含水乙醇汽油直喷发动机燃烧与碳烟排放特性

石秀勇，段毅菲，康 杨，廖延苏，倪计民

含水乙醇汽油直喷发动机燃烧与碳烟排放特性

石秀勇，段毅菲，康 杨，廖延苏，倪计民

（同济大学汽车学院，上海 201804）

为了深入分析含水乙醇对汽油直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机性能的影响，利用CONVERGE软件，结合耦合含水乙醇汽油燃烧机理和碳烟模型，进行了三维模拟，从微观角度研究了GDI发动机结合废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技术燃用含水乙醇汽油时的燃烧及碳烟生成与排放特性。结果表明：含水乙醇掺混比的增大有助于加快火焰传播速度，进一步缩短燃烧持续期。碳烟前驱物（PAHs）控制碳烟的成核和生长，含水乙醇汽油的含氧特性及高活性的OH可以抑制碳烟生成，与E0（含水乙醇体积分数为0）相比，E20W（含水乙醇体积分数为20%）的碳烟前驱物苯、萘、菲、芘的质量峰值分别降低了60.0%、54.5%、73.3%、52.4%，碳烟质量峰值降低了63.6%，碳烟数量密度峰值下降了40.0%。EGR的引入使燃烧效率降低，PAHs和碳烟生成质量升高，碳烟数量密度降低，含水乙醇的添加能改善EGR环境中的燃烧效率，降低未燃HC和碳烟生成量。相比纯汽油，含水乙醇汽油结合EGR技术，弱化了EGR对燃烧和碳烟排放的负面影响。因此，EGR结合含水乙醇汽油能够改善发动机燃烧特性，降低发动机的碳烟等污染物排放，对提升GDI发动机性能和改善颗粒物排放有较好的作用。

汽油直喷发动机；燃烧；CFD；含水乙醇汽油；碳烟

0 引 言

近年来，汽车产量的快速增长加速了石油资源的消耗，大量有害尾气给气候和人类健康带来极大的威胁[1]，寻求低碳、清洁、可再生的替代燃料，实现能源多样化已是大势所趋。汽油直喷（Gasoline Direct Injection, GDI）发动机凭借高效清洁的优势得到广泛应用，但其较高的颗粒物排放问题尚未得到较好的解决[2]。乙醇作为发动机替代燃料具有辛烷值高、污染小、可再生能力强、安全无毒、与汽油互溶性好等优点，含水乙醇相比无水乙醇对空气中的水分敏感程度较低，与汽油混合稳定性较好[3]。

相关研究证实，含水乙醇汽油的含氧等特性对颗粒物的生成与排放有较好的控制作用[4]，Maricq等[5]在GDI发动机上研究发现，E20W（乙醇体积比为20%）汽油比纯汽油的颗粒物质量（Particle Mass, PM）排放降低20%，E32比纯汽油的颗粒物质量和数量（Particle Number, PN）排放均降低30%～45%；Iorio等[6]发现相比于纯汽油，乙醇的含氧特性能够改善混合气分布，提高燃烧效率，促进碳烟氧化，进而降低发动机的颗粒物排放；另外，含水乙醇对于改善缸内燃烧特性、提高燃烧效率、降低常规排放也有明显效果[7-10]。因此，开展针对GDI发动机燃用含水乙醇汽油的研究工作意义重大。有关乙醇燃烧的化学反应动力学机理方面的研究，Marinov等[11]提出的包含56种组分和372个基元反应的反应机理得到了学术界的一致认可；Metcalfe等[12]提出了一种结合C1-C2小分子烃类和含氧燃料的详细燃烧机理，对计算着火延迟期、燃烧速度和排放物质等至关重要。废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技术能有效降低泵气损失、减少燃油消耗和降低NOx排放[13-14]。GDI发动机引入EGR可以降低燃烧温度，废气的稀释作用可以减少混合气局部浓区，有利于抑制燃油裂解、脱氢反应生成的碳烟[15]，Liu[16-17]等的研究发现EGR废气中的CO2与H原子反应生成OH（CO2+H→CO+OH），该反应中H的消耗能够减少碳烟前驱物（PAHs）的生成，抑制颗粒物的形成和表面生长。颗粒物形成的最后环节是PAHs的物理凝固，因此研究燃烧过程中PAHs的生长路径对于预测颗粒物的体积分数及数量浓度等具有重要的理论意义[18]。然而李超等[19]却表示随EGR率的增加，GDI发动机的PM、SOF（可溶性有机物）和PAHs的排放量逐渐增加。因此，有关EGR对于碳烟和碳烟前驱物的作用尚未完全明确，需要更多的研究工作加以证实。

