中等负荷工况下汽/柴油双燃料发动机排放特性的模拟研究

谢春华，马帅营（.湖北水利水电职业技术学院，武汉430070；.河南科技大学，洛阳47000）

中等负荷工况下汽/柴油双燃料发动机排放特性的模拟研究

谢春华1，马帅营2
（1.湖北水利水电职业技术学院，武汉430070；2.河南科技大学，洛阳471000）

针对汽油/柴油混合燃料发动机在均质压然（HCCI）模式，利用缸径100mm单缸柴油机，控制喷油量在每循环19mg，转速在2 000 r/m in时，通过改变喷油提前角、汽油/柴油掺烧比例、喷油持续角、进气压力等参数，进行发动机排放模拟研究。结果表明，汽油/柴油混合燃料中，选择G50燃料，控制喷油提前角为-40℃A，喷油持续角为14℃A，进气压力为200 kPa时，在不增加Soot的同时能大幅降低CO和NO。

中等负荷汽油/柴油混合燃料排放特性模拟

1 前言

随着世界能源形势的日益紧张，环境污染的进一步加剧，内燃机行业采用了多种替代燃料方案，提出了许多新型的燃烧方式，以满足日益严格的油耗、排放法规要求。大多的新型燃烧方式都强调了不同负荷适宜不同的燃料特性，汽/柴油双燃料模式是目前众多研究中的热点，其目的是通过汽/柴油比例的调节改变燃料特性以适应不同工况的需求。而汽/柴油双燃料模式又分两种模式，一种是进气道喷射汽油、缸内直喷柴油的方式，如美国威斯康星大学的Reitz教授提出的RCCI（Reactivity Charge Compression Ignition）燃烧模式[1]、天津大学的尧命发教授提出的HPCC（Highly Premixed Charge Combustion）燃烧模式[2]，这种模式的特点是能通过喷油控制燃烧相位，在获得较低的NOx、CO、HC的同时保持较高的热效率，但燃油喷射与燃烧过程完全分离使混合气预混合程度带来巨大的缸内波动，传热损失增加并油耗上升[3]；另一种是汽/柴油混合之后直喷入气缸压燃，如英国伯明翰大学的Xu等研究了汽油/柴油混合燃料的HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）模式[4]，英国剑桥大学Weall等研究了汽油/柴油混合燃料的PPCI（Premixed Charge Compression Ignition）模式[5]，这种模式的特点是在较低的EGR水平下实现了NOx和碳烟同时大幅降低，在不改变发动机的结构和控制方式上实现了降低排放的目的，成为了双燃料发动机的新的研究热点之一。

本文建立了发动机的三维网格，以汽油/柴油混合燃料为对象，修改了KIVA-3V软件汽/柴油混合燃料库，并以HCCI燃烧模式，通过选择不同喷油提前角、汽/柴油掺烧比例、喷油持续角和进气压力，针对发动机中等负荷工况进行模拟分析，探索中等负荷工况下汽/柴油双燃料发动机的排放特性，为深入研究汽/柴油双燃料发动机奠定基础。

2 发动机的主要参数与网格的建立

基于一台中型单缸柴油机建立仿真模型，具体参数见表1，利用ICEM CFD网格软件建立了燃烧室三维网格28 919个，如图1所示。

表1 发动机主要参数

图1 燃烧室三维网格图

3 汽柴油混合燃料等效计算与KIVA模型选择

3.1 汽柴油混合燃料物性参数的等效计算

KIVA-3V燃料库中包含有汽油和柴油燃料的分子量、分子生成热、临界温度、临界密度、焓值、液体汽化潜热、液体蒸发压力、液体粘度、表面张力、导热率、扩散系数、临界温度等的物性参数。其中，混合燃料的分子量、分子生成热、临界温度、临界密度、焓值、液体汽化潜热、液体蒸发压力、扩散系数可以用简单的Kay摩尔分数法进行混合计算[6]，这里不再赘述。

液体粘度的计算采用V.M.Lobe等人发现的关联式并进行双元混合物简化为[7]：

式中，下标A、B为两种组分物质类型，ν为运动粘度μ/ρ，为体积分数，α为特性粘度参数，J/mol，R为气体常数，8.314 J/(K·mol)，T为绝对温度，K。

其中，χ为摩尔分数，σ为表明张力，A为偏摩尔表面积，cm2/gmol。

导热率采用童景山公式（95型法）进行计算[8]

