天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性和排放物的數值模擬研究

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(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性和排放物的數值模擬研究

回勝,孫銳

(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

本文分析利用CHEMKIN軟件中的零維單區(qū)HCCI模型模擬了不同的邊界參數包括：壓縮比、進氣溫度、進氣壓力和轉速對天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性及排放物的影響。利用模擬的結果分析了邊界參數的變化對發(fā)動機缸內溫度、壓力、著火時刻和污染物排放的影響，為合理選擇天然氣HCCI發(fā)動機的邊界參數提供了參考。

發(fā)動機；天然氣；排放物；HCCI；CHEMKIN

0 引言

均質壓燃發(fā)動機(HCCI)結合了汽油機“均質混合氣”和柴油機“壓燃點火”的這兩個優(yōu)點，是一種具有發(fā)展前景的新型發(fā)動機燃燒方式。國內科研單位針對天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性開展了一些相關理論研究。2013年高宏達[1]對摻氫天然氣發(fā)動機的燃燒特性進行了數值模擬研究。2012年劉欣等人[4]對甲烷HCCI燃燒反應機理進行了分析研究。2012年堯命發(fā)等人[2]對均質壓燃技術進行了分析展望。2009年許健等人[5]對天然氣摻氫發(fā)動機性能與排放進行了實驗研究。2012年侯明陽[6]對乙醇HCCI發(fā)動機和甲烷HCCI發(fā)動機的燃燒特性進行了模擬仿真。目前天然氣HCCI發(fā)動機是天然氣在發(fā)動機應用中最具前景的方式之一，開展天然氣HCCI發(fā)動機的燃燒過程研究具有較高的學術價值。

1 HCCI(均質壓縮燃燒)介紹

HCCI燃燒方式是指“均質充量壓縮點燃”，它出現在20世紀70年代末期，由于控制技術的限制，HCCI燃燒方式并沒有獲得足夠的重視。進入上個世紀90年代后，發(fā)動機排放法規(guī)的要求日益嚴格，人們對發(fā)動機的經濟性要求也越來越高，HCCI在低耗節(jié)能低排放方面的優(yōu)勢使得HCCI燃燒方式得到了人們的高度關注。

“均質壓燃，低溫燃燒”不同于傳統(tǒng)的汽油機的燃燒過程，也不同于柴油機燃燒過程。它的基本思想是在現代內燃機控制技術的基礎上，通過控制內燃機燃燒室內的溫度和壓力，控制燃料、活化基以及再循環(huán)廢氣的濃度，實現燃燒邊界條件與燃料化學協(xié)同控制，從而實現對燃料燃燒化學反應過程的控制，實現可控的高效、清潔燃燒，最大限度地提高熱效率，降低有害污染物的生成。它的科學意義在于正在開辟一個全新燃燒學領域。

初期的研究發(fā)現，HCCI 燃燒沒有火焰?zhèn)鞑ィ|混合氣燃燒過程呈現多點同時著火的特征，是追求“均質、整體、低溫”的燃燒。HCCI燃燒方式適合柴油、汽油、天然氣等多種液體和氣體燃料，天然氣由于是氣體燃料，容易形成均勻的混合氣，又由于抗爆性較好(辛烷值高達130)，可以采用較高的壓縮比以實現壓縮著火。故天然氣比其它幾種燃料更適合均質混合壓縮著火的工作方式。

HCCI燃燒方式與傳統(tǒng)汽油機的火花塞點火預混燃燒方式不同，同時與傳統(tǒng)柴油機的擴散燃燒方式也不同，HCCI結合了上述兩種燃燒方式，同時具有它們的優(yōu)點。HCCI發(fā)動機沒有節(jié)流損失，發(fā)動機的熱效率相當高，同時HCCI發(fā)動機具有較高的壓縮比，壓縮著火持續(xù)的燃燒時間短，熱效率得以進一步的提高，因此HCCI發(fā)動機能以稀薄混合氣獲得相對較高的動力。下圖為傳統(tǒng)發(fā)動機和HCCI發(fā)動機的關系。

