不同進(jìn)氣組分對(duì)柴油機(jī)燃燒過程影響的研究*

陳貴升,朱文霞,沈穎剛，楊 輝，李偉東

(昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500)

2016024

不同進(jìn)氣組分對(duì)柴油機(jī)燃燒過程影響的研究*

陳貴升,朱文霞,沈穎剛，楊 輝，李偉東

(昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500)

以正庚烷/甲苯/正己烯混合物簡(jiǎn)化機(jī)理作為柴油燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件耦合化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理建立了某高壓共軌柴油機(jī)的三維CFD數(shù)值模型。采用該耦合模型，以海拔3 000m大氣環(huán)境(O2和N2的體積分?jǐn)?shù)分別為16.2%和83.8%)為基點(diǎn)，模擬對(duì)比了不同體積摻混比(1.6%，4.8%和8%)的進(jìn)氣組分(O2，H2，CO2和氣態(tài)H2O)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響。結(jié)果表明：進(jìn)氣摻O2后，燃燒始點(diǎn)提前，預(yù)混燃燒比例減少，放熱速率峰值降低，缸內(nèi)活性基(OH，O)濃度升高，NO明顯增大而碳煙(Soot)顯著降低；進(jìn)氣摻H2后，放熱速率顯著加快，缸內(nèi)壓力和峰值溫度增高，NO稍有升高而Soot略為降低；進(jìn)氣摻CO2后，著火時(shí)刻最晚，缸內(nèi)溫度和壓力最低，A4與C2H2的消耗反應(yīng)持續(xù)期最長(zhǎng)，其NO生成最少而Soot排放最高；進(jìn)氣摻氣態(tài)H2O后，NO稍有降低，而Soot變化不大。

柴油機(jī)；進(jìn)氣組分；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；燃燒過程；排放特性

前言

柴油機(jī)因具有熱效率高、動(dòng)力性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但相比汽油機(jī)，柴油機(jī)碳煙(Soot)排放較高，且NOx與Soot之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系[1]。隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，如何同時(shí)降低NOx與Soot排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性已成為柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)清潔高效燃燒所面臨的巨大挑戰(zhàn)。研究表明，進(jìn)氣組分及其組成比例極大地影響著柴油機(jī)燃燒過程和排放物的生成歷程與生成機(jī)理[2-4]。傳統(tǒng)柴油機(jī)的進(jìn)氣充量是新鮮空氣，主要由N2和O2兩種組分構(gòu)成。不同組分進(jìn)氣燃燒的控制技術(shù)是為探索發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放燃燒、動(dòng)力強(qiáng)化和提升高原環(huán)境適應(yīng)性而提出的一項(xiàng)主動(dòng)控制技術(shù)[2]。通過優(yōu)化進(jìn)氣組分來控制燃燒過程，是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒的一項(xiàng)有效技術(shù)措施。研究表明，作為氣體燃料，H2具有燃燒速度快、擴(kuò)散系數(shù)高、著火范圍寬和燃燒清潔等特點(diǎn)[2]。柴油機(jī)進(jìn)氣摻O2實(shí)現(xiàn)富氧燃燒后，因提高了燃料與O2的混合質(zhì)量，燃燒充分而使熱效率提升，HC，CO和Soot排放得以改善，但會(huì)導(dǎo)致NOx大幅升高[3]。CO2和氣態(tài)H2O是廢氣再循環(huán)(EGR)中的兩種主要成分，它主要通過降低燃燒溫度與缸內(nèi)氧濃度而影響柴油機(jī)的燃燒過程與排放物生成歷程[4]。

目前，同時(shí)獨(dú)立針對(duì)上述不同進(jìn)氣組分對(duì)柴油機(jī)工作過程影響機(jī)理的對(duì)比研究還有待深入。本文中以現(xiàn)代高壓共軌柴油機(jī)為研究機(jī)型，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件AVL FIRE耦合柴油替代混合物化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化機(jī)理，構(gòu)建其三維CFD耦合模型，研究不同進(jìn)氣組分(O2，H2，CO2和氣態(tài)H2O)對(duì)柴油機(jī)工作過程的影響規(guī)律與作用機(jī)理，以期為現(xiàn)代先進(jìn)柴油機(jī)高效清潔燃燒的進(jìn)氣組分優(yōu)化提供理論與工程指導(dǎo)。