临界温度的计算采用C.C.Li计算法关联式[9]

3.2 汽柴油混合燃料化学反应参数的等效计算

KIVA-3V中需要根据混合燃料燃油中碳氢比，修正燃料和氧气燃烧的系数stoifuel、stoio2。这里根据混合燃料的质量分数换算成摩尔分数计算出等效的燃料碳氢比，得到数据如表2所示。

表2 燃料碳氢比

3.3 KIVA模型的选择

KIV-3V对流体运动描述遵循了质量守恒、动量守恒、能量守恒、理想状态方程、化学守恒方程，建模方法采用了有限容积法，对N-S方程进行了简化并引入了RNG k-ε模型[10]，使用了DDM喷雾模型[11]、油滴破粹WAVE模型[12]、Walljet碰壁模型[13]、Dukcowicz蒸发模型[14]、NOx生成的扩展Zeldovich模型[15]、Soot生成的NSC模型[16]对发动机工作过程进行仿真计算。

图2 喷油提前角对CO排放的比较

4 双燃料发动机排放特性的影响分析

4.1 喷油提前角对发动机排放的影响分析

将柴油、汽油预先混合,混合燃油按照汽油质量所占总质量的比例分别选取柴油、G20、G50在喷油时刻为-10℃A、-20℃A、-30℃A和-40℃A，模拟中等负荷工况下每循环喷油量为19mg，转速为2 000 r/min，喷油持续角为14℃A，进气压力为200 kPa进行排放仿真分析。

图2中，CO在-10℃A时明显整体偏高，且柴油比G20、G50都低，这时喷油滞后，燃油来不及混合，且G20、G50的汽油含量高，局部燃烧过快造成的。随着喷油提前角的提前，在-20℃A时，CO明显降低了，这时缸内温度升高，有利于燃料的混合蒸发。但是，在-30℃A时，由于缸内的温度进一步升高，燃料的混合逐渐均匀，G20和G50的局部燃烧速度进一步加快，CO再次增大，但柴油由于燃烧速度变化不大，CO没有增加。在-40℃A时，滞燃期再次延长，混合气也更加均匀，且缸内温度也再次增加，CO明显减少，且G50和柴油的排放量相当，而G20排放量更低，到-50℃A时，柴油的排放量进一步降低，而G20和G50的排放量接近于零。

图3喷油提前角对NO排放的影响

图3 中，当提前角为-10℃A时NO较大，但到-20℃A时整体开始减少，这是由于喷油提前，滞燃期长造成的。但当提前角为-30℃A时，缸内温度也升高，G20和G50的蒸发效果变好，混合燃料的燃烧速度加快，多点同时自然造成了局部高温，相比于-20℃A时G20和G50的排放量再次升高，而柴油的排放量基本没有变化，柴油、G20和G50的排放差异更加明显。在-40℃A时，滞燃期更长，缸内混合气开始变稀薄，局部高温消失，排放量大幅度下降，且G20和G50因为混合汽油的原因蒸发更加均匀，排放量更小，到-50℃A时基本没有，但柴油的排放量相比-40℃A只是略有降低，说明柴油的蒸发性能比汽柴油混合燃料相差更大。

图4中，在-10℃A时Soot偏高，而在-20℃A时由于温度升高，Soot排放大幅度下降，此时由于滞燃期短，柴油、G20和G50差异不明显。随着喷油提前角提前，到-30℃A、-40℃A和-50℃A时，排放量再次升高，因为燃料混合更均匀，局部高温点减少，Soot被氧化的数量降低。同时，柴油、G20和G50的排放差异更加明显，G20逐渐超过了G50的排放量，而柴油的排放量最低，这是因为汽柴油混合燃料含有汽油，易蒸发进入气缸内的余隙产生猝熄生成Soot大，G20比G50汽油含量低，混合气存在较浓区，所以G20又比G50高。

图4 喷油提前角对Soot排放的比较

4.2 汽油比例对发动机排放的影响分析

在喷油提前角为-40℃A时，喷油持续角14℃A，喷油量为每循环19mg，进气压力为200 kPa不变，选择G50、G70、G80三种燃料进行排放比较。图5中，随着汽油比例的增大，G70、G80相比G50的CO和NO明显急剧上升，且汽油比例越大，NO排放量越大。而G70、G80的Soot比G50有一定下降，但G70、G80之间的Soot排放差异不明显。因此，选择G50燃料，控制CO、NO、Soot排放较理想。