2 模擬方案

HCCI發(fā)動機從理論上來說，燃料與空氣的混合氣是均質的，而且HCCI燃燒方式的一個特點就是多點同時著火，沒有明顯的火焰前鋒，燃燒溫度比較均勻，整個燃燒室空間范圍內幾乎是同時著火，發(fā)動機燃燒室內各種參數只與時間相關，而與空間位置幾乎無關，因此我們可以簡化HCCI發(fā)動機的燃燒模型，直接采用CHEMKIN中的零維單區(qū)HCCI模型來對HCCI發(fā)動機燃燒過程進行模擬并分析。反應機理選用GRI-Mech3.0。

氣體發(fā)動機的工作性能在很大程度上取決于發(fā)動機初始參數。以下研究主要考慮燃料為天然氣時的特性，天然氣的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷等烷烴中的輕組分。本文模擬所采用的天然氣質量分數如表1。

表1 天然氣組成

表2 模擬發(fā)動機基本參數

3 邊界參數對天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性的影響

3.1 壓縮比的影響

在發(fā)動機上應用可變壓縮比是很困難的，但是，壓縮比的作用是不可以忽略的，因為它是發(fā)動機設計過程中的一個關鍵參數?？梢酝ㄟ^直接改變氣缸容積或者間接改變氣門開閉時間來研究壓縮比對著火點的影響。

模擬工況的初始參數：轉速為1 200 r/min；初始溫度為447 K；初始壓力為107 911 Pa；當量比為0.3；壓縮比取16.5、18、20、22、24、26。缸內溫度和壓力及NO的排放隨壓縮比變化的模擬結果如圖2～圖4所示。

圖2 不同壓縮比對缸內溫度的影響

圖3 不同壓縮比對缸內壓力的影響

圖4 不同壓縮比對NO排放的影響

可以看出隨著壓縮比的增加，著火時刻相對更接近上止點。在相同的當量比的條件下，當壓縮比升高且活塞到達上止點時，缸內容積逐漸變小，燃氣的濃度不斷升高，從而使著火時刻不斷提前。即隨著壓縮比的增大，著火時刻不斷提前，當壓縮比超過16.5并繼續(xù)增加時，著火時刻提前變緩。從圖2看出提高壓縮比，可以使缸內溫度峰值提高。由于高溫是NO產生的重要條件，因此隨著壓縮比的提高NO的排放也逐漸增加。

3.2 進氣溫度的影響

模擬工況的初始參數：壓縮比為16.5；轉速為1 200 r/min；當量比為0.3；進氣壓力為107 911 Pa；進氣溫度分別為407 K、417 K、427 K、437 K、447 K。缸內溫度和壓力及NO的排放隨進氣溫度變化的模擬結果如圖5～圖7所示。

圖5 不同進氣溫度對缸內溫度的影響

圖6 不同進氣溫度對缸內壓力的影響

圖7 不同進氣溫度對NO排放的影響

進氣溫度變化對天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性有明顯的影響。在進氣溫度低于427 K時，由于進氣溫度過低燃料無法燃燒，因此當進氣溫度為407 K和417 K時缸內的溫度曲線和壓力曲線幾乎重合。當溫度達到427 K時，隨著進氣溫度的升高，著火時刻提前，缸內最高溫度也隨之升高。即此時進氣溫度越高，著火時刻越提前，因此改變進氣溫度能夠實現對著火定時進行控制。如圖7當進氣溫度為407 K和417 K時，由于進氣溫度過低，燃料無法燃燒，此時NO的排放為0。當進氣溫度到達427 K并繼續(xù)提高時會對NO排放有較大的不利影響，但會使放熱率得到提高。

3.3 進氣壓力的影響

模擬工況的初始參數：壓縮比為16.5；轉速為1 200 r/min；當量比為0.3；進氣溫度為447 K；進氣壓力分別為107 911 Pa、168 706 Pa、229 501 Pa、290 296 Pa、351 091 Pa。缸內溫度和壓力及NO的排放隨進氣壓力變化的模擬結果如圖8-圖10所示。

