不同进气组分对柴油机燃烧过程影响的研究*

陈贵升,朱文霞,沈颖刚，杨 辉，李伟东

(昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室,昆明 650500)

2016024

不同进气组分对柴油机燃烧过程影响的研究*

陈贵升,朱文霞,沈颖刚，杨 辉，李伟东

(昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室,昆明 650500)

以正庚烷/甲苯/正己烯混合物简化机理作为柴油燃料燃烧化学反应动力学机理，应用计算流体动力学软件耦合化学动力学机理建立了某高压共轨柴油机的三维CFD数值模型。采用该耦合模型，以海拔3 000m大气环境(O2和N2的体积分数分别为16.2%和83.8%)为基点，模拟对比了不同体积掺混比(1.6%，4.8%和8%)的进气组分(O2，H2，CO2和气态H2O)对发动机工作过程的影响。结果表明：进气掺O2后，燃烧始点提前，预混燃烧比例减少，放热速率峰值降低，缸内活性基(OH，O)浓度升高，NO明显增大而碳烟(Soot)显著降低；进气掺H2后，放热速率显著加快，缸内压力和峰值温度增高，NO稍有升高而Soot略为降低；进气掺CO2后，着火时刻最晚，缸内温度和压力最低，A4与C2H2的消耗反应持续期最长，其NO生成最少而Soot排放最高；进气掺气态H2O后，NO稍有降低，而Soot变化不大。

柴油机；进气组分；化学反应动力学；燃烧过程；排放特性

前言

柴油机因具有热效率高、动力性强等优点而得到广泛应用。但相比汽油机，柴油机碳烟(Soot)排放较高，且NOx与Soot之间存在此消彼长的关系[1]。随着排放法规日益严格，如何同时降低NOx与Soot排放和提高燃油经济性已成为柴油机实现清洁高效燃烧所面临的巨大挑战。研究表明，进气组分及其组成比例极大地影响着柴油机燃烧过程和排放物的生成历程与生成机理[2-4]。传统柴油机的进气充量是新鲜空气，主要由N2和O2两种组分构成。不同组分进气燃烧的控制技术是为探索发动机高效低排放燃烧、动力强化和提升高原环境适应性而提出的一项主动控制技术[2]。通过优化进气组分来控制燃烧过程，是实现柴油机高效清洁燃烧的一项有效技术措施。研究表明，作为气体燃料，H2具有燃烧速度快、扩散系数高、着火范围宽和燃烧清洁等特点[2]。柴油机进气掺O2实现富氧燃烧后，因提高了燃料与O2的混合质量，燃烧充分而使热效率提升，HC，CO和Soot排放得以改善，但会导致NOx大幅升高[3]。CO2和气态H2O是废气再循环(EGR)中的两种主要成分，它主要通过降低燃烧温度与缸内氧浓度而影响柴油机的燃烧过程与排放物生成历程[4]。

目前，同时独立针对上述不同进气组分对柴油机工作过程影响机理的对比研究还有待深入。本文中以现代高压共轨柴油机为研究机型，通过计算流体动力学软件AVL FIRE耦合柴油替代混合物化学反应动力学简化机理，构建其三维CFD耦合模型，研究不同进气组分(O2，H2，CO2和气态H2O)对柴油机工作过程的影响规律与作用机理，以期为现代先进柴油机高效清洁燃烧的进气组分优化提供理论与工程指导。

1 三维CFD耦合模型的构建与验证

1.1 化学反应机理的选择

本文中以三维CFD计算软件AVL FIRE与简化化学动力学模型进行耦合模拟计算。耦合动力学机理为文献[5]中构建的三组分柴油燃料替代混合物(正庚烷/甲苯/正己烯)简化化学动力学模型，它包含67种物质和135个基元反应。该简化机理是在对文献[6]中提出的正庚烷/甲苯燃烧模型进行敏感性分析并加以简化的基础上，加入了正己烯反应机理、NOx与Soot前驱物PAHs的重要生成反应。其中，PAHs简化机理是基于文献[7]中提出的PAHs详细化学反应机理中提取涉及到4个苯环的PAHs(苯-A1、萘-A2、菲-A3、芘-A4)生成的重要反应，并对A3和A4的反应机理进行了修正；NOx反应机理是基于扩展的Zeldovich机理[8]，并增加了N2O中间产物的反应机理和NO与NO2之间的转换反应[6]；采用文献[9]中提出的以A4作为生成前驱物的Soot生成机理。文献[10]中对此模型进行了激波管、定容燃烧弹和实际共轨柴油机试验台架的试验数据验证，显示了该机理能较准确地模拟低EGR率和高EGR率下(低温燃烧模式)共轨柴油机的燃烧放热过程和NOx与Soot的排放趋势，同时发现A4和Soot在不同EGR率下不同燃烧时刻的生成与氧化历程和缸内浓度空间分布特性基本一致，表明此动力学模型中A4生成机理能较准确地预测Soot的生成趋势。上述简化动力学模型为本文运用耦合机理研究不同进气组分对柴油机工作过程的影响提供了理论基础与可行途径。