4.3 喷油持续角对发动机排放的影响分析

图6中，按照柴油先缓后急的规律，使用G50，喷油量为每循环19 mg，喷油提前角在-40℃A时，进气压力200 kPa，喷油持续角分别为6℃A、12℃A、14℃A、17℃A和29℃A共5种喷油规律。

图7中，随着喷油规律的变化，喷油持续角延长，CO逐渐上升，这是因为燃烧初期，氧含量充足，随着喷油时间的延长，废气增多，氧含量降低而造成CO增加。而NO呈先增后减的趋势。喷油持续角短，燃油混合均匀，局部高温点少，NO少。随着喷油持续角变长，后喷入气缸的燃油滞燃期变短，局部高温点增多，NO增多。而喷油持续角过长，后期喷入气缸内的燃料比例上升，而这时氧含量减少，废气增多而降低了NO。而喷油质量不变，随着喷油压力降低，燃料碰壁的机率小，Soot也降低了。喷油持续角从6℃A至14℃A时，Soot降幅大，而14℃A至29℃A时，降幅明显减小。因此，喷油持续角在14℃A时，整体相对较优。

4.4 进气压力对发动机排放的影响分析

在喷油提前角为-40℃A时，每循环喷油量19 mg保持不变，选择G50燃料的情况下，进气压力分别为150 kPa、250 kPa、300 kPa与原进气压力200 kPa的排放进行比较。计算结果如图8所示。

从图中可以看出，trade-off现象非常明显，进气压力为150 kPa时，CO、NO有明显的升高，而Soot有明显下降，随着进气压力进一步上升，CO，NO开始下降，但Soot又升高。这是因为压力增大，气流的运动阻力增大，燃油混合气的混合效果变差，因此，进气压力在200 kPa时整体排放控制效果较好。

图5 汽油比例对排放的比较

图6 喷油规律

5 结论

通过建立发动机的三维网格模型，利用KIVA-3V软件对汽柴油混合燃料的物性参数和化学反应参数进行计算、修改软件的燃料库并进行模拟，能得到如下结论。

（1）当每循环喷油量为19mg，喷油持续角为14℃A，进气压力为200 kPa时，随喷油提前角增大，发动机CO和NO大幅降低，Soot明显上升。

（2）当每循环喷油量为19mg，喷油提前角在-40℃A，喷油持续角14℃A时，使用G50、G70、G80燃料，随着汽油比例的增大，CO和NO增大，Soot减少。计算结果表明，使用G50燃料较为理想。

（3）当每循环喷油量为19mg，进气压力为200 kPa，喷油提前角在-40℃A时，使用G50燃料喷油持续角在6℃A至29℃A区间时，随着喷油持续角的延长，CO上升，NO呈先增后减的趋势，Soot呈下降趋势。最优的喷油持续角在14℃A。

图7 喷油持续角对排放的影响

图8 进气压力对排放的比较

（4）当每循环喷油量为19mg，喷油提前角在-40℃A，喷油持续角为14℃A时，G50燃料随进气压力的增大，CO和NO明显减小，而Soot则略有增加，最优的进气压力应控制在200 kPa。这样，在不增加Soot的同时能大幅降低CO和NO。

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Simulation Research on Emissions Characteristics of a Gasoline/Diesel Dual FuelEngineatMiddle Load

Xie Chunhua1,Ma Shuaiying2
（1.HubeiWaterResource TechnicalCollege,Wuhan 430070,China; 2.Henan Universityof Scienceand Technology,Luoyang47100,China)

Base on homogeneous charge compression ignition(HCCI)mode,this paper carries out numberical simulation of the effect of single cylinder diesel engine(cylinder diameter:100 mm,fuel injection quantity:19 mg/cycle,rotation speed:2 000 r/min)on various injection time,various gasoline/diesel ratio,various injection duration and various inlet pressure.The results show that injection time at-40℃A,fuel injection duration at14℃A and inlet pressure at 200 kPa,the G50 fuel engine can greatly reduce theCO and NO,withoutincreasing the Soot.

m iddle load,gasoline/dieselblended fuel,em ission characteristics,simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.001

来稿日期：2017-02-23基金项目：湖北水利水电职业技术学院重点科研项目（2015KJFW 06）

谢春华（1978-），男，硕士，讲师，主要研究方向为汽车发动机控制技术。