1 三維CFD耦合模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

1.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的選擇

本文中以三維CFD計(jì)算軟件AVL FIRE與簡(jiǎn)化化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合模擬計(jì)算。耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)理為文獻(xiàn)[5]中構(gòu)建的三組分柴油燃料替代混合物(正庚烷/甲苯/正己烯)簡(jiǎn)化化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，它包含67種物質(zhì)和135個(gè)基元反應(yīng)。該簡(jiǎn)化機(jī)理是在對(duì)文獻(xiàn)[6]中提出的正庚烷/甲苯燃燒模型進(jìn)行敏感性分析并加以簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，加入了正己烯反應(yīng)機(jī)理、NOx與Soot前驅(qū)物PAHs的重要生成反應(yīng)。其中，PAHs簡(jiǎn)化機(jī)理是基于文獻(xiàn)[7]中提出的PAHs詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理中提取涉及到4個(gè)苯環(huán)的PAHs(苯-A1、萘-A2、菲-A3、芘-A4)生成的重要反應(yīng)，并對(duì)A3和A4的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了修正；NOx反應(yīng)機(jī)理是基于擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理[8]，并增加了N2O中間產(chǎn)物的反應(yīng)機(jī)理和NO與NO2之間的轉(zhuǎn)換反應(yīng)[6]；采用文獻(xiàn)[9]中提出的以A4作為生成前驅(qū)物的Soot生成機(jī)理。文獻(xiàn)[10]中對(duì)此模型進(jìn)行了激波管、定容燃燒彈和實(shí)際共軌柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，顯示了該機(jī)理能較準(zhǔn)確地模擬低EGR率和高EGR率下(低溫燃燒模式)共軌柴油機(jī)的燃燒放熱過程和NOx與Soot的排放趨勢(shì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)A4和Soot在不同EGR率下不同燃燒時(shí)刻的生成與氧化歷程和缸內(nèi)濃度空間分布特性基本一致，表明此動(dòng)力學(xué)模型中A4生成機(jī)理能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)Soot的生成趨勢(shì)。上述簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型為本文運(yùn)用耦合機(jī)理研究不同進(jìn)氣組分對(duì)柴油機(jī)工作過程的影響提供了理論基礎(chǔ)與可行途徑。

1.2 三維CFD耦合數(shù)值模型的構(gòu)建

以D19型高壓共軌柴油機(jī)為試驗(yàn)機(jī)型，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)D19柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與燃燒室?guī)缀纬叽?，利用CAD繪制燃燒室的輪廓線，并將其導(dǎo)入AVL FIRE的ESE Diesel前處理模塊，設(shè)置燃燒室參數(shù)，繪制二維網(wǎng)格，同時(shí)生成燃燒室的三維六面體動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。由于試驗(yàn)柴油機(jī)使用6孔(噴孔直徑為0.129mm)對(duì)稱噴油器，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，生成的計(jì)算網(wǎng)格為1/6模型，見圖1。平均網(wǎng)格大小為0.8mm，所建模型在上止點(diǎn)時(shí)的網(wǎng)格數(shù)為15 325個(gè)，在下止點(diǎn)時(shí)網(wǎng)格數(shù)為30 400個(gè)。以三維CFD數(shù)值模型與簡(jiǎn)化化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行耦合模擬計(jì)算，主要計(jì)算物理模型設(shè)置見表2。

計(jì)算模型模型類型湍流模型κ?ε雙方程燃油碰壁模型Walljet1燃油蒸發(fā)模型Multi?component燃油破碎模型Wave

1.3 耦合模型驗(yàn)證

研究工況轉(zhuǎn)速為2 200r/min(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)，循環(huán)噴油量為30mg，單個(gè)噴孔循環(huán)噴油量為5.0mg(根據(jù)實(shí)測(cè)小時(shí)油耗和轉(zhuǎn)速算得)。計(jì)算區(qū)域設(shè)置為進(jìn)氣門關(guān)閉與排氣門開啟區(qū)域。在CFD耦合模型計(jì)算的初始條件設(shè)置中，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的缸內(nèi)壓力和增壓器壓氣機(jī)后溫度等參數(shù)，確定進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的初始缸內(nèi)壓力與壓縮溫度。其中進(jìn)氣溫度等關(guān)鍵參數(shù)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過Boost構(gòu)建其一維熱力學(xué)仿真整機(jī)模型算得，見圖2(a)。

對(duì)模型驗(yàn)證時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不同噴油時(shí)刻的煙度用AVL 415S煙度計(jì)測(cè)量，測(cè)量煙度值的單位是FSN(filter smoke number)。Soot質(zhì)量按照AVL 415S煙度計(jì)說明書通過煙度實(shí)測(cè)值換算得到，具體計(jì)算公式[11]為