针对以上问题，相关研究[20-22]主要基于宏观角度，利用台架试验等相关研究手段对内燃机的缸压、放热率等燃烧特性和碳烟生成质量进行研究分析，而基于微观特性的燃烧机理层面的研究工作较为缺乏，而利用数值模拟的方式有助于从燃烧机理的微观角度展示发动机及燃烧过程中各微观物质的变化趋势。本文以此为切入点，通过三维CFD仿真手段，结合CONVERGE软件建立GDI发动机的燃烧模型，将含水乙醇汽油燃烧机理与碳烟生成模型结合，从微观角度对GDI发动机燃用含水乙醇汽油并结合EGR技术的燃烧特性和碳烟及碳烟前驱物生成特性进行深入分析。

1 模型建立与验证

1.1 模型搭建与参数设置

本文所模拟GDI发动机为直列四缸四冲程涡轮增压汽油机，其几何参数如表1所示[22]。模拟过程为−360～360 °CA（曲轴转角），持续发动机整个工作循环，其中0 °CA代表压缩上止点，−360 °CA为进气上止点。

表1 发动机主要技术参数

模型中汽油以异辛烷63%、正庚烷17%、甲苯20%的体积分数混合代表95#汽油[23]，再添加对应体积分数的水和乙醇，从而构成含水乙醇体积分数分别为0、10%、20%的3种含水乙醇汽油（即E0、E10W、E20W）混合燃料，考虑发动机的常用工况，针对EGR方面的研究选定0和10%两种不同的废气再循环比例（EGR率）。

基于车辆市区常用工况以及排放问题较为集中的考虑，模型计算工况选为转速=2 000 r/min和缸内平均有效压力IMEP=1 MPa，喷油时刻为−280 °CA，同时保持理论空燃比。模型的边界条件基于一维模拟研究结果给定[22]，其中进气道温度和排气道温度分别为450和550 K，初始条件由试验得到，缸内初始温度和缸内初始压力分别为450 K和0.2 MPa。

1.2 物理模型

选用RNG-湍流模型[24]描述GDI发动机缸内的高雷诺数、强变密度流场并考虑湍流旋涡。GDI发动机的喷雾形成过程会经历破碎、蒸发雾化、碰壁等过程，采用KH-RT模型[25]描述液滴破碎过程，通过液滴破碎长度判断喷雾破碎机理。蒸发模型选用Frossling Drop Evaporation模型[26]，该模型将多组分的燃油液滴按照组分和蒸发特性的不同分别进行蒸发。碰壁过程采用Wall Film模型[27]进行描述，该模型可以反映液滴碰壁后的附着、反弹、飞溅和脱离等现象。油滴之间碰撞选用NTC Numerical Scheme模型[28]进行描述。液滴飞溅过程采用Kuhnke film飞溅模型[29]表示，根据壁面温度和湿度的不同该模型能够判断油滴与壁面碰撞之后的运动状态。此外，针对点火过程的描述本文选用的是Energy Source模型[28]。

有关含水乙醇汽油燃烧化学反应动力学机理的选用是基于本团队以往的研究成果[23]，采用“半解耦”的机理构建方法，首先对乙醇详细机理进行简化，提出了含16种反应物，26个基元反应的乙醇骨架机理，然后将乙醇骨架机理与甲苯参比燃料（TRF）汽油替代物骨架机理耦合到普适的C0～C1机理上，提出了含64种物质、194个基元反应的乙醇汽油机理，再加入水的反应过程，形成了含水乙醇汽油反应机理，并进行了相应的试验验证。基于所选用的含水乙醇汽油反应机理，耦合以PAHs[30]为前驱物的碳烟模型，采用SAGE模型[31]进行求解计算，并得到了相关试验验证。