1.2 三维CFD耦合数值模型的构建

以D19型高压共轨柴油机为试验机型，其主要结构参数如表1所示。

根据D19柴油机结构参数与燃烧室几何尺寸，利用CAD绘制燃烧室的轮廓线，并将其导入AVL FIRE的ESE Diesel前处理模块，设置燃烧室参数，绘制二维网格，同时生成燃烧室的三维六面体动态网格。由于试验柴油机使用6孔(喷孔直径为0.129mm)对称喷油器，为了节省计算时间，生成的计算网格为1/6模型，见图1。平均网格大小为0.8mm，所建模型在上止点时的网格数为15 325个，在下止点时网格数为30 400个。以三维CFD数值模型与简化化学动力学机理进行耦合模拟计算，主要计算物理模型设置见表2。

计算模型模型类型湍流模型κ⁃ε双方程燃油碰壁模型Walljet1燃油蒸发模型Multi⁃component燃油破碎模型Wave

1.3 耦合模型验证

研究工况转速为2 200r/min(最大转矩转速)，循环喷油量为30mg，单个喷孔循环喷油量为5.0mg(根据实测小时油耗和转速算得)。计算区域设置为进气门关闭与排气门开启区域。在CFD耦合模型计算的初始条件设置中，根据试验测得的缸内压力和增压器压气机后温度等参数，确定进气门关闭时刻的初始缸内压力与压缩温度。其中进气温度等关键参数是根据发动机结构参数与试验实测数据，通过Boost构建其一维热力学仿真整机模型算得，见图2(a)。

对模型验证时，发动机不同喷油时刻的烟度用AVL 415S烟度计测量，测量烟度值的单位是FSN(filter smoke number)。Soot质量按照AVL 415S烟度计说明书通过烟度实测值换算得到，具体计算公式[11]为

0.001×(mair+mfuel)/1.2929

式中：S为实测烟度值，FSN；mair为进气流量，kg/h；mfuel为柴油机的小时油耗量，kg/h；e≈2.7183。

不同进气组分及其掺混体积比通过FIRE初始边界条件模块设置，其余参数值参考FIRE说明书推荐的经验值。将计算得到的缸压力曲线和Soot质量分数分别与试验测量值进行对比，见图2(b)和图2(c)。对比验证表明，缸压计算结果与试验值的重合度较好，同时不同喷油时刻Soot计算值与试验值的变化趋势基本一致且保持在同一数量级。由此可见，本文中所构建的三维CFD耦合模型、初始条件和边界条件的设置均较为合理，能够满足对真实发动机的仿真计算要求。

基于上述所构建的耦合动力学CFD模型，以海拔3 000m大气环境(体积浓度为16.2%O2+83.8%N2)为研究基点，保持O2体积浓度不变，而分别由进气组分O2，H2，CO2或气态H2O以一定的掺混比替代空气中的N2，以此模拟研究不同进气体积掺混比(1.6%，4.8%和8%)的气态进气组分对发动机工作过程的影响规律，揭示其对柴油机燃烧过程、重要活性基(OH，O)、碳烟前驱物(乙炔-C2H2，A4)和排放终产物(NO，Soot)形成的作用机理。

2 计算结果与分析

2.1 不同进气组分及其掺混比对柴油机燃烧过程的影响

图3为不同体积进气掺混比下(1.6%，4.8%和8%)不同进气组分瞬时放热率对比。

由图3可知，体积掺混比例越大，不同进气成分之间的瞬时放热率差别也越大。在相同掺混比时，进气掺O2相对于其他进气组分燃烧始点提前，瞬时放热速率峰值降低。如掺混比例为4.8%时，其放热率曲线已表现出预混燃烧与扩散燃烧之分，随掺混比例进一步增大至8%时，燃烧过程以扩散燃烧为主，放热速率明显降低。这是因为富氧燃烧促进了燃料与氧气的混合，着火性能增强，滞燃期缩短，预混燃烧比例减小；随着掺混比的增加，进气掺CO2和H2O后，因缸内工质的比热容增加，着火前缸内温度降低，着火相位推迟，滞燃期扩展(CO2对滞燃期扩展作用更明显)，预混燃烧比例增加，放热速率峰值高于进气掺O2；H2的着火自燃温度较高[12]，并且在低温反应阶段通过消耗OH自由基来控制着火[13]，因此进气掺H2时着火时刻相对于O2和H2O延迟，滞燃期延长增加了着火前可燃混合气，同时H2具有燃烧放热速率与火焰传播速度较快的燃烧特性[14]，从而导致其放热率峰值相对其他进气组分显著升高，燃烧持续期缩短，放热较为集中。

