柴油在O2/CO2环境下的燃烧特性分析

刘永峰， 赵天朋

(北京建筑大学 机电与车辆工程学院 城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室， 北京 100044)



柴油在O2/CO2环境下的燃烧特性分析

刘永峰， 赵天朋

(北京建筑大学 机电与车辆工程学院 城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室， 北京 100044)

为了降低柴油机NOx和碳烟(soot)的排放，对基于O2/CO2环境的柴油机燃烧新模式进行了研究，运用KIVA-3V软件对柴油在定容燃烧弹内模拟发动机上止点的燃烧过程进行了数值仿真，对定容燃烧弹内柴油燃烧压力曲线进行了数值模拟分析，最后在定容燃烧弹上对正常空气环境下和O2/CO2浓度为50%/50%环境下的柴油燃烧过程进行了可视化研究. 仿真结果表明，柴油在O2/CO2环境下的着火延迟时间相比在正常空气环境下要有所缩短；随着喷油压力的增高，柴油的雾化混合效果变好，燃烧更加充分，使得容弹内柴油的最大燃烧压力升高. 定容燃烧弹可视化试验表明，柴油在O2/CO2环境下可以进行预混合自燃及扩散燃烧，同时得到的理想“瓢”型火焰图像表明柴油在O2/CO2环境下可以稳定燃烧.

O2/CO2环境； 数值仿真模拟； 着火延迟时间； 定容燃烧弹

柴油机以其良好的动力性和经济性，广泛应用于国民经济建设和国防领域，尤其是作为建筑机械和工程机械的动力源，具有不可替代的优势. 但是，常规柴油机由于柴油在燃烧室中与空气燃烧，不可避免地产生多种排放物，尤其是NOx和碳烟(soot)的排放对环境造成很大污染，这些都成为限制柴油机发展的重要因素.

柴油机内的高温、富氧是生成NOx的主要原因，而缺氧、燃烧不充分又造成了碳烟排放的增加[1]. 目前降低柴油机排放的技术主要有：均质充量压燃技术(HCCI)[2]、部分预混压缩点燃技术(PPCI)[3]、汽油均质混合气柴油引燃技术[4](HCII)和低温燃烧技术[5]等. 这些技术可以在一定程度上降低柴油机NOx和碳烟(soot)的排放，但不能杜绝NOx的生成. 而笔者所在的项目组提出了课题“进排气全封闭内燃机液氧固碳闭式循环系统”[6]，其循环系统用液态 O2汽化吸热来固化柴油机尾气中经冷却的一部分CO2成干冰，未固化的 CO2与汽化的 O2组成混合进气，使柴油在 O2/CO2协同作用下进行燃烧. 由于没有空气中的N2成分，NOx的生成量极低；柴油是在较高浓度的O2下进行燃烧，抑制了 PM、CO和 HC 的产生；用CO2抑制纯氧燃烧，推迟着火，造成最高燃烧压力、压升率以及最高燃烧温度下降以减少工作粗暴倾向. 该系统从燃烧的源头解决了NOx生成问题，同时富氧环境又使燃烧更加充分，从而实现了柴油机无NOx排放和超低碳烟排放.

基于以上原因，本文拟对柴油机在O2/CO2环境下的燃烧进行研究. 目前O2/CO2混合富氧燃烧技术又称空气分离烟气再循环技术，主要应用于锅炉的煤粉燃烧方面，该技术用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排烟构成的混合气体代替空气做矿物燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排烟中的CO2浓度，烟气经干燥脱水后CO2浓度可高达95%以上，无需分离就可以实现CO2捕集与封存[7]. 然而该技术在柴油机领域的应用非常少见. 左承基等[8]提出了基于 O2/CO2环境下的柴油机燃烧新模式，结果表明柴油机可以在O2/CO2环境下稳定工作. 本文运用KIVA-3V软件对柴油在定容燃烧弹内模拟发动机上止点的燃烧过程进行了数值仿真，对其燃烧压力曲线进行了分析，得到不同参数对柴油着火特性的影响. 对研究柴油在O2/CO2环境下的着火机理具有重要的参考价值. 最后在定容燃烧弹可视化试验台架对柴油在O2/CO2环境下的燃烧过程进行试验研究.

1 柴油在O2/CO2环境下燃烧的数值仿真模拟

1.1 试验用定容燃烧弹主要参数

图1的(a)和(b)分别给出了定容燃烧弹的模型图和实物图. 定容燃烧弹外形为一个圆柱形结构，高810 mm，直径530 mm，内部有效容积为15 L，保证了装置内壁对喷雾及着火过程基本不会产生干扰. 容弹设计的最大承受压力为6 MPa，最高温度为900 K，可以模拟柴油机一般工况下，压缩上止点时缸内的工作条件，实现燃油压燃必要的温度和压力. 上端盖安装高压油轨和单孔喷油器，可以实现灵活喷油. 下端盖布置进排气接口. 在喷油器的下方，设置4个视窗，分别安装有直径为120 mm的精密石英玻璃，视窗有效直径为100 mm，为测试提供必要的光学通道和足够的视野区域. 视窗下方，在容弹内部安装有电热丝加热装置，保证有足够的加热能力.