1.3 模型验证

模型验证部分主要针对燃烧模型和碳烟模型进行标定。燃烧模型通过台架试验结果进行标定，台架试验设备主要包括增压直喷发动机、开放式电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）、AVL220三相交流电力测功机、燃烧分析仪、AVL 740动态油耗仪、AVL DiCom 4000气体排放分析仪、DMS500颗粒物测试仪等，台架布置示意图如图1所示，发动机为一台直列四缸水冷涡轮增压直喷发动机，技术参数同表1。ECU控制系统通过INCA软件进行在线标定，台架的加载和转速控制采用三相交流电力测功机，同时采用具有连续测量能力的动态油耗仪进行油耗测量。排气管上安装K型镍铬-镍硅热电偶传感器和KISTLER压阻式压力传感器来测量排气温度与排气背压。气态排放采用气体分析仪检测碳氢化合物（THC）、CO、CO2以及NOx的浓度。颗粒物排放的测量采用颗粒物测试仪测量颗粒物质量（PM）和数量（PN）排放与粒径分布。

图1 台架布置示意图

台架试验工况与仿真工况相同，试验测量了GDI发动机燃用纯汽油（E0）、含水乙醇汽油（E10W、E20W）的缸内压力和温度，标定结果如图2所示。图中E0、E10W和E20W的缸压和温度的试验曲线与模拟曲线一致性较好，最大误差不超过15%，表明构建的模型能较好地模拟发动机的燃烧特性。

仿真过程中引用的以PAHs为前驱物的碳烟模型，相关文献[30]已通过台架试验进行了相关验证，验证结果如图3所示。图中显示了转速2 000 r/min、转矩120 N·m工况下GDI发动机排气中PAHs和碳烟浓度的计算结果与试验值对比。从图3a、3b、3c可以看出，排气门开启时（875 °CA）PAHs中的A2（萘）、A3（菲）和A4（芘）浓度急剧上升，随着排气门的持续开启，浓度趋于稳定，稳定后的PAHs计算值和试验获取的试验值重合较好。图3d与PAHs的变化趋势类似，排气中的碳烟排放随着排气门的持续开启趋于稳定，以PAHs为前驱物的碳烟模型预测的碳烟排放和试验值吻合较好，表明所选用的碳烟模型可以较好地反映燃烧过程中的碳烟生成特性。

注：E0、E10W和E20W分别表示含水乙醇体积分数为0、10%和20%的含水乙醇汽油，下同。

注：A1、A2、A3、A4分别为PAHs中的苯、萘、菲、芘。

基于以上标定结果，从本文研究目的出发，仿真分析不同体积分数的含水乙醇汽油燃料和不同EGR率对GDI发动机缸内燃烧过程及碳烟生成特性的影响，并探究各参数间的对应关系。

2 结果与分析

图4为CFD模型的坐标定义，左侧为进气门侧，右侧为排气门侧，空间分布的切片结果均参照此坐标方向进行定义。

图4 模型切片方向

2.1 含水乙醇汽油对燃烧过程的影响

以垂直气缸轴的对称面为切片，对比2 500 K的等温面的不同体积分数的含水乙醇汽油燃烧过程的火焰发展情况（图5）。从图中可以看出，在上止点前10 °CA时高温火核集中在火花塞附近，火焰还未展开；随着燃烧的进行，在上止点后10 °CA时，火焰迅速扩张，几乎充满整个燃烧室区域；在上止点后30 °CA，燃烧过程进入后期，E20W火焰传播速度快，等温面包围区域反映了缸内燃烧的核心高温区域，而E0燃烧速度略慢，等温面刚刚包围整个燃烧室，受壁面影响而破碎。

