基于CHEMKIN的E10乙醇汽油的燃燒模擬研究

張忠強(qiáng)，強(qiáng)添綱

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

隨著汽車保有量的持續(xù)增長，石油等能源的短缺以及持續(xù)惡化的環(huán)境問題越來越受到各國重視［1］。同時(shí)各國相繼實(shí)行嚴(yán)格的排放法規(guī)，這給汽車代用燃料的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，乙醇汽油就得到國家的支持并迅速發(fā)展。目前在黑龍江等地均已推廣使用乙醇汽油。

汽油等燃料的實(shí)際燃燒過程是由許多同時(shí)進(jìn)行的復(fù)雜的物理化學(xué)過程所組成，對(duì)其每個(gè)過程完全定量的研究都非常復(fù)雜的，所以燃燒過程的數(shù)學(xué)模擬計(jì)算也是相當(dāng)困難的。乙醇與汽油的烴類組分有著不同的物理化學(xué)特點(diǎn)，將乙醇混入汽油將如何影響汽油復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)也成為一個(gè)難點(diǎn)問題［2］。

本文借助研究汽油燃燒普遍使用的異辛烷(C8H18)代替汽油的燃燒機(jī)理，然后將異辛烷與乙醇的反應(yīng)機(jī)理混合形成研究乙醇汽油燃燒所需的機(jī)理文件［3］，借助CHEMKIN軟件，模擬乙醇汽油的燃燒過程。最后分析了進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和壓縮比對(duì)汽油機(jī)燃燒乙醇汽油的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 燃燒模型的基本控制方程［4］

質(zhì)量守恒方程如公式 (1):

式中:j為反應(yīng)數(shù);ρ為質(zhì)量密度，kg/m3;v為反應(yīng)容積，m3;m··為入口質(zhì)量流速率，m/s;m為出口質(zhì)量流速率，m/s;Ninlet(j)為每個(gè)反應(yīng)j入口數(shù);Npar為反應(yīng)模型的總數(shù);Rrj為反應(yīng)r的流出部分;Am為第m個(gè)物質(zhì)的表面積，m2;Kg為第m個(gè)物質(zhì)的氣體種類;S·k，m為每單位表面積上第m個(gè)物質(zhì)第k個(gè)元素的摩爾表面發(fā)生速率。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)幾何模型與傳熱模型

(1)幾何模型。

計(jì)算模型中所用的發(fā)動(dòng)機(jī)幾何模型源于Heywood所提供的方程——基于發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)把容積變化作為時(shí)間的函數(shù)。模型簡述如公式 (2):式中:R為表示連桿比;θ為曲軸轉(zhuǎn)角，(°CA);Ω為角速度，rad/s;Vc為容積，L。

(2)傳熱模型。

采用Woschni傳熱模型。傳熱模型定義如公式(3):

式中:Twall為缸壁溫度，K;w為缸內(nèi)工質(zhì)的平均速率，m/s;Sp為活塞的平均速率，m/s［5－6］。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

所用發(fā)動(dòng)機(jī)模型的基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型參數(shù)Tab.1 Parameters of engine model

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒的影響分析

首先改變進(jìn)氣溫度，溫度的變化取值分別為447K、459.5K、472K、484.5K和497K，所得的結(jié)果如圖1所示。

從以上的模擬結(jié)果可知，隨著進(jìn)氣溫度的上升，缸內(nèi)壓力隨著時(shí)間變化的規(guī)律如圖1(a)所示。在起初階段，各進(jìn)氣溫度下氣缸壓力升高趨勢(shì)基本相同，曲線突變點(diǎn) (即燃燒發(fā)生的起始時(shí)間)的發(fā)生時(shí)刻隨著進(jìn)氣溫度的提升而提前。在低溫燃燒時(shí)，滯燃期較長并且所能達(dá)到的最大壓力較低;從圖1(b)中缸內(nèi)溫度的變化上來看，隨著進(jìn)氣溫度的上升，滯燃期縮短，在燃料完全燃燒之前，各時(shí)刻溫度變化趨勢(shì)一致，可見進(jìn)氣溫度決定了缸內(nèi)溫度。但由于低溫時(shí)滯燃期較長，所以在上止點(diǎn)之后，較低的進(jìn)氣溫度在各個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角位置所對(duì)應(yīng)的溫度值略高;從圖1(c)中熱損失速率上來看，進(jìn)氣溫度較高時(shí)熱損失發(fā)生的時(shí)刻較早，這與氣缸內(nèi)氣體燃燒發(fā)生時(shí)刻的規(guī)律吻合。隨著進(jìn)氣溫度的提高，熱損失速率加快，這是由于燃燒生熱與外界溫差較大所造成的;從圖1(d)中凈生熱值的變化規(guī)律可以看出，隨著進(jìn)氣溫度的提升，燃燒放熱發(fā)生時(shí)刻提前，但所能達(dá)到的最大溫度值并無明顯規(guī)律，在溫度為459.5K時(shí)放熱值較大，此溫度應(yīng)理解為燃料在其他條件不變的情況下，該溫度值為經(jīng)濟(jì)性較好的燃燒溫度。

