稀燃條件下摻燒乙醇重整氣對直噴汽油機燃燒及碳煙排放影響的仿真研究*

石秀勇 王浩宇 段毅菲 錢偉偉

（同濟大學，上海 201804）

主題詞：稀薄燃燒 乙醇重整氣 直噴發動機 燃燒 排放 三維仿真

1 前言

汽車行業的飛速發展所帶來的能源與環境問題不容忽視。同傳統進氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）汽油機相比，汽油缸內直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發動機可以很好地控制油氣混合、提高壓縮比、改善動力經濟性能并降低冷起動時的排放量[1]，現已得到大范圍推廣。同時，稀薄燃燒技術在保證發動機動力的前提下，可以有效提高發動機熱效率和改善有害物質排放[2]，近年來也受到了廣泛關注，但在稀薄燃燒過程中易導致發動機工作過程惡化，增加NOx排放量[3]。

為解決稀薄燃燒中的燃燒及排放問題，充分發揮稀薄燃燒的優勢，學者們進行了大量研究。紀常偉[4]認為含水乙醇作為一種可再生替代燃料，可在一定程度上改善發動機工作特性。乙醇重整氣作為乙醇熱催化重整產物，與汽油摻燒能實現均勻的混合氣分布，改善稀薄燃燒中存在的燃燒惡化問題。高以康[5]研究了燃用重整燃料時發動機的動力性能表現，發現通過合理設置點火提前角、空燃比和配氣相位可以使發動機扭矩明顯提高。戴曉旭[6]探究了乙醇重整氣對發動機工作性能的影響，發現重整氣有利于改善內燃機的動力性，減少燃燒循環變動，降低HC 排放量，但易引發較高的CO 和NOx排放量。Atsushi Shimada等[7]分析了不同壓縮比和空燃比下，重整氣對發動機熱效率和排放的影響，結果發現在壓縮比為15 時，隨著重整氣配比和空燃比的增加，發動機熱效率得以提升，綜合熱效率提高到43.8%，但是NOx排放量增加。

目前，有關乙醇重整氣對汽油機稀薄燃燒工作特性影響的研究尚不全面，石秀勇等[8]利用GT-Power進行了直噴汽油機一維仿真模型的計算分析，探究了在發動機轉速為2 000 r/min，平均有效指示壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）為1 MPa 的工況下，過量空氣系數由1 增加至1.3，乙醇重整氣摻混比由0 增加至30%時，直噴汽油機的燃燒特性、經濟性和排放性能表現。但僅通過試驗和一維仿真手段得到的結果無法從燃燒過程中本質機理的微觀角度解釋發動機的性能表現[9]。本文借助CONVERGE 三維仿真軟件完成直噴汽油機完整工作過程的模擬，從燃燒過程本質、關鍵基團分布等角度探索直噴汽油機摻燒乙醇重整氣后的工作特性。

2 模型建立

2.1 模型構建

本研究應用Unigraphics NX（UG）軟件繪制直噴發動機三維模型，主要技術參數如表1 所示，并對氣體噴嘴流道進行三維建模，如圖1a 所示。圖1b 所示為模擬所用直噴發動機的三維幾何模型經面網格劃分后的模型，該模型中火花塞中置，位于氣缸頂部中心位置，液體燃料噴射器側置，靠近進氣門側，氣體燃料噴射器靠近液體燃料噴射器，存在一定的位置偏差，活塞為常規淺坑式。

圖1 直噴發動機三維仿真模型

表1 發動機技術參數

2.2 物理模型的設置

根據已有研究[10-16]，計算各過程中所采用的物理模型如表2所示。

表2 物理模型設置

2.3 模型初始條件與邊界條件

在充分平衡計算精度和計算時長的前提下，設置模型的基礎體網格尺寸為4 mm，并在氣門倒角、噴油器和重整氣噴射口等重要工作區域進行3 級細化級別的加密，如圖2所示。仿真過程將模擬發動機從進氣、壓縮、燃燒到排氣的完整工作過程，活塞帶動連桿使曲軸從進氣上止點的-360°CA 順時針旋轉至排氣上止點的360°CA，其中0°CA處為壓縮上止點。

圖2 仿真過程中的網格加密

本研究工況設置為：發動機轉速為2 000 r/min，IMEP 為1 MPa，噴油提前角為-280°CA，重整氣噴射角為-100°CA，過量空氣系數λ為1.2，進排氣道的溫度分別為450 K和550 K，活塞頂和氣缸壁溫度分別為600 K和450 K，進氣道入口采用質量流量的邊界條件，排氣道出口采用壓力邊界條件。

仿真過程中的汽油以異辛烷（IC8H18）63%、正庚烷（C7H16）17%和甲苯（C7H8）20%的體積比混合替代，氣體燃料以氫氣（H2）12.5%和一氧化碳（CO）87.5%的質量比混合代表乙醇重整氣。重整氣摻混比的計算采用了以等能量的乙醇重整氣代替汽油的方法，計算公式如下：