通过对比不同燃料的火焰发展情况可以看出，含水乙醇的添加加快了火焰传播速度，可进一步缩短燃烧持续期。

图5 不同体积分数的含水乙醇汽油火焰发展情况

不同比例的含水乙醇汽油燃烧过程（−10到10 °CA）中温度、OH浓度和碳烟质量分布情况如图6所示。通过观察可以发现，含水乙醇体积分数的提高扩大了缸内高温区域的面积，OH浓度分布与温度分布相近，温度越高OH浓度也越高，说明OH浓度与温度变化具有强相关性，是燃烧过程的关键基团。由碳烟质量分布结果可以推测碳烟主要产生于高温缺氧的混合气浓区，燃油的高温裂解及不完全燃烧。而含水乙醇汽油由于含氧有利于减少碳烟生成，同时高活性的OH等组分促进了碳烟氧化[31]，导致E20W的碳烟生成量最少。

图6 不同燃料在不同燃烧时刻缸内温度、OH浓度与碳烟质量的分布

2.2 含水乙醇汽油对碳烟生成过程的影响

图7为不同比例的含水乙醇汽油燃烧过程中PAHs和碳烟质量的变化。A1、A2、A3、A4的质量随曲轴转角的变化体现了缸内碳烟前驱物的发展过程。从图中可以看出，随着燃烧的进行，A1～A4的质量都是先增加至峰值又迅速下降至0，在此过程中，燃油发生裂解脱氢反应得到相关小分子，继而逐渐生成碳烟前驱物气相PAHs，进一步通过碰撞、凝结等反应形成碳烟颗粒。初始碳粒经过表面生长和团聚反应不断长大，碳烟生成质量不断上升，并在碳烟前驱物A1～A4质量降为零的时刻（上止点后20 °CA左右）达到峰值，到了燃烧后期，由于温度的下降和缸内氧化作用，部分碳烟被氧化分解，碳烟质量和数量密度有所下降，最终保持稳定。从数量角度来看，与E0相比，E20W碳烟前驱物中A1、A2、A3和A4的峰值质量分别下降了约60.0%、54.5%、73.3%和52.4%，E20W的碳烟质量和数量密度峰值分别下降了约63.6%和40.0%。

通过对PAHs和碳烟生成过程的分析可知，含水乙醇燃料较高的汽化潜热和混合气分布的均匀性使得燃油高温裂解和脱氢反应得到抑制，降低了PAHs的浓度和初级碳粒的生成，此外乙醇的含氧特性也有利于降低碳烟浓度，氧化作用的增强使得大分子碳氢化合物在碳烟颗粒表面的凝结生长作用得到削弱，抑制了碳烟颗粒的长大，因此含水乙醇汽油有利于改善GDI发动机碳烟颗粒排放特性。

图8为E20W燃烧过程中缸内碳烟和PAHs的质量分布变化过程。在上止点前10°CA时，初始生成的碳烟和PAHs主要集中在火核周围。A1~A4中的1环和2环PAHs含量较高，分布范围更大，但总体分布情况与碳烟质量分布较为接近。随着火焰进一步传播，缸内温度升高，碳烟和PAHs的分布区域主要集中在火焰前锋面与燃烧室边缘的位置。碳烟在靠近排气门侧的燃烧室区域质量分布更集中，因为此刻缸内温度和当量比的分布在靠近排气门侧区域更高，更有利于燃料裂解脱氢生成碳烟。到了燃烧后期，火焰已经传播到整个燃烧室内，缸内碳烟和PAHs质量明显降低，只有少量物质存在于缸内边缘低温区域，主要原因是此时大量燃料已被消耗，大范围内强活性的OH及E20W本身的含氧特性，增强了缸内的氧化作用。

通过以上对比分析，可以观察到碳烟生成过程的变化趋势与前驱物基本保持一致，PAHs会控制碳烟的成核与生长过程，缸内的OH等强氧化性基团对碳烟的氧化有重要影响，含水乙醇的添加会增强氧化作用，抑制碳烟的凝结生长，对于GDI发动机颗粒物的排放具有改善作用。