圖1 不同進(jìn)氣溫度時(shí)缸內(nèi)壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.1 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet temperature is different

2.2 進(jìn)氣壓力對(duì)燃燒的影響分析

改變進(jìn)氣壓力，壓力的變化取值分別為1.065 atm、1.19 atm、1.315 atm、1.44 atm 和1.565 atm， (其中，1 atm=1.013 25×105Pa=0.101 325 MPa)所得的結(jié)果如圖2所示。

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析可以得出如下結(jié)論:從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，缸內(nèi)壓力和溫度所能達(dá)到的峰值，隨著進(jìn)氣壓力的升高而增大。且缸內(nèi)壓力和溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻也相應(yīng)提前;從圖2(c)中可以看出，系統(tǒng)的熱損失速率在大于1.19 atm的高壓范圍內(nèi)，隨著進(jìn)氣壓力的升高而加快，且發(fā)生時(shí)刻提前。但是在低壓時(shí)，出現(xiàn)了相反情況。可見當(dāng)進(jìn)氣壓力不足時(shí)，燃料的燃燒將會(huì)惡化;從圖2(d)中可以看出，燃料燃燒的凈生熱的發(fā)生時(shí)刻隨著壓力的升高而提前，在數(shù)值上的分布上并無明顯規(guī)律，但是在進(jìn)氣壓力為1.065 atm(模型自定義的進(jìn)氣壓力)出現(xiàn)一個(gè)較大的氣缸壓力值?？梢娫谄渌麠l件不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒存在一個(gè)理想的進(jìn)氣壓力范圍使得燃燒狀況達(dá)到最優(yōu)。

2.3 壓縮比對(duì)燃燒的影響分析

最后改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，壓縮比的變化取值分別為11.5、12.75、14、15.25和16.5，所得的結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同進(jìn)氣壓力時(shí)缸內(nèi)壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.2 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and net heat rate when the inlet pressure is different

以上的模擬結(jié)果可以得出如下結(jié)論:隨著壓縮比的增大，各項(xiàng)指標(biāo) (氣缸壓力、溫度、凈生熱值和熱損失速率)也相應(yīng)增大，但是當(dāng)壓縮比超過一定范圍 (本仿真結(jié)果為16.5)，氣缸壓力和溫度等都出現(xiàn)明顯的突變，可見其燃燒狀況已經(jīng)極不穩(wěn)定，出現(xiàn)爆震等燃燒惡化的結(jié)果，這樣的情況下極有可能出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件損傷，所以在實(shí)際工作中要結(jié)合乙醇汽油燃燒特點(diǎn)確定合理的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，既滿足動(dòng)力性需求，又合理降低發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本。

3 結(jié)論

基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN，對(duì)將異辛烷和乙醇混合的機(jī)理文件進(jìn)行乙醇汽油的燃燒過程模擬［6］，從模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)隨著進(jìn)氣溫度的上升，缸內(nèi)壓力和溫度變化不大，但是凈生熱值在進(jìn)氣溫度約459.5 K左右時(shí)較大，燃料在該溫度下燃燒的經(jīng)濟(jì)性較好。

(2)隨著進(jìn)氣壓力的增大，乙醇汽油燃燒時(shí)氣缸壓力和溫度峰值均會(huì)增大，且滯燃期縮短;進(jìn)氣壓力不足將嚴(yán)重影響乙醇汽油的燃燒。

圖3 不同壓縮比時(shí)缸內(nèi)壓力、溫度、熱損失率和凈生熱變化曲線圖Fig.3 Curves of the cylinder pressure，temperature，heat loss and Etc.when the inlet Compression ratio is different

(3)在一定范圍內(nèi)增加壓縮比，所模擬的各項(xiàng)指標(biāo) (進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、熱損失速率和凈生熱值)都相應(yīng)增加。但壓縮比達(dá)到16.5左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)燃燒狀況不穩(wěn)定等情況。所以在實(shí)際問題中要結(jié)合乙醇汽油特點(diǎn)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)合理的壓縮比以獲得良好的動(dòng)力性。

［1］陳志方，常耀紅.基于 Chemkin的甲烷HCCI燃燒模擬研究［J］.北京汽車，2010(5):10 －13.

［2］姚春玲.汽油機(jī)進(jìn)氣混合O2/CO2的燃燒機(jī)理與性能研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2011.

［3］張 霞.甲醇汽油排放建模與預(yù)測(cè)［D］.北京:清華大學(xué)，2009.

［4］呂 昊.CHEMKIN軟件在均質(zhì)壓燃及燃料改質(zhì)數(shù)值模擬中的應(yīng)用［D］.西安:長安大學(xué)，2010.

［5］崔淑華，胡亞楠.發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽 油的燃燒數(shù)值模擬分析［J］.森林工程，2007，23(2):28 －30.

［6］孫 杰.汽油機(jī)燃用乙醇汽油混合燃料的仿真研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010.