式中：?(H2+CO) 為乙醇重整氣摻混比，Q(H2+CO)和Qg分別為由乙醇重整氣和汽油完全燃燒時所產生的熱量。

已有的一維仿真結果[9]表明，重整氣摻混比在20%時效果較好，過多的重整氣反而導致缸內燃燒惡化，因此，三維模擬部分分別采用0、10%和20% 3 種摻混比的混合燃料進行研究，分別記為RE0、RE10 和RE20。為了保證每次循環進入氣缸的總能量相同，參考相關仿真工作經驗，固定汽油和重整氣的噴射持續角，將噴射流量設置為變量，各摻混比下的燃料成分配比如表3所示。

表3 不同重整氣摻混比下的混合燃料成分配比

2.4 模型的標定

為保證所建立的三維模型的準確性，在給定轉 速2 000 r/min、IMEP=1 MPa、λ=1.2 的工況下對模型進行標定。臺架試驗工況與仿真工況相同，所用燃料為95號汽油和含水乙醇（水所占體積分數為5%），試驗開展之前，在25°C 的室溫環境下，分別以95 號汽油摻混0、10%和20%的含水乙醇，制備成試驗所需3 種不同比例的混合燃料E0、E10W和E20W。圖3和圖4為模型的標定結果，從圖中可以看出，燃燒過程中缸內壓力和溫度的試驗曲線與仿真曲線較為重合，最大誤差值為5%～7%，在工程可接受范圍內。圖3、圖4 表明所建立的三維模型能準確模擬直噴汽油機的工作過程，可利用此模型開展后續模擬計算工作。

圖3 溫度標定曲線

圖4 缸壓標定曲線

3 結果分析

3.1 乙醇重整氣摻混比對燃燒過程的影響

圖5a、圖5b、圖5c 分別對比了曲軸轉角從-10°CA到20°CA過程中不同混合燃料燃燒溫度、當量比和湍動能在燃燒室內的分布。從圖5a 中可以看出，乙醇重整氣摻混比例的提高擴大了缸內高溫區域的面積，表明重整氣的加入改善了燃燒環境，加快了火焰傳播速度，促進了燃料的充分燃燒和集中放熱。

圖5 不同燃料燃燒過程中的溫度、當量比和湍動能分布情況

從圖5b 中缸內當量比分布可以發現，火花塞點火后，燃燒室中心的混合氣快速燃燒，在-10°CA～10°CA范圍內，大量燃料被迅速消耗，導致了中間低四周高的濃度場分布。重整氣的引入加快了燃燒速度，燃燒室中心的燃料消耗速率加快，摻燒10%乙醇重整氣時的缸內濃度分布不均勻現象加劇，隨著重整氣含量的繼續增加，火焰被快速引入燃燒室四周，整體燃燒進程加快，導致摻燒20%重整氣時的混合氣濃度快速降低，并且分布較為均勻。隨著活塞的下行，曲軸轉角達到20°CA 時，缸內有效體積變大，混合氣運動受阻變小，同時火焰傳播至氣缸壁，缸內燃料被大量消耗，整體混合氣濃度降低并且分布均勻。對比溫度和湍動能云圖可以發現，二者隨活塞下移時的分布變化情況相似，其中高溫區域和高湍動能區域均聚集在燃燒室中心附近，表明火焰的傳播有利于加快湍流運動，湍動能增大，燃燒室內物質輸運加快，燃燒化學反應速率提高。而由于重整氣中H2和CO 本身較快的運動速率和熱擴散效率，汽油摻燒乙醇重整氣相比純汽油燃燒時的湍動能更大，高溫區域擴散更快，從而加快了火焰傳播速度。

3.2 不同燃料燃燒過程中小分子基團分布特性

汽油與重整氣混合燃料燃燒過程中的OH基、H基、HO2和H2O2是關鍵的中間產物，各自的產生和消耗路徑如圖6所示，構成了完整的燃燒過程[17]。OH基和H基作為促進燃燒反應的必要自由基，HO2和H2O2作為燃燒過程的中間產物，在缸內的分布和生成量可以體現燃燒的速度及質量。

圖6 重整氣最終產物生成過程

圖7a和圖7b分別為混合燃料燃燒過程中OH 基和H 基的質量濃度分布云圖，由圖中可以看出，其分布變化規律與溫度較為相似，溫度越高的位置OH基和H基濃度越高，表示OH基和H基濃度變化直接影響溫度變化。從圖8可以看出，摻燒20%重整氣時的H基生成質量的峰值為純汽油燃燒時的4 倍，OH 基生成質量的峰值為純汽油燃燒時的2 倍，且達到峰值的時刻更提前，表明重整氣的添加有利于促進燃燒室內的活化反應，大量的活化分子有助于加快燃燒反應的充分進行及燃燒進程的加快，縮短燃燒持續期。