图4为不同体积掺混比下不同进气组分缸内峰值压力与峰值温度对比。图5为掺混比为8%时，不同进气组分缸内瞬时爆发压力、压力升高率和缸内燃烧温度随曲轴转角变化规律的对比。

由图4和图5可知，进气掺O2或H2后的缸内压力和燃烧温度都增大，并且随掺混比例增大而升高，其中进气掺H2尤为显著且会导致压力升高率显著升高(压力峰值在掺混比为8%时接近16MPa，压力升高率高达1.6MPa/°CA)；进气掺CO2或H2O后，缸内压力和燃烧温度反而降低，并随掺混比例增大而近乎线性下降，其中进气掺CO2更为显著。分析认为：进气掺O2后，燃烧始点提前使放热更靠近上止点且燃烧充分；而H2作为气体燃料，具有火焰传播速度快、扩散系数高和着火范围宽(扩大着火区域)的燃烧特性[2]，极大提高了燃烧速率与燃烧质量，其压力升高率明显增大。因此，考虑到限制压力升高率和爆发压力，掺H2比例不宜过高；而CO2和H2O的比热容相对较高[15-16]，加入后会增加热量吸收，阻碍着火与火焰传播，推迟燃烧相位，降低缸内压力与温度。其中，CO2因体积比热容高于气态H2O，其对燃烧过程的影响更为显著。

2.2 不同进气组分及掺混比对柴油机排放特性的影响

图6为不同体积掺混比下(1.6%，4.8%和8%)不同进气组分的NO和Soot排放对比。

柴油机排放物中的NOx主要由NO和NO2组成，其中NO占绝大部分[17]，因此可通过研究NO生成量的变化来表征NOx的变化规律。由图6(a)可知，NO随进气O2掺混比的增大而显著升高。这是因为O2浓度增大，燃烧更加充分，燃烧温度提高，缸内高温富氧区域增多；进气掺H2后的缸内温度虽然明显高于掺O2，但其NO排放随掺混比增加而明显低于掺O2。由此可见，缸内氧浓度对NO生成的影响比燃烧温度的影响更显著；进气掺CO2或H2O因降低缸内燃烧温度而使NO降低，其中CO2的作用更为明显。

由图6(b)可知，Soot排放随进气O2掺混比的增大而显著降低，当掺混比超过4.8%后接近零排放。这是因为O2浓度增大使燃烧更加充分，燃烧温度提高，缸内高温过浓局部区域减少和燃烧后期氧化强度增大所致；进气掺H2会使Soot排放随掺混比增加而降低，但其降低的幅度远低于掺O2。这主要因为H2掺混比增加显著提高了燃烧温度(高温利于Soot氧化)，同时快速燃烧使缸内的气流运动加剧，强烈的气流运动有助于液体燃油喷雾油束的扩散与破碎，促进均质混合气形成[14]，从而减少局部缺氧区域并加速已生成碳烟的氧化；进气掺CO2会使Soot排放升高，并随掺混比增加而几乎线性升高，而H2O的掺混比对Soot影响较小，具体作用机理见2.3节分析。

2.3 不同进气组分对燃烧产物生成历程的影响

由2.2节可知，当进气体积掺混比为8%时，不同组分的燃烧过程与排放特性差别最为明显。因此，本节选取8%掺混比为研究比例，从微观角度研究不同进气组分对燃烧产物生成历程的影响机理。

图7和表3为掺混比为8%时，不同进气组分对缸内活性自由基(OH和O)生成与消耗历程和空间浓度分布(生成量峰值点对应时刻)影响的对比。表4为不同进气组分温度场的对比。