1.2 模型建立和模拟计算

运用KIVA-3V软件对定容燃烧弹内压力、温度场分布及整机动力性能进行数值模拟. 但 由于定容燃烧弹没有活塞和冲程的概念，而柴油机的计算一般以曲轴转角单位计时，定容燃烧弹则是以时间单位计时. 另外，定容燃烧弹是通过预先充入一定混合比的气体混合物并进行加热来模拟发动机上止点的环境条件，因此设定开始喷油时刻为0时刻. 整个计算过程包括了喷油时刻开始到燃烧结束为止的过程. 将相关参数输入iprep文件中，运行K3prep前处理器得到燃烧弹计算网格，其外观如图2所示. 所生成的定容燃烧弹网格共有网格数33 858个，其节点数为40 262个.

仿真计算定容燃烧弹的初始压力设定为3 MPa，温度为850 K，喷油脉宽为1.5 ms，单次喷油质量为0.01 g，喷雾锥角为10°，燃油喷射速度为10 000 cm/s，计算步长选为0.005 ms，总模拟时间为5 ms. 整个仿真计算的定容燃烧弹是封闭的，因此将边界类型设定为wall. 由于实验进气成分为O2/CO2，与正常空气进气不同，需要对进气成分进行设定，通过对itape5中mfraco2与mfracco2进行修改，其余物性种类均设为0，就可以模拟不同摩尔百分比的氧气与二氧化碳的混合气中燃烧着火过程. 喷油开始时对应时刻为0 ms，喷油结束时对应的时刻为2.0 ms. 正庚烷常温下化学性能比较稳定，在高温下易分解，自燃的滞燃期较短，是柴油的良好成分[9]，因此用正庚烷来代替柴油，以正庚烷的简化反应机理描述柴油的燃烧过程. 湍流模型为 RNGk-ε模型，该模型通过求解湍流动能k及其耗散率ε的微分输运方程而得出湍流输运系数. 雾化及液滴破碎模型为KH-RT 模型，该模型假定由液滴与气体间的速度差造成的K-H波的不稳定性增长控制油束第一次分裂雾化过程，这个模型能较好的模拟喷雾过程中初次雾化和二次雾化两个阶段，大大提高了喷雾模拟的精度[10]. 蒸发模型选择Dukowicz模型，这个模型设定传热和传质过程基本相同.

2 数值模拟结果分析

图3为正常进气环境以及O2/CO2环境下，定容燃烧弹内平均压力随时间变化的模拟结果. 图4为O2/CO2浓度为50%/50% 环境下，定容燃烧弹内平均压力在不同喷油压力条件下随时间变化的模拟结果.

缸内燃烧压力是发动机实验中最常使用的燃烧诊断依据，它反映了燃烧做功能力和品质，也可以从燃烧压力曲线中得到着火延迟期. 同样的定容燃烧弹内的燃烧压力曲线也具有这些作用. 燃烧压力曲线的的幅值和相位决定了最高爆发压力和压力升高率. 图3是正常进气环境以及O2/CO2环境下柴油燃烧压力曲线随喷油时间的变化图. 从整体上看，从开始喷油后容弹内燃烧压力曲线有所下降，这是由于燃油喷入后吸热使容弹内的温度下降，同时容弹内气体与弹体内壁面的对流换热也会造成温度下降，根据克拉伯龙方程PV=nRT可知容弹体积V不变，温度T减小则压力P也减小. 随后压力曲线下降到某一时刻后开始急剧增大，这是由于柴油着火放热导致温度急剧升高，从而导致压力急剧升高，该时刻即为柴油着火时刻. 随后压力曲线在某一时刻达到最大值，之后基本保持不变，呈现出s型的变化规律. 一般规定从喷油开始到容弹内压力陡然上升的时刻所经历的时间为着火延迟时间. 从图3可以看出正常进气(空气)工况下的着火延迟时间为0.68 ms，而O2/CO2工况下的着火延迟时间为0.45 ms. 比较发现柴油在O2/CO2工况下的着火延迟时间较小，这是因为O2能促进燃烧加剧，而CO2是惰性气体，在燃烧室内会大量地吸收热量，阻碍着火的发生及火焰传播，使着火点推迟，燃烧温度降低，缩短燃烧持续期[11].

