3。文中O3加入天然气HCCI 发动机中表现的燃烧特性与M. M. Salahi 等[12]和F. Halter 等[14]得到的结论一致。结果表明，O3的加入会加快天然气HCCI 燃烧反应速度，使得燃烧提前，燃烧持续期缩短，发动机循环接近理想定容循环，放热集中，缸压和放热率升高；但当O3质量分数超过0.5%时，由于压缩负功增加造成输出功降低。燃烧相位的提前表明天然气发动机在原来未加O3无法燃烧的稀工况可能在加入O3后实现稳定燃烧，即扩展天然气HCCI 发动机的低负荷运行范围。当O3质量分数由0%增加到5%时，缸内天然气质量降低，过量空气系数由2.4增加到2.52。O3加入缸内对天然气HCCI 发动机燃烧的影响本质在于增加活性自由基浓度，一方面，增强了破坏燃料分子碳氢键的能力；另一方面，降低了混合物活化能，加快了整体化学反应速率。

图8 不同O3 质量分数下缸内压力和放热率曲线

图9 燃烧相位和燃烧持续期随O3 质量分数的变化

2.2.2 臭氧助燃机理分析

臭氧(O3)加入缸内增加了17 个O3相关基元反应，消耗燃料的主要反应增加了R342，即O3与CH4的基元反应。与H2形成对比，以加入1%质量H2的燃烧相位为基准，选取加入质量分数为0.5%的O3与未加入O3进行对比，绘制的主要消耗CH4反应正向反应速率如图10 所示。O3的加入加快了消耗CH4反应速率，但其增加幅度低于H2的助燃效果。反应速率加快主要在于活性自由基参与的反应如R11、R53、R98 和R157，其中OH 参与的R11 仍然是主要加快整体反应速率的主要反应。O3和O2与CH4的基元反应如R118和R342 反应速率几乎为零，反应非常缓慢。

图10 未加入O3 和加入0.5% O3 时消耗CH4 主要反应速率

图11对比了未加O3和加入0.5% O3下重要组分变化，包括CH4、O2和自由基OH、O。CH4和O2在燃烧始点开始消耗，在燃烧持续期内基本消耗完毕。O3的加入，增加了自由基OH 和O 浓度，O 原子是O3分解后产生的，而自由基OH 是由O 原子和O2参与的基元反应生成。与加入H2一样，未加O3和加入0.5%的O3这2 种情况下，最大自由基OH 浓度均位于燃烧结束处，即CA90 处。

图11 未加入O3 和加入0.5% O3 重要组分变化

图12展示了加入O3后CH4的主要反应路径。O3作为添加成分加入天然气HCCI 发动机中提前燃烧始点，加快燃烧过程的机理主要在于O3通过R326 和R328 分解反应增加了系统内O 原子浓度，进而加快R11正向反应速率增加了重要自由基OH 浓度，从而加快了主要CH4消耗反应速率。

图12 CH4 + O3 主要反应路径

2.3 二甲醚

2.3.1 二甲醚对燃烧特性的影响

二甲醚（dimethyl ether, DME）常温常压下是一种无色有轻微醚香味的气体。DME 的化学式为CH3OCH3，其分子结构中没有C-C 键，只有C-H 键和C-O 键，在任何工况下均可实现无烟燃烧[24]。其十六烷值高于柴油，自燃温度低于柴油。因此，DME 通常作为内燃机的替代燃料，是一种较为理想的柴油压燃代用燃料。DME 的易燃特性有利于实现天然气HCCI 发动机在低负荷工况下稳定燃烧。图13 所示为基准研究工况下加入不同质量分数DME 的缸内压力和放热率曲线。加入DME 后，缸内压力和放热率表现出极为明显的峰值增加和相位提前的燃烧特性。随着DME 质量分数的增加，缸内压力降低，这是因为燃烧相位提前造成压缩负功增加造成；压力峰值对应的曲轴转角提前，但变化极小，没有表现出H2和O3作为添加成分时的明显变化。DME 的热值较低，随着DME 质量分数增加，缸内组分整体热值降低。因此，DME 含量增加会导致发动机放热率降低。这与S. C. Kong[25]和CHEN Zhili等[26]得出的燃烧特性一致。DME 的理化特性与柴油类似，且自燃点低。随着活塞上行，缸内温度升高达到DME 自燃点，DME 开始燃烧，燃烧后放出的热量以及周围火核可引燃缸内天然气空气混合气。

图13 不同DME 质量分数下的缸内压力和放热率曲线

不同DME 质量分数下燃烧相位和燃烧持续期的变化曲线如图14 所示。随着DME 质量分数增加，整体燃烧相位前移，燃烧持续期缩短。当DME 质量分数由0%增加到5%时，过量空气系数由2.4 增加到2.52。在天然气HCCI 发动机中加入DME 具有扩展其低负荷运行范围的潜力。