图7 不同比例的含水乙醇汽油对碳烟和PAHs生成的影响

图8 E20W在不同燃烧时刻（-10 °CA、10 °CA、20 °CA）缸内碳烟和PAHs组分分布

2.3 EGR对含水乙醇汽油燃烧过程的影响

图9为EGR结合含水乙醇对GDI发动机燃烧过程的影响，其中为了对比较大比例含水乙醇燃料掺混的效果，同时考虑发动机的常用工况，仿真中燃料选用E0和E20W，EGR率为0和10%。从图中可以看出，含水乙醇汽油的温度和OH浓度较高区域分布更广，EGR引入后燃烧温度和OH浓度会降低。分析原因可以发现，EGR的引入使得缸内温度降低，火焰传播速度降低，继而导致燃烧过程延长，未燃碳氢含量增加，同时混合气浓区处碳烟生成量增加。含水乙醇汽油相比纯汽油引入EGR时的燃烧情况有所改善，优化燃料在EGR氛围中的燃烧特性，比纯汽油引入EGR时的碳烟分布浓区明显减少。

注：E20W-EGR0%、E20W-EGR10%和E0-EGR10%分别代表含水乙醇体积分数为20%、EGR率为0，含水乙醇体积分数为10%、EGR率为10%和含水乙醇体积分数为0、EGR率为20%，下同。

2.4 EGR对含水乙醇汽油碳烟生成的影响

图10为EGR结合含水乙醇汽油对燃烧过程中碳烟及PAHs生成质量的影响。如图10a和图10b所示，在相同的EGR率下，含水乙醇汽油E20W比纯汽油E0生成的碳烟质量明显降低，碳烟数量密度峰值下降，而对于E20W燃料，引入10%的EGR会使碳烟生成质量有所增加而碳烟数量浓度有所降低，并且峰值时刻随燃烧过程的延长而延迟；从图10c、10d、10e、10f可以看出，在EGR率不变时，含水乙醇汽油E20W燃烧过程中A1~A4质量的峰值明显低于纯汽油E0，引入EGR后PAHs生成随燃烧过程的推后而延迟，并且A1～A4生成质量峰值增加。综合EGR和含水乙醇汽油对碳烟及PAHs生成的影响可以发现，引入EGR会降低燃烧效率并导致燃烧过程的延迟，而燃烧过程的推迟会进一步引起燃烧后期的燃油裂解脱氢反应增加，使得PAHs和小分子碳氢化合物浓度增加，碳烟生成质量较高，而燃烧推迟导致的后期碳烟表面生长和团聚作用的加强会降低碳烟数量密度峰值。在EGR氛围下燃烧含水乙醇汽油会改善纯汽油引入EGR技术带来的燃烧和碳烟生成的负面影响，含水乙醇的含氧特性会改善EGR环境中的燃烧效率，削弱EGR对燃烧的恶化作用，降低未燃HC浓度和碳烟生成量，相比纯汽油，含水乙醇汽油可以弱化EGR对燃烧和碳烟排放的负面影响。

图10 EGR结合含水乙醇汽油对碳烟和PAHs生成的影响

3 结 论

通过CONVERGE软件耦合含水乙醇汽油燃烧机理和碳烟生成模型进行GDI发动机的三维CFD分析，得到如下结论：

1）含水乙醇汽油燃烧过程中缸内温度、OH浓度较高的区域分布更广，火焰传播速度更快，导致燃烧效率更高。

2）GDI发动机燃烧过程中碳烟和前驱物生成量随含水乙醇比例的升高而减小，与E0相比，E20W的碳烟前驱物A1、A2、A3、A4质量峰值分别降低了60.0%、54.5%、73.3%、52.4%，碳烟质量和数量密度峰值分别降低了63.6%和40.0%。含水乙醇汽油的含氧特性有利于抑制碳烟及前驱物生成，高活性OH等组分可促进碳烟氧化，改善GDI发动机碳烟排放特性。

