天然气HCCI发动机燃烧特性和排放物的数值模拟研究

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(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

天然气HCCI发动机燃烧特性和排放物的数值模拟研究

回胜,孙锐

(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

本文分析利用CHEMKIN软件中的零维单区HCCI模型模拟了不同的边界参数包括：压缩比、进气温度、进气压力和转速对天然气HCCI发动机燃烧特性及排放物的影响。利用模拟的结果分析了边界参数的变化对发动机缸内温度、压力、着火时刻和污染物排放的影响，为合理选择天然气HCCI发动机的边界参数提供了参考。

发动机；天然气；排放物；HCCI；CHEMKIN

0 引言

均质压燃发动机(HCCI)结合了汽油机“均质混合气”和柴油机“压燃点火”的这两个优点，是一种具有发展前景的新型发动机燃烧方式。国内科研单位针对天然气HCCI发动机燃烧特性开展了一些相关理论研究。2013年高宏达[1]对掺氢天然气发动机的燃烧特性进行了数值模拟研究。2012年刘欣等人[4]对甲烷HCCI燃烧反应机理进行了分析研究。2012年尧命发等人[2]对均质压燃技术进行了分析展望。2009年许健等人[5]对天然气掺氢发动机性能与排放进行了实验研究。2012年侯明阳[6]对乙醇HCCI发动机和甲烷HCCI发动机的燃烧特性进行了模拟仿真。目前天然气HCCI发动机是天然气在发动机应用中最具前景的方式之一，开展天然气HCCI发动机的燃烧过程研究具有较高的学术价值。

1 HCCI(均质压缩燃烧)介绍

HCCI燃烧方式是指“均质充量压缩点燃”，它出现在20世纪70年代末期，由于控制技术的限制，HCCI燃烧方式并没有获得足够的重视。进入上个世纪90年代后，发动机排放法规的要求日益严格，人们对发动机的经济性要求也越来越高，HCCI在低耗节能低排放方面的优势使得HCCI燃烧方式得到了人们的高度关注。

“均质压燃，低温燃烧”不同于传统的汽油机的燃烧过程，也不同于柴油机燃烧过程。它的基本思想是在现代内燃机控制技术的基础上，通过控制内燃机燃烧室内的温度和压力，控制燃料、活化基以及再循环废气的浓度，实现燃烧边界条件与燃料化学协同控制，从而实现对燃料燃烧化学反应过程的控制，实现可控的高效、清洁燃烧，最大限度地提高热效率，降低有害污染物的生成。它的科学意义在于正在开辟一个全新燃烧学领域。

初期的研究发现，HCCI 燃烧没有火焰传播，均质混合气燃烧过程呈现多点同时着火的特征，是追求“均质、整体、低温”的燃烧。HCCI燃烧方式适合柴油、汽油、天然气等多种液体和气体燃料，天然气由于是气体燃料，容易形成均匀的混合气，又由于抗爆性较好(辛烷值高达130)，可以采用较高的压缩比以实现压缩着火。故天然气比其它几种燃料更适合均质混合压缩着火的工作方式。

HCCI燃烧方式与传统汽油机的火花塞点火预混燃烧方式不同，同时与传统柴油机的扩散燃烧方式也不同，HCCI结合了上述两种燃烧方式，同时具有它们的优点。HCCI发动机没有节流损失，发动机的热效率相当高，同时HCCI发动机具有较高的压缩比，压缩着火持续的燃烧时间短，热效率得以进一步的提高，因此HCCI发动机能以稀薄混合气获得相对较高的动力。下图为传统发动机和HCCI发动机的关系。

2 模拟方案

HCCI发动机从理论上来说，燃料与空气的混合气是均质的，而且HCCI燃烧方式的一个特点就是多点同时着火，没有明显的火焰前锋，燃烧温度比较均匀，整个燃烧室空间范围内几乎是同时着火，发动机燃烧室内各种参数只与时间相关，而与空间位置几乎无关，因此我们可以简化HCCI发动机的燃烧模型，直接采用CHEMKIN中的零维单区HCCI模型来对HCCI发动机燃烧过程进行模拟并分析。反应机理选用GRI-Mech3.0。

气体发动机的工作性能在很大程度上取决于发动机初始参数。以下研究主要考虑燃料为天然气时的特性，天然气的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷等烷烃中的轻组分。本文模拟所采用的天然气质量分数如表1。

表1 天然气组成

表2 模拟发动机基本参数

3 边界参数对天然气HCCI发动机燃烧特性的影响

3.1 压缩比的影响

在发动机上应用可变压缩比是很困难的，但是，压缩比的作用是不可以忽略的，因为它是发动机设计过程中的一个关键参数。可以通过直接改变气缸容积或者间接改变气门开闭时间来研究压缩比对着火点的影响。

模拟工况的初始参数：转速为1 200 r/min；初始温度为447 K；初始压力为107 911 Pa；当量比为0.3；压缩比取16.5、18、20、22、24、26。缸内温度和压力及NO的排放随压缩比变化的模拟结果如图2～图4所示。

图2 不同压缩比对缸内温度的影响

图3 不同压缩比对缸内压力的影响

图4 不同压缩比对NO排放的影响

可以看出随着压缩比的增加，着火时刻相对更接近上止点。在相同的当量比的条件下，当压缩比升高且活塞到达上止点时，缸内容积逐渐变小，燃气的浓度不断升高，从而使着火时刻不断提前。即随着压缩比的增大，着火时刻不断提前，当压缩比超过16.5并继续增加时，着火时刻提前变缓。从图2看出提高压缩比，可以使缸内温度峰值提高。由于高温是NO产生的重要条件，因此随着压缩比的提高NO的排放也逐渐增加。