圖8 不同進氣壓力對缸內溫度的影響

圖9 不同進氣壓力對缸內壓力的影響

圖10 不同進氣壓力對NO排放的影響

可以看出隨著初始壓力的提高，著火時刻不斷提前。這是因為，在模擬中改變進氣壓力，保持進氣溫度和當量比不變，在相同的曲軸轉角下，初始壓力較高時，燃料濃度較大，從而導致反應加快，著火點時刻提前。隨著進氣壓力的增加，缸內壓力的峰值顯著增加，而對缸內溫度變化影響較小。隨著進氣壓力提高NO排放稍有增加，但是氮氧化物的排放可以保持在一定的范圍內，因此增大進氣壓力在降低排放方面是一項非常具有吸引力的措施。

3.4 轉速的影響

模擬工況的初始參數：壓縮比為16.5；當量比為0.3；進氣溫度為447 K；進氣壓力為107 911 Pa；發(fā)動機轉速為1000 r/min、1 100 r/min、1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min。缸內溫度和壓力及NO的排放隨發(fā)動機轉速變化的模擬結果如圖11-圖13所示。

圖11 不同轉速對缸內溫度的影響

圖12 不同轉速對缸內壓力的影響

圖13 不同轉速對NO排放的影響

如圖11和圖12所示轉速提高后，對缸內溫度峰值和缸內壓力峰值幾乎沒有影響。但是峰值出現的時刻不斷提前,燃燒整體提前。如圖13所示隨著轉速的增加，NO排放略微降低。這是因為轉速的增加導致燃料的化學反應時間相對變少了，NO生成的化學反應也需要時間，氧和氮在缸內滯留的時間是NO生成的一種重要因素。

4 總結

天然氣燃料是一種清潔能源，采用HCCI均質壓燃技術后，天然氣發(fā)動機汽車的經濟性以及清潔型均優(yōu)于傳統(tǒng)燃料汽車，因此HCCI天然氣發(fā)動機具有良好的發(fā)展前景。本文基于化學反應模擬軟件CHEMKIN模擬了HCCI燃燒過程，得出以下結論：(1)隨著壓縮比提高，著火時刻不斷提前，缸內溫度提高，NO的排放也逐漸增加。因此，在保證排放的前提下，需要在不同工況下選擇合適的壓縮比；

(2)隨著進氣溫度的增加，著火時刻提前，缸內溫度峰值提高，當溫度達到427 K時NO的排放也隨之升高。因此，在不同工況下要選擇合適的進氣溫度，即可以保證發(fā)動機的動力性也滿足發(fā)動機的排放要求；

(3)隨著進氣壓力的升高，著火時刻不斷提前，缸內壓力的峰值顯著增加，而缸內溫度變化較小，NO排放有微小增加，因此，增壓對提高HCCI發(fā)動機的動力性是一種十分有效的措施，但要考慮發(fā)動機設計中的強度要求；

(4)當轉速增加時，著火時刻延遲，NO排放有微小的降低，缸內溫度峰值和缸內壓力峰值幾乎沒有變化，因此為了選擇理想的著火點以及有效控制NO的排放要根據實際情況合理選擇發(fā)動機的轉速。

[1]高宏達.摻氫天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性模擬研究[D].大連：大連理工大學，2013.

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[5]許健，張欣，劉建華，等.天然氣摻氫發(fā)動機性能與排放試驗[J].北京交通大學學報，2009，33(4)：50-53.

[6]侯明陽.混合氣均質壓縮燃燒試驗裝置的研制及燃燒仿真[D].杭州：浙江大學，2012.

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SimulationStudyonCombustionCharacteristicandEmissionsofNaturalGasHCCIEngine

HUI Sheng,SUN Rui

(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

This article simulates that the influence concerning combustion characteristic and emissions of HCCI Engine aroused by different parameters via CHEMKIN software. And these parameters include: compression ratio,intake temperature,intake air pressure and rotational speed. Simulation results show the variation of cylinder temperature, pressure, ignition timing and emissions caused by boundary parameters. The research conclusions could be referred for designing boundary parameters of HCCI Engine reasonable.

engine; natural gas; emissions; HCCI; CHEMKIN

2014-03-06修訂稿日期2014-05-14

回勝(1986～)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為天然氣燃燒領域。

TK479;TK16

A

1002-6339 (2014) 05-0443-04