图14 燃烧相位和燃烧持续期随DME 质量分数的变化曲线

2.3.2 DME 助燃机理分析

以加入质量分数为0.5%的DME 为研究工况，探讨DME 对天然气HCCI 发动机的助燃机理。在天然气和DME 的耦合机理中，消耗燃料的主要反应仍然是上文提到的R11、R53、R98 和R157。图15 是未加入DME 和加入0.5%DME 时消耗CH4的主要反应速率。从图中可以看出，加入DME 与未加入相比，消耗CH4主要反应的燃烧速率降低。这表明DME 对天然气HCCI 发动机的助燃机理与氢气和O3不同，不是由于加快消耗甲烷主要反应速率而是类似于柴油，DME起到了引燃天然气的作用。

图15 未加入DME 和加入0.5%DME 时消耗CH4 主要反应速率

DME 的均质压燃放热有明显低温反应放热和高温反应放热2 个阶段。图16 为DME 2 阶段主要反应路径。DME 的氧化反应起始于与O2的脱氢反应生成CH3OCH2，即R465。温度较高时（T＞ 1 000 K），燃料的高温裂解反应占据主导地位；温度较低时（T＜ 800 K），生成酮氢过氧化组分的链分支反应起主要作用，随着温度的升高，烃基氢过氧化组分的链传递反应比重也随之上升，从而导致高温条件下裂解反应的产生。在低温放热阶段，由R465 生成的CH3OCH2通过反应R472 氧化成CH3OCH2O2，是DME 低温放热阶段的重要反应。通过分子内部异构化生成CH2OCH2O2H； 而后CH2OCH2O2H 通过氧化反应R480 生成O2CH2OCH2O2H，在经过分解反应R481生 成HO2CH2OCHO 和OH，而 后HO2CH2OCHO 裂解 生 成OCH2OCHO 和OH。R481 和R482 是DME低温放热初期阶段产生OH 的2 个主要反应。随后OCH2OCHO 经 过 反 应R483 分 解成HCO2和CH2O，这2 种产物是DME 低温放热阶段的主要产物。随着低温放热阶段进行，缸内温度逐步升高，DME 的氧化过程开始进入高温放热阶段。DME 的氧化脱氢产物CH3OCH2经过R467 高温裂解成CH2O 和CH3。CH2O经过一系列反应最终生成CO2。高温阶段放热实质上是CO 的氧化放热过程。

图16 DME 两阶段主要反应路径

2.4 3 种添加成分对比

选取质量分数为1%的H2、0.5%的O3和0.5%的DME 进行对比，如图17 为3 种添加成分对比下的缸内压力曲线。图中缸内压力曲线相似，即燃烧相位提前至相同位置，压力峰值达到相同高度。3 种添加成分的不同掺混量，均可实现天然气HCCI 发动机向低负荷运行范围扩展。

图17 3 种添加成分对比的缸压曲线

从助燃机理上看，H2作为添加成分加快燃烧过程的机理主要在于增加了重要自由基OH 浓度，加快了消耗甲烷主要基元反应反应速率；O3加快燃烧过程的机理主要在于O3的分解反应增加了系统内O 原子浓度，进而增加了重要自由基OH 浓度，从而加快了主要甲烷消耗反应速率; DME 对天然气HCCI 发动机的助燃机理与H2和O3不同，不是由于加快了消耗甲烷主要反应的速率，而是类似于柴油，起到了引燃天然气的作用。

从成本、产量和助燃性多方面结合来看，DME 的助燃性要好于H2和O3，且DME 的助燃机相比于氢气和O3更加稳定，但DME 价格较高且其生产过程不利于商业化；H2和O3助燃机理一致，但相比而言，H2的生产过程较O3更容易且环保。与电解水制氢不同，利用各种有机废物制氢，是一种更经济更环保、可持续的制氢方法，该方法具有操作条件简单、产氢稳定和能耗低等优点。因此，可选用H2作为添加成分来扩展天然气HCCI 发动机燃烧稳定运行范围的低负荷边界。

3 结 论

本文基于一台天然气HCCI 单缸机，搭建三维仿真模型，模拟计算了向缸内添加氢气、臭氧和二甲醚时发动机的性能特性，从缸内燃烧情况及助燃机理两方面进行分析，得到的结论如下：

天然气混合均质压燃（HCCI）发动机存在低负荷难以启动的问题，向缸内添加氢气、臭氧和二甲醚等添加剂可以解决上述问题，扩展天然气HCCI 发动机低负荷运行范围。

氢气和臭氧作为添加剂在低负荷改善冷启动的机理在于氢气和臭氧的加入能够增加重要自由基OH 浓度，加快消耗甲烷主要基元反应速率。

DME 的加入类似于柴油，起到了引燃天然气的作用。随着DME 质量分数增加，整体燃烧相位前移，燃烧持续期缩短。在天然气HCCI 发动机中加入DME具有扩展低负荷运行范围的潜力。

从成本、产量和助燃性多方面综合来看，氢气是一种扩展天然气HCCI 发动机低负荷边界的优良添加成分。