特定物性参数车用催化器排放特性模拟仿真*

张文 焦鹏昊

（天津电子信息职业技术学院）

国Ⅵ排放法规已在全国范围内逐步推进实施。国Ⅵ排放法规对所有点燃式和压燃式汽车各种污染物的排放限值都提出了更高要求。因此柴油车和汽油车都面临着更加严格的污染物控制压力。大量研究表明，壁流式颗粒捕集器目前是车用催化器中减少重点监测排放物的有效手段之一，因此对采用壁流式滤芯的车用催化器的研究是目前相关工作的重点。文章分别通过对比M0、M10（即醇类的体积掺混比为0%、10%的燃料，下同）的CO 和NOx的模拟数据和试验数据，对建立的新型车用醇基汽油合成燃料的化学反应动力学模型和反应机理进行验证，利用经过验证的机理和模型，设置相应边界条件和初始条件，对纯汽油M0、新型车用醇基汽油合成燃料 M30 和 M50 的 THC，CO，NOx的排放进行了数值模拟，并对模拟数据进行分析。

1 反应动力学机理的选用与验证

根据车用醇基汽油合成燃料的成分组成，其化学反应动力学机理由甲醇氧化机理[1-2]和异辛烷氧化机理[3-4]混合而成，包括33 种组分，59 个反应。主要反应途径，如图1所示。

图1 车用醇基汽油合成燃料的反应途径

为验证此简化机理的合理性与正确性，利用化学反应动力学软件CHEMKIN 中的Closed Internal Combustion Engine Simulator 模块，研究分别采用M0 与M10 燃料时CO 和NOx排放模拟值与试验值[5-6]的对比。车用催化剂物性参数孔密度为400 cpsi，进口气体质量流量为20 g/s，模型参数条件设置如下：缸径为73 mm，行程为 89.4 mm，压缩比为 10.2，转速为2 000 r/min，负荷为 0.3 MPa。

图2示出随着空燃比的变化，CO 排放试验值与模拟值的对比示意图。由图2可知，试验值中M0 与M10 2 种燃料燃烧下的CO 模拟排放值比试验排放值略低，最大相对误差在4.8%左右，变化趋势吻合较好。

图2 CO 排放的模拟与试验数据随空燃比的变化关系

图3示出NOx排放试验值与模拟值随空燃比变化的对比。由图3可知，M0 与M10 2 种燃料燃烧下的NOx模拟排放值与试验排放值的最大相对误差均在5%左右，变化趋势吻合较好。

图3 NOx 排放的模拟与试验数据随空燃比的变化关系

综合对比2 种掺混比（M0 和M10）下CO 和NOx排放的模拟值与试验值的变化情况，可见模拟计算选用的新型车用醇基汽油合成燃料燃烧机理与计算模型均能较为真实准确地描述燃烧排放物的变化情况，可以用来进行进一步的排放物模拟计算和分析。

2 燃烧排放物的模拟研究

采用选中的机理和模型，设置相应的边界条件：进气压力为0.1 MPa，进气温度为30 ℃，排气压力为0.1 MPa；初始条件：排气门开时缸内压力为0.5 MPa、缸内温度为750 ℃。分析M0，M30，M50 的排放性能情况并加以对比。

图4示出在空燃比为14.7、负荷为0.3 MPa 时，THC 随转速的变化趋势。从图4可以看出，3 种燃料的THC 排放值随转速的增大而逐渐降低，在转速达到2 400 r/min 后基本保持不变，也就是说转速在达到2 400 r/min 以后，THC 的排放基本不受转速增大的影响。从模拟结果还可以看出，随着醇基燃料掺混比例的增大，THC 排放值下降。在使用掺混比为50%的醇基燃料时，仅从THC 来说，已经比纯汽油M0 降低了将近50%，因此可以说随着掺混比的增加，相同工况下的THC 排放值逐渐降低，不仅如此，THC 排放值随着转速的增大而下降的趋势也随着醇基燃料比例的提高而变得缓慢。

图4 3 种燃料燃烧排放的THC 随转速的变化关系

图5示出转速为2 000 r/min，空燃比为14.7 时，THC 排放随负荷的变化趋势。从图5可以看出，随着负荷的增大，THC 排放值大幅度急剧降低，且随着新型车用醇基汽油合成燃料中醇基燃料掺混比的增加，THC排放值随负荷增大而下降的斜率逐渐变缓，M50 的THC 排放曲线斜率降低至M0 斜率的40%左右，全负荷时M50 燃料的THC 排放值已经降至M0 的1/4 左右，其THC 排放降低的效果十分明显。