3）EGR废气的引入会降低缸内温度和燃烧速度，碳烟生成量有所上升，但EGR结合含水乙醇汽油相比EGR结合纯汽油能明显改善燃烧环境，有利于混合气的均匀分布和火焰传播，减少碳烟及其前驱物的分布浓区。

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Combustion and soot emission characteristics of hydrous ethanol gasoline direct injection engine

Shi Xiuyong, Duan Yifei, Kang Yang, Liao Yansu, Ni Jimin

(201804,)

In recent years, the gradual increase in automobile production has accelerated the consumption of petroleum resources, and a large amount of harmful exhaust gas has also brought great threats to the climate and human health. It is the general trend to seek low-carbon, clean and renewable alternative fuels and realize energy diversification. Gasoline direct injection (GDI) engines have been widely used due to the advantages of high efficiency and cleanliness, but the problem of higher particulate emissions has not yet been resolved. As an alternative fuel for engines, ethanol has the advantages of high- octane number, low pollution, strong renewability, safety and non-toxicity, and good compatibility with gasoline. Compared with absolute ethanol, hydrous ethanol is less sensitive to moisture in the air, and it is more stable when mixed with gasoline. Exhaust gas recirculation (EGR) technology can effectively reduce pumping losses, reduce fuel consumption, and reduce NOx emissions. The introduction of EGR in gasoline direct injection engines can lower the combustion temperature, and the dilution effect of exhaust gas can reduce the local concentration of the mixture, which is beneficial to inhibit the soot generated by the fuel cracking and dehydrogenation reactions. In this study, the three-dimensional simulation was carried out by using CONVERGE software coupled with the combustion mechanism of hydrous ethanol gasoline and the soot model, to explore the effects of the combination of hydrous ethanol and EGR on the combustion and soot generation characteristics of GDI engine. The results showed that the increase of the volume fraction of the hydrous ethanol accelerated the flame propagation speed, shortened the combustion duration. The soot precursors (PAHs) control the nucleation and growth of soot. The formation of soot can be inhibited by the oxygen-content characteristics of hydrous ethanol gasoline and the high activity OH. Compared with E0 (hydrous ethanol volume fraction is 0%), the peak mass of soot precursors of E20W (hydrous ethanol volume fraction is 20%) A1 (benzene), A2 (naphthalene), A3 (phenanthrene) and A4 (pyrene) were reduced by 60.0%, 54.5%, 73.3%, and 52.4%, respectively, the peak of soot mass was reduced by 63.6%, and the peak of soot quantity density was decreased by 40.0%. The introduction of EGR reduced the combustion efficiency, increased the mass of PAHs and soot generation, and reduced the soot quantity density. The addition of hydrous ethanol could improve the combustion efficiency in the EGR environment and reduce the amount of unburned HC and soot generation. Compared with pure gasoline, hydrous ethanol gasoline combined with EGR technology reduced the negative impact of EGR on combustion and soot emissions. It can be concluded that the combination of EGR and hydrous ethanol gasoline could improve combustion characteristics but decrease soot production, further enhance the performance while reduce particulate matter emissions of GDI engine.

gasoline direct injection (GDI) engine; combustion; CFD; hydrous ethanol gasoline; soot

石秀勇，段毅菲，康杨，等. 含水乙醇汽油直喷发动机燃烧与碳烟排放特性[J]. 农业工程学报，2020，36(17)：64-72.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.008 http://www.tcsae.org

Shi Xiuyong, Duan Yifei, Kang Yang, et al. Combustion and soot emission characteristics of hydrous ethanol gasoline direct injection engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 64-72. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.008 http://www.tcsae.org

2020-03-06

2020-08-08

上海市自然科学基金项目（16ZR1438500）；内燃机燃烧学国家重点实验室开放课题（K2016-04）

石秀勇，博士，副教授，研究方向为汽车发动机燃烧节能与排放控制。Email：shixy@tongji.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.008

TK417

A

1002-6819(2020)-17-0064-09