研究表明，OH和O自由基是缸内燃烧反应过程中氧化性较强的活性基，对整个燃烧化学反应动力学过程有重要作用，其中OH对Soot的氧化起主要作用[18]。由图7、表3和表4可知，相对于其他进气组分，进气掺O2时的OH和O活性基生成速率和生成量峰值因氧浓度增大而显著升高，二者生成区域都主要分布于活塞凹坑底部与挤流区等高温区域。相对CO2和H2O，进气掺H2会使OH和O自由基生成速率和生成量峰值升高(尤其OH增长明显)，二者主要分布于燃烧室的整个高温区域(OH在喷雾油束扩散区域的浓度较高)。这主要因为进气掺H2使缸内燃烧温度显著升高且高温区域扩大(H2燃烧速度快、扩散系数高、着火范围宽)，从而增加OH和O活性基生成的燃烧化学反应区域与促进化学反应过程的进行。进气掺CO2或H2O因明显降低缸内燃烧温度，生成OH和O活性基的化学反应过程变弱，从而导致二者生成始点时刻推迟且生成速率明显低于进气掺O2与H2。但相对CO2，进气掺H2O因缸内燃烧温度相对较高，且H2O在高温燃烧氛围下会分解产生OH[19]，从而使其OH生成速率和峰值相对升高。

表3 不同进气组分对缸内自由基 (OH，O)浓度分布的影响

表4 不同进气组分对温度场的影响

图8和表5为不同进气组分对缸内NO生成历程与空间浓度分布影响规律的对比。

NO质量浓度温度峰值点时刻CO2H2O2H2O17°CAATDC17°CAATDC15°CAATDC17°CAATDC平稳值时刻40°CAATDC40°CAATDC40°CAATDC40°CAATDC

根据Zeldovich机理[8]，NOx的生成主要在T>2200K和Φ(当量比)<2的高温区域，其中NO(NOx中主要成分)生成主要包括3个基本化学反应。

N2+O⟺NO+N

(1)

N+O2⟺NO+O

(2)

N+OH⟺NO+H

(3)

由图7、图8和表3～表5可知，相对于其他进气组分，进气掺O2因显著增加了缸内氧浓度、O和OH活性基而使NO生成速率加快，其排放值快速升高，燃烧开始后主要分布于O与OH浓度较高的活塞凹坑底部高温区域，但随着燃烧过程的发展，其分布区域扩散至整个燃烧室区域。相对CO2和H2O，进气掺H2因显著提高燃烧温度且O与OH浓度相对较高，导致其NO生成速率和排放终值随着掺混比的增加而快速升高。此外，随着燃烧历程的发展，进气掺H2时的NO呈现先升高后稍有降低，随后达到稳定值。其主要因为NO生成的基本化学反应(见式(1)、式(2)和式(3))均属于可逆化学反应[8]，进气掺H2时的缸内燃烧温度显著升高，燃烧前期缸内燃空当量比小，高温富氧区域增多导致NO大量生成。但随着燃烧历程的发展，缸内氧浓度伴随O2消耗反应急剧下降，在高温燃烧氛围下上述NO生成的基本化学反应过程可能向逆反应方向发展，从而导致NO呈现小幅度降低。进气掺CO2或H2O因明显降低燃烧温度，NO生成区域大幅减少，其排放终值显著下降。

图9为不同进气组分的碳烟前驱物乙炔(C2H2)和芘(A4)生成与消耗历程对比。

研究表明，碳烟成核过程是决定初期碳烟颗粒形成与颗粒数密度的重要影响因素[18]。乙炔(C2H2)是促进芳香烃(PAHs)生成与碳烟表面辅助生长的主要物质[18]。芘(A4)作为碳烟前驱物对碳烟生成历程影响较大，其生成量增加会促进碳烟成核过程[5]。因此，详细研究二者生成历程及其影响因素对深入认识Soot的生成机理有重要意义。由图7和图9可知，相对其他进气组分，进气掺O2因显著增加了缸内氧浓度、O和OH活性基，燃烧更为充分而使C2H2和A4生成量峰值减少。进气掺CO2和H2O，由于缸内O与OH活性基减少，C2H2和A4生成速率较大，排放峰值较高，同时后期消耗速率降低，二者消耗反应持续期延长，CO2更显著。相比其他组分，进气掺H2因反应放热速率加快，燃烧持续期缩短，缸内燃烧温度上升速率和峰值温度较高，导致C2H2和A4生成速率升高。但随着燃烧历程发展，进气掺H2在缸内较高燃烧温度和较高活性基(O、OH)浓度燃烧氛围的综合影响下(如图7和表4所示)，其C2H2和A4后期消耗速率相对其他进气组分加快，消耗反应持续期明显缩短。