圖7 不同燃料燃燒過程中的OH基和H基質量濃度分布情況

此外，重整氣燃燒過程中的溫度較高，進一步促進了OH基反應產物的產生，在上止點后20°CA 的燃燒高峰期，OH基分布遍布缸內，有助于改善燃燒環境，促進混合燃料的完全燃燒。

圖9a和圖9b為燃燒過程中燃燒室內的HO2和H2O2濃度分布，隨著燃燒進程的推進，二者分布變化規律呈現出不同的趨勢。在活塞運行至上止點之前，HO2和H2O2主要聚集在火花塞附近的高溫區，表明此時燃燒剛剛開始，混合氣中火花塞附近的H自由基和O2結合生成HO2和H2O2，并向四周逐漸擴散，直至遍布整個氣缸。從圖10中可以看出，引入重整氣后的混合燃料燃燒過程中的HO2和H2O2質量明顯增多，當重整氣摻混比達到20%時，HO2和H2O2的生成質量相比純汽油燃燒時增加了一倍左右，表明重整氣的加入使得燃燒室內混合氣的燃燒更充分，促使了燃燒中間產物的增多，使得缸內燃燒得以優化。

圖10 乙醇重整氣對燃燒過程中HO2和H2O2生成的影響

隨著燃燒進程繼續推進，在10°CA 曲軸轉角時，大量的HO2出現在火焰前鋒面，H2O2高濃度區也主要集中在燃燒室邊緣的低溫區域，核心高溫區的HO2和H2O2大量消耗，HO2和H2O2的濃度以中間低四周高的形態分布；在上止點后20°CA時，火焰布滿了整個燃燒室，核心高溫區的HO2消耗殆盡。摻燒乙醇重整氣后高溫區附近H2O2濃度有所增加，原因是HO2的消耗過程通過自身的分解反應產生了大量的H2O2，因此盡管高溫反應消耗了大量H2O2，但HO2通過反應彌補了這部分消耗，使得火花塞附近區域再次聚集了大量的H2O2，尤其在高重整氣摻混比時H2O2的濃度更為集中。HO2和H2O2作為燃燒過程中的中間產物，通過互相的消耗和補給促使O2、H 基和OH 基的產生，從而使得燃料充分高效地轉化為最終產物H2O和CO2。

3.3 乙醇重整氣摻混比對發動機排放特性的影響

本文采用了以多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）[17]為前驅物的碳煙模型預測直噴汽油機內的顆粒物生成過程，探究分析乙醇重整氣對稀薄燃燒直噴汽油機顆粒物生成過程的影響。

圖11和圖12分別展示了混合氣體燃燒過程中燃燒室內的碳煙分布與生成質量和生成數量在曲軸轉角0°CA～30°CA的變化?？梢园l現，引入重整氣后的缸內碳煙生成量明顯降低，其中摻混20%的乙醇重整氣后碳煙的生成質量峰值降幅高于90%，碳煙數量峰值的降幅達56.25%，表明乙醇重整氣的添加可以有效改善直噴汽油機的顆粒物生成?？紤]影響碳煙生成的主要因素：首先，缸內混合氣濃區會造成碳煙顆粒的大量生成，引入重整氣后，H2和CO較高的擴散效率使得缸內混合氣分布更均勻，減少了局部濃區的產生，從而阻礙了顆粒物的生成；其次，PAHs濃度會影響碳煙的生成，乙醇重整氣的添加降低了芳香烴濃度，優化了燃燒環境和燃燒速率，使未燃碳氫化合物和芳香烴的氧化效應增強，抑制了顆粒物的生長。

圖11 不同燃料燃燒過程中碳煙生成質量分布

圖12 乙醇重整氣對碳煙生成質量和數量的影響

4 結束語

本文利用CONVERGE三維仿真軟件探究了直噴汽油機摻燒不同比例乙醇重整氣時，混合氣燃燒過程中的溫度、當量比和關鍵小分子物質的分布變化情況，以及不同比例的重整氣對碳煙顆粒物生成過程的影響，主要研究結論如下：

a.在發動機轉速為2 000 r/min、IMEP為1 MPa的工況下，引入重整氣后的混合燃料在燃燒過程中溫度更高，高溫區域分布更廣，燃燒中后期當量比分布更均勻，表明摻燒乙醇重整氣可以加快火焰傳播速度，縮短燃燒持續期，提高燃燒效率；

b.乙醇重整氣的添加導致更多H基、OH基的生成，且HO2和H2O2分布范圍更廣、濃度更高，在燃燒室內呈現分層分布，說明重整氣的加入有效改善了缸內燃燒環境，促進了燃燒的良好進行；

c.引入20%的乙醇重整氣相比純汽油燃燒時的碳煙生成質量峰值降低90%，碳煙生成數量降低56.25%，重整氣的引入有助于改善直噴汽油機碳煙排放。