如图4可知，在不同喷油压力的条件下容弹内压力曲线前期变化基本一致，但随着喷油压力的升高，容弹内的最大燃烧压力也随之增大. 从图4可以看出当喷油压力为120 MPa时，容弹内最高压力为5.5 MPa；当喷油压力为130 MPa时，容弹内最高压力为5.62 MPa；当喷油压力为140 MPa时，容弹内最高压力为5.69 MPa；当喷油压力为150 MPa时，容弹内最高压力为5.77 MPa，即随着喷油压力的升高，最大燃烧压力几乎呈线性增大的趋势. 造成这种现象的原因主要是喷油压力的升高导致总喷油量增大且喷油压力与总喷油量之间存在线性关系，其次是喷油压力的升高也会使喷油速率增快，从而使得柴油蒸发混合速度加快，化学反应速率加快，燃烧放热更加集中. 同时从图4还可以看出，随着喷油压力的升高，着火延迟时间略有减小的趋势.

3 试验

根据上述模拟计算结果，喷油压力不变定为120 MPa时选取O2为50% 、CO2为50%的方案在定容燃烧弹内对正常空气环境和O2/CO2环境下的燃烧过程进行可视化研究，分析在不同喷油时刻容弹内的火焰图像并与仿真的结果进行对比.

定容燃烧弹可视化试验台架主要包括：控制计算机、ECU单元、高速相机、背景条件控制柜、定容燃烧弹、高压共轨装置、氙灯等. 试验中使用的燃油供给系统为高压共轨喷射系统，通过一台变频电机驱动高压油泵提供高压燃油，喷油压力最高可达175 MPa. 喷油器的启喷压力为3 5MPa，安装单孔喷嘴，根据测试的需要，可以选择不同大小的喷孔直径，范围为0.1至0.3 mm，间隔0.02 mm. 另外，配合易控喷油控制单元，该燃油供给系统可以灵活地改变喷油压力，喷射脉宽，单次/多次喷射模式和喷射频率等多种喷射参数，满足不同测试工况条件的要求. 本试验的高速相机为TRI公司的Phantom V7.3. 拍摄速度最高为200 000 fps(frame per second)，使用时相机允许的最大拍摄速度与视野尺寸有关，即视野越大允许的拍摄速度越小. 针对本试验中的柴油着火过程设定图像大小为256×512，此时允许的最大拍摄速度均为20 000 fps. 相机配套的采集软件为Phantom，可以实时采集并存储测试对象图片. 试验时，高速相机的光圈和曝光时间分别设置为2.8和20 us. 定容燃烧弹可视化试验台架现场布置如图5所示.

4 实验结果及对比

4.1 相同喷油压力下正常空气环境和O2/CO2环境下喷油燃烧图像

图6为柴油在正常空气环境下和O2/CO2浓度为50%/50%环境下燃烧图像对比. 计喷油器开始喷油时刻为0时刻，依照时间顺序排列. 每张图像中喷雾轴线位于图像正中，喷嘴位于顶部，燃油向下喷出.

如图6，横向观察柴油在O2/CO2环境下的燃烧过程可以看出，着火初始时刻火焰亮度较低并且为淡蓝色，燃烧空间小且着火点离喷嘴比较近，表明燃油喷雾形成的不完全，淡蓝色火焰也反映了柴油的预混合自燃火焰的特性. 在着火初期阶段，火焰向四周扩散，亮度出现差异，出现高亮区域，表明火焰内部燃烧不均匀，高亮区域燃烧更充分，反映了柴油燃烧的扩散火焰特性. 整个主燃烧阶段，高亮区域主要集中在喷雾轴线中间部位，四周亮度呈现逐渐降低趋势，表明高亮区域喷雾与环境气体混合充分，混合气反应活性高并且其变化梯度小，由此区域向四周混合气反应活性的不均匀性逐渐增大. 在尾燃烧阶段，火焰亮度降低并向下收缩，喷雾轴线纵向亮度变化梯度增大，而横向亮度变化梯度减小.

如图6，纵向观察柴油在正常空气环境和O2/CO2环境下的燃烧过程可以看出，在0.4 ms时，O2/CO2浓度为50%/50%环境下容弹内第一次出现着火点，随着时间的进行，正常空气环境下容弹内在0.6 ms时出现了着火点. 由着火延迟时间定义为从开始喷油起到第一次出现着火点所经历的时间，则可以得到柴油在正常空气环境和O2/CO2浓度为50%/50%环境下的着火延迟时间分别为0.6 ms和0.4 ms. 经过对比发现，O2/CO2浓度为50%/50%环境下的着火延迟时间较正常空气环境而言缩短了约33%，这与前述仿真结果所得到的结论相同. 而由仿真得到的着火延迟时间(正常空气环境下为0.68 ms，O2/CO2浓度为50%/50%环境下为0.45 ms)比实验结果偏大，这是因为仿真模型计算中用正庚烷代替了柴油，正庚烷的低热值比柴油的低热值大，使得计算得到的热值较试验值大，从而使仿真得到的着火延迟时间较大.