0.001×(mair+mfuel)/1.2929

式中：S為實(shí)測(cè)煙度值，F(xiàn)SN；mair為進(jìn)氣流量，kg/h；mfuel為柴油機(jī)的小時(shí)油耗量，kg/h；e≈2.7183。

不同進(jìn)氣組分及其摻混體積比通過FIRE初始邊界條件模塊設(shè)置，其余參數(shù)值參考FIRE說明書推薦的經(jīng)驗(yàn)值。將計(jì)算得到的缸壓力曲線和Soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別與試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，見圖2(b)和圖2(c)。對(duì)比驗(yàn)證表明，缸壓計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的重合度較好，同時(shí)不同噴油時(shí)刻Soot計(jì)算值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)基本一致且保持在同一數(shù)量級(jí)。由此可見，本文中所構(gòu)建的三維CFD耦合模型、初始條件和邊界條件的設(shè)置均較為合理，能夠滿足對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真計(jì)算要求。

基于上述所構(gòu)建的耦合動(dòng)力學(xué)CFD模型，以海拔3 000m大氣環(huán)境(體積濃度為16.2%O2+83.8%N2)為研究基點(diǎn)，保持O2體積濃度不變，而分別由進(jìn)氣組分O2，H2，CO2或氣態(tài)H2O以一定的摻混比替代空氣中的N2，以此模擬研究不同進(jìn)氣體積摻混比(1.6%，4.8%和8%)的氣態(tài)進(jìn)氣組分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響規(guī)律，揭示其對(duì)柴油機(jī)燃燒過程、重要活性基(OH，O)、碳煙前驅(qū)物(乙炔-C2H2，A4)和排放終產(chǎn)物(NO，Soot)形成的作用機(jī)理。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同進(jìn)氣組分及其摻混比對(duì)柴油機(jī)燃燒過程的影響

圖3為不同體積進(jìn)氣摻混比下(1.6%，4.8%和8%)不同進(jìn)氣組分瞬時(shí)放熱率對(duì)比。

由圖3可知，體積摻混比例越大，不同進(jìn)氣成分之間的瞬時(shí)放熱率差別也越大。在相同摻混比時(shí)，進(jìn)氣摻O2相對(duì)于其他進(jìn)氣組分燃燒始點(diǎn)提前，瞬時(shí)放熱速率峰值降低。如摻混比例為4.8%時(shí)，其放熱率曲線已表現(xiàn)出預(yù)混燃燒與擴(kuò)散燃燒之分，隨摻混比例進(jìn)一步增大至8%時(shí)，燃燒過程以擴(kuò)散燃燒為主，放熱速率明顯降低。這是因?yàn)楦谎跞紵龠M(jìn)了燃料與氧氣的混合，著火性能增強(qiáng)，滯燃期縮短，預(yù)混燃燒比例減??；隨著摻混比的增加，進(jìn)氣摻CO2和H2O后，因缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容增加，著火前缸內(nèi)溫度降低，著火相位推遲，滯燃期擴(kuò)展(CO2對(duì)滯燃期擴(kuò)展作用更明顯)，預(yù)混燃燒比例增加，放熱速率峰值高于進(jìn)氣摻O2；H2的著火自燃溫度較高[12]，并且在低溫反應(yīng)階段通過消耗OH自由基來控制著火[13]，因此進(jìn)氣摻H2時(shí)著火時(shí)刻相對(duì)于O2和H2O延遲，滯燃期延長(zhǎng)增加了著火前可燃混合氣，同時(shí)H2具有燃燒放熱速率與火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快的燃燒特性[14]，從而導(dǎo)致其放熱率峰值相對(duì)其他進(jìn)氣組分顯著升高，燃燒持續(xù)期縮短，放熱較為集中。

圖4為不同體積摻混比下不同進(jìn)氣組分缸內(nèi)峰值壓力與峰值溫度對(duì)比。圖5為摻混比為8%時(shí)，不同進(jìn)氣組分缸內(nèi)瞬時(shí)爆發(fā)壓力、壓力升高率和缸內(nèi)燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化規(guī)律的對(duì)比。