图10和表6为不同进气组分Soot生成历程与缸内浓度分布规律对比。

由图9、图10和表6可知，相比其他进气组分，进气掺O2由于氧浓度增加，O和OH浓度增加，缸内高温过浓区域减少，C2H2和A4的生成量降低，其Soot生成区域减少(峰值时刻主要分布于喷雾油束扩散区域、活塞凹坑底部沿碰壁处和挤流区域)，生成量峰值降低且后期氧化反应明显增强，从而导致其Soot排放终值几乎接近零排放。进气掺CO2时，其Soot生成量峰值和排放终值相比其他进气组分明显升高。从图9中碳烟前驱物C2H2和A4的生成历程可知，掺CO2时虽然C2H2和A4生成峰值并非最高，但由于二者(尤其A4)的消耗反应持续期相对其他进气组分延长，导致在高温燃烧氛围中滞留时间长，利于促进Soot的生成；另外，从表4可知，进气掺CO2后缸内多数区域燃烧温度低于2 000K，在该低温环境中CO2的化学效应受到抑制，即CO2+C→2CO化学反应受限[4]，其也利于增加Soot生成。同时，进气掺CO2时的缸内OH自由基浓度和燃烧温度最低，Soot后期氧化变弱，从而使其排放终值最高。相比于H2O，进气掺H2时的缸内Soot生成量峰值及排放终值降低。这是因为进气掺H2时燃烧速率快，缸内高温区域扩大，O和OH浓度升高，C2H2和A4消耗反应持续期缩短，同时Soot后期氧化增强。

表6 不同进气组分对温度场的影响

图11为不同进气组分的C2H2，A4和Soot的峰值出现时刻对比。由图11可知，对于每种进气组分，C2H2，A4和Soot的生成量峰值出现时刻依次推迟。对于进气掺CO2，A4峰值出现时刻与Soot峰值出现时刻之间的间隔明显大于其他进气组分，其次是进气掺H2O。分析认为其原因是进气掺CO2时缸内压力和燃烧温度最低，前驱物A4向Soot转化的成核过程和C2H2辅助的Soot表面生长过程减缓。

3 结论

(1) 相比其他进气组分，进气掺O2时发动机燃烧始点提前，滞燃期缩短，放热率峰值降低，缸内活性基(OH和O)浓度增大，NO生成量增多，同时C2H2和A4生成量峰值、Soot生成量峰值和排放终值显著降低；

(2) 相比其他进气组分，进气掺H2时发动机燃烧放热速率加快，燃烧持续期缩短，缸内爆发压力、压力升高率和燃烧温度明显升高。同时，相对于CO2和H2O，进气掺H2时缸内OH和O活性基浓度升高，NO生成量增多，A4消耗反应速率升高，Soot排放降低；

(3) 相比O2和H2，进气掺CO2或H2O时发动机缸内压力和燃烧温度明显下降，OH和O活性基浓度降低，NO生成显著减少，其中CO2影响更显著。同时，进气掺CO2时A4消耗反应持续期相比其他进气掺混组分明显延长，Soot排放最高，而H2O的掺混比对Soot的影响较小。

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A Study on the Effects of Different Intake Gas Constituentson the Combustion Process of Diesel Engine

Chen Guisheng, Zhu Wenxia, Shen Yinggang, Yang Hui & Li Weidong

KunmingUniversityofScienceandTechnology,YunnanKeyLaboratoryofInternalCombustionEngine,Kunming650500

With the simplified mechanism of n-heptane/ toluene/n-hexene compound as the chemical reaction kinetics mechanism of diesel fuel combustion, a 3D CFD numerical model for a high-pressure common-rail diesel engine is built by applying CFD software coupled with chemical kinetics mechanism. Using the coupled model built, with the atmospheric environment (16.2% O2+83.8% N2in volume fraction) at 3000 meters above sea level as reference，the effects of different volumetric blending proportions (1.6%, 4.8% and 8%) of various intake gas constituents (O2, H2, CO2and gaseous H2O) on the combustion process of engine are comparatively simulated. The results show that with O2blended, the starting point of combustion advances, the proportion of premixed combustion and the peak heat-release-rate reduce, the concentration of active radicals (OH, O) in cylinder rise and NO emission significantly increases while soot emission decreases dramatically; With H2added, the heat release rate sharply increases, in-cylinder pressure and peak temperature rise, and NO emission slightly increases while soot emission deceases a bit; The blending of CO2leads to the latest ignition timing, the lowest in-cylinder pressure and peak temperature, the longest consumption reaction duration of A4and C2H2, the least NO generation and the highest soot emission; And when gaseous H2O is added, NO emission slightly reduces and soot emission has little change.

diesel engine; intake gas constituents; chemical reaction kinetics; combustion process; emission characteristics

*国家自然科学基金(51366007)、云南省应用基础研究面上项目(2013FB019)和云南省级人才培训项目(KKSY201302127)资助。

原稿收到日期为2014年9月17日，修改稿收到日期为2014年11月17日。