图5 3 种燃料燃烧排放的THC 随负荷的变化关系

图6示出空燃比为14.7，负荷为0.3 MPa 时，CO随转速的变化趋势。从图6可以看出：CO 的排放量在1 600～2 000 r/min 的转速区间缓慢降低，在2 000 r/min以后则迅速下降，高转速时CO 降低效果更加明显；转速达到3 200 r/min 时，M50 的CO 排放值已经仅为M0燃料的1/3，为M30 的1/2，CO 排放降低十分明显。

图6 3 种燃料燃烧排放的CO 随转速的变化关系

图7示出转速为2 000 r/min，空燃比为14.7 时，CO 随负荷变化的趋势。由图7可见：在转速固定而增大负荷的情况下，M0 的CO 排放值随负荷的增大而略有降低，但随着醇基燃料掺混比例的增大，这一降低趋势变得越加不明显；同时，同一负荷下，随着掺混比例的增大，CO 排放降低明显，如负荷为0.5 MPa 时，随着掺混比例的增大，CO 排放值由M0 的36 800×10-6下降为 M30 的 29 000×10-6和 M50 的 21 000×10-6，可见，同负荷条件下随着掺混比例的增大，CO 排放下降明显。

图7 3 种燃料燃烧排放的CO 随负荷的变化关系

图8和图9分别示出空燃比为14.7，负荷为0.3 MPa时，NOx排放值随转速的变化趋势以及转速为2000r/min、空燃比为14.7 时，NOx排放值随负荷的变化趋势。

图8 3 种燃料燃烧排放的NOx 随转速的变化关系

图9 3 种燃料燃烧排放的NOx 随负荷的变化关系

从图8可以看出，M50 的NOx排放值要远远大于M0 以及 M30 的 NOx排放值，如转速在 3 200 r/min 时，随着掺混比例的增大，NOx排放值由M0 的500×10-6增加到 M30 的550×10-6和 M50 的680×10-6；从图9可以看出，负荷为0.7 MPa 时，随着掺混比例的增大，NOx排放值由 M0 的 950×10-6猛增为 M30 的 1 450×10-6和 M50 的 3 150×10-6。这是因为 NO 是发动机排放物NOx中的主要成分，发动机缸内混合气中的N2是其主要生成来源，高温、富氧和持续高温的时间是影响其生成的3 个主要因素。随着温度的增加，NO 的产生呈现出指数函数型的急剧增加，而NO 的产生量也随着混合气中氧的体积分数的提高而增加，并且随着高温持续时间的延长，NO 反应生成有了充足的时间，NOx的生成增加。醇基燃料为含氧燃料，而汽油中基本上不含氧，醇基燃料氧的体积分数大的因素促进NOx生成。从图9中分析可知，低负荷时，由于醇基燃料的汽化潜热比汽油大很多，在喷射雾化和在气缸内蒸发雾化时，新型车用醇基汽油合成燃料吸收大量的汽化潜热，缸内温度幅度降低较大，而且由于氧含量的存在，使得醇基燃料具有较快的火焰传播速度，加快了混合燃料的燃烧速度，减少了燃料燃烧期间发动机缸内的高温持续时间，所以在低负荷时，虽然新型车用醇基汽油合成燃料中氧的体积分数高，但是与纯汽油相比相差不多；当转速和负荷分别提高后，气缸内温度较高，燃料的富氧使得NOx迅速增加。

3 结论

文章以特定物性参数的车用催化器为研究对象，以 92#纯汽油（M0）为基准，对 M0，M10，M30，M50 燃料的原机常规排放物进行了模拟研究，分析了4 种燃料的原机常规排放物随空燃比、转速、负荷变化的关系，通过模拟计算得出：

1）选用的化学反应动力学机理和计算模型能够较为真实准确地反映燃烧排放的变化情况，可以用于文章的排放物模拟计算。

2）随着转速的增加，M0，M30，M50 的 THC 排放值逐渐降低，当转速大于2 400 r/min 后，THC 排放值基本保持不变；随着负荷的增大，M0，M30，M50 的 THC 排放值大幅降低。M0，M30，M50 的 CO 排放值在转速从1 600 r/min 增加到2 000 r/min 的过程中缓慢降低，当转速大于2 000 r/min 后，THC 排放降低幅度明显；当转速不变时，随着负荷的增加，M0，M30，M50 的 CO 排放值略有降低，但变化不明显；随醇基燃料掺混比的增加，CO 排放值降低明显。M0，M30，M50 的 NOx排放值随转速和负荷的增加均有所升高，并且随着醇基燃料掺混比例的增加，M0，M30，M50 的 NOx排放值均呈上升趋势。以上研究为今后对醇基燃料进一步深入的研究奠定了一定的理论基础，有利于改善燃料的排放性能。