3.2 进气温度的影响

模拟工况的初始参数：压缩比为16.5；转速为1 200 r/min；当量比为0.3；进气压力为107 911 Pa；进气温度分别为407 K、417 K、427 K、437 K、447 K。缸内温度和压力及NO的排放随进气温度变化的模拟结果如图5～图7所示。

图5 不同进气温度对缸内温度的影响

图6 不同进气温度对缸内压力的影响

图7 不同进气温度对NO排放的影响

进气温度变化对天然气HCCI发动机燃烧特性有明显的影响。在进气温度低于427 K时，由于进气温度过低燃料无法燃烧，因此当进气温度为407 K和417 K时缸内的温度曲线和压力曲线几乎重合。当温度达到427 K时，随着进气温度的升高，着火时刻提前，缸内最高温度也随之升高。即此时进气温度越高，着火时刻越提前，因此改变进气温度能够实现对着火定时进行控制。如图7当进气温度为407 K和417 K时，由于进气温度过低，燃料无法燃烧，此时NO的排放为0。当进气温度到达427 K并继续提高时会对NO排放有较大的不利影响，但会使放热率得到提高。

3.3 进气压力的影响

模拟工况的初始参数：压缩比为16.5；转速为1 200 r/min；当量比为0.3；进气温度为447 K；进气压力分别为107 911 Pa、168 706 Pa、229 501 Pa、290 296 Pa、351 091 Pa。缸内温度和压力及NO的排放随进气压力变化的模拟结果如图8-图10所示。

图8 不同进气压力对缸内温度的影响

图9 不同进气压力对缸内压力的影响

图10 不同进气压力对NO排放的影响

可以看出随着初始压力的提高，着火时刻不断提前。这是因为，在模拟中改变进气压力，保持进气温度和当量比不变，在相同的曲轴转角下，初始压力较高时，燃料浓度较大，从而导致反应加快，着火点时刻提前。随着进气压力的增加，缸内压力的峰值显著增加，而对缸内温度变化影响较小。随着进气压力提高NO排放稍有增加，但是氮氧化物的排放可以保持在一定的范围内，因此增大进气压力在降低排放方面是一项非常具有吸引力的措施。

3.4 转速的影响

模拟工况的初始参数：压缩比为16.5；当量比为0.3；进气温度为447 K；进气压力为107 911 Pa；发动机转速为1000 r/min、1 100 r/min、1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min。缸内温度和压力及NO的排放随发动机转速变化的模拟结果如图11-图13所示。

图11 不同转速对缸内温度的影响

图12 不同转速对缸内压力的影响

图13 不同转速对NO排放的影响

如图11和图12所示转速提高后，对缸内温度峰值和缸内压力峰值几乎没有影响。但是峰值出现的时刻不断提前,燃烧整体提前。如图13所示随着转速的增加，NO排放略微降低。这是因为转速的增加导致燃料的化学反应时间相对变少了，NO生成的化学反应也需要时间，氧和氮在缸内滞留的时间是NO生成的一种重要因素。

4 总结

天然气燃料是一种清洁能源，采用HCCI均质压燃技术后，天然气发动机汽车的经济性以及清洁型均优于传统燃料汽车，因此HCCI天然气发动机具有良好的发展前景。本文基于化学反应模拟软件CHEMKIN模拟了HCCI燃烧过程，得出以下结论：(1)随着压缩比提高，着火时刻不断提前，缸内温度提高，NO的排放也逐渐增加。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；

(2)随着进气温度的增加，着火时刻提前，缸内温度峰值提高，当温度达到427 K时NO的排放也随之升高。因此，在不同工况下要选择合适的进气温度，即可以保证发动机的动力性也满足发动机的排放要求；

(3)随着进气压力的升高，着火时刻不断提前，缸内压力的峰值显著增加，而缸内温度变化较小，NO排放有微小增加，因此，增压对提高HCCI发动机的动力性是一种十分有效的措施，但要考虑发动机设计中的强度要求；

(4)当转速增加时，着火时刻延迟，NO排放有微小的降低，缸内温度峰值和缸内压力峰值几乎没有变化，因此为了选择理想的着火点以及有效控制NO的排放要根据实际情况合理选择发动机的转速。

[1]高宏达.掺氢天然气HCCI发动机燃烧特性模拟研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[2]尧命发，刘海峰.均质压燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望[J].汽车工程学报，2012，2(2)：79-90.

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[5]许健，张欣，刘建华，等.天然气掺氢发动机性能与排放试验[J].北京交通大学学报，2009，33(4)：50-53.

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SimulationStudyonCombustionCharacteristicandEmissionsofNaturalGasHCCIEngine

HUI Sheng,SUN Rui

(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

This article simulates that the influence concerning combustion characteristic and emissions of HCCI Engine aroused by different parameters via CHEMKIN software. And these parameters include: compression ratio,intake temperature,intake air pressure and rotational speed. Simulation results show the variation of cylinder temperature, pressure, ignition timing and emissions caused by boundary parameters. The research conclusions could be referred for designing boundary parameters of HCCI Engine reasonable.

engine; natural gas; emissions; HCCI; CHEMKIN

2014-03-06修订稿日期2014-05-14

回胜(1986～)，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向为天然气燃烧领域。

TK479;TK16

A

1002-6339 (2014) 05-0443-04