4.2 试验与仿真火焰对比

图7是实验拍摄的燃烧火焰图片与仿真计算得到的火焰温度对比图，通过比较可以看出实际火焰的传播形态与相同时刻内仿真结果火焰的温度场分布形态基本一致. 实际火焰的形态基本为理想模型中的“瓢”型. 但是实际火焰宽度比模拟火焰宽度略小，这是由于在实际燃油喷射燃烧试验中，燃烧室环境因素如环境温度，环境密度等，以及燃油喷射参数如喷射压力等会发生一定范围内的波动，以及燃烧室内气流的扰动，以上因素皆对燃油的雾化以及后续可燃混合气的形成造成一定的影响，致使实际火焰与仿真火焰形态之间出现一定的偏差. 从图7可以看出，初始燃烧阶段燃烧缓慢、温度升高慢，主燃烧阶段紅内最高温度达到2 700 k较正常空气进气时高，但持续期较短且分布不均匀，可能是由于此时混合气中CO2浓度较高，对燃烧的抑制效果比较明显.

仿真的火焰由内向外依次可以分为：油束核心、稀火焰区、火焰区和稀熄火区[12]. 由仿真火焰温度图可以看出，初始着火点会出现在燃油的气相喷雾底端边缘附近，这与实验得到的火焰图像结果一致，主要是因为该区域燃油与气体接触较早混合的更加充分. 这个区域就是火焰区，其外部就是稀火焰区，燃油的燃烧过程主要就是发生在这两个区域. 在着火点出现后，燃烧过程由预混燃烧阶段向扩散燃烧阶段过度，火焰从着火点向燃油喷雾核心传播，点燃可燃混合气实现扩散燃烧，从仿真结果火焰图来看火焰中心的燃油喷雾核心区域面积逐渐减少，符合实际情况.

5 结论

1) 仿真结果表明，柴油在O2/CO2浓度为50%/50%环境下的燃烧压力曲线存在压力急剧升高的部分，证明柴油可以在此环境下可以着火. 同时从燃烧压力曲线得到的着火延迟时间进行对比可以看出柴油在O2/CO2浓度为50%/50%环境下的着火延迟时间比在正常空气环境下的要小.

2) 仿真结果表明，喷油压力越高，柴油雾化混合效果越好，燃烧越充分，放热更加集中，最大燃烧压力就越大. 提高喷油压力，将使着火延迟时间略有减少.

3) 定容燃烧弹可视化试验表明，柴油在O2/CO2浓度为50%/50%环境下的燃烧符合预混合自燃火焰的特性及扩散燃烧火焰特性. 从实验得到的火焰图像可以看到实际火焰的形态基本为理想模型中的“瓢”型，证明柴油在O2/CO2浓度为50%/50%环境下可以稳定燃烧.

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[责任编辑：牛志霖]

Analysis of Combustion Characteristics of Diesel Oil in O2/CO2Environment

Liu Yongfeng, Zhao Tianpeng

(School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering, Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee of Urban Rail Transit Vehicles,Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

In order to reduce the emission of NOxand soot of diesel engine, the new combustion mode of diesel engine based on O2/CO2environment is studied. Numerical simulation for the combustion process of diesel oil in the constant volume combustion bomb was carried out by using KIVA-3V software. And the diesel combustion pressure curve in constant volume combustion bomb is analyzed. Finally, the combustion process of diesel oil was studied in the constant volume combustion bomb and with the condition of 50%O2/50% CO2environment and air environment. The simulation results show that the ignition delay time of diesel oil in O2/CO2environment is shorter than that in air environment. Besides，with the increase of injection pressure, the mixing effect of diesel oil becomes better, and the combustion is more sufficient, so that the maximum combustion pressure of the diesel engine is increased. Constant volume combustion bomb visualization experiments show that the combustion of diesel in O2/CO2environment is premixed combustion and diffusion combustion, and the ideal “scoop” type flame images show that diesel in O2/CO2environment can burn stably.

O2/CO2environment; numerical simulation; ignition delay time; constant volume combustion bomb

1004-6011(2016)03-0121-06

2016-05-21

国家重点基础研究(973)发展计划(2012CB215500)；国家自然科学基金项目(21376138)；北京市自然科学基金重点项目(SQKZ201510016004)；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目——长城学者培养计划(CIT&TCD20140311)

刘永峰(1973—)，男，教授，博士，研究方向：城市移动源节能减排.

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