由圖4和圖5可知，進(jìn)氣摻O2或H2后的缸內(nèi)壓力和燃燒溫度都增大，并且隨摻混比例增大而升高，其中進(jìn)氣摻H2尤為顯著且會(huì)導(dǎo)致壓力升高率顯著升高(壓力峰值在摻混比為8%時(shí)接近16MPa，壓力升高率高達(dá)1.6MPa/°CA)；進(jìn)氣摻CO2或H2O后，缸內(nèi)壓力和燃燒溫度反而降低，并隨摻混比例增大而近乎線性下降，其中進(jìn)氣摻CO2更為顯著。分析認(rèn)為：進(jìn)氣摻O2后，燃燒始點(diǎn)提前使放熱更靠近上止點(diǎn)且燃燒充分；而H2作為氣體燃料，具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、擴(kuò)散系數(shù)高和著火范圍寬(擴(kuò)大著火區(qū)域)的燃燒特性[2]，極大提高了燃燒速率與燃燒質(zhì)量，其壓力升高率明顯增大。因此，考慮到限制壓力升高率和爆發(fā)壓力，摻H2比例不宜過高；而CO2和H2O的比熱容相對(duì)較高[15-16]，加入后會(huì)增加熱量吸收，阻礙著火與火焰?zhèn)鞑?，推遲燃燒相位，降低缸內(nèi)壓力與溫度。其中，CO2因體積比熱容高于氣態(tài)H2O，其對(duì)燃燒過程的影響更為顯著。

2.2 不同進(jìn)氣組分及摻混比對(duì)柴油機(jī)排放特性的影響

圖6為不同體積摻混比下(1.6%，4.8%和8%)不同進(jìn)氣組分的NO和Soot排放對(duì)比。

柴油機(jī)排放物中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO占絕大部分[17]，因此可通過研究NO生成量的變化來表征NOx的變化規(guī)律。由圖6(a)可知，NO隨進(jìn)氣O2摻混比的增大而顯著升高。這是因?yàn)镺2濃度增大，燃燒更加充分，燃燒溫度提高，缸內(nèi)高溫富氧區(qū)域增多；進(jìn)氣摻H2后的缸內(nèi)溫度雖然明顯高于摻O2，但其NO排放隨摻混比增加而明顯低于摻O2。由此可見，缸內(nèi)氧濃度對(duì)NO生成的影響比燃燒溫度的影響更顯著；進(jìn)氣摻CO2或H2O因降低缸內(nèi)燃燒溫度而使NO降低，其中CO2的作用更為明顯。

由圖6(b)可知，Soot排放隨進(jìn)氣O2摻混比的增大而顯著降低，當(dāng)摻混比超過4.8%后接近零排放。這是因?yàn)镺2濃度增大使燃燒更加充分，燃燒溫度提高，缸內(nèi)高溫過濃局部區(qū)域減少和燃燒后期氧化強(qiáng)度增大所致；進(jìn)氣摻H2會(huì)使Soot排放隨摻混比增加而降低，但其降低的幅度遠(yuǎn)低于摻O2。這主要因?yàn)镠2摻混比增加顯著提高了燃燒溫度(高溫利于Soot氧化)，同時(shí)快速燃燒使缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)加劇，強(qiáng)烈的氣流運(yùn)動(dòng)有助于液體燃油噴霧油束的擴(kuò)散與破碎，促進(jìn)均質(zhì)混合氣形成[14]，從而減少局部缺氧區(qū)域并加速已生成碳煙的氧化；進(jìn)氣摻CO2會(huì)使Soot排放升高，并隨摻混比增加而幾乎線性升高，而H2O的摻混比對(duì)Soot影響較小，具體作用機(jī)理見2.3節(jié)分析。

2.3 不同進(jìn)氣組分對(duì)燃燒產(chǎn)物生成歷程的影響

由2.2節(jié)可知，當(dāng)進(jìn)氣體積摻混比為8%時(shí)，不同組分的燃燒過程與排放特性差別最為明顯。因此，本節(jié)選取8%摻混比為研究比例，從微觀角度研究不同進(jìn)氣組分對(duì)燃燒產(chǎn)物生成歷程的影響機(jī)理。

圖7和表3為摻混比為8%時(shí)，不同進(jìn)氣組分對(duì)缸內(nèi)活性自由基(OH和O)生成與消耗歷程和空間濃度分布(生成量峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻)影響的對(duì)比。表4為不同進(jìn)氣組分溫度場(chǎng)的對(duì)比。

研究表明，OH和O自由基是缸內(nèi)燃燒反應(yīng)過程中氧化性較強(qiáng)的活性基，對(duì)整個(gè)燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程有重要作用，其中OH對(duì)Soot的氧化起主要作用[18]。由圖7、表3和表4可知，相對(duì)于其他進(jìn)氣組分，進(jìn)氣摻O2時(shí)的OH和O活性基生成速率和生成量峰值因氧濃度增大而顯著升高，二者生成區(qū)域都主要分布于活塞凹坑底部與擠流區(qū)等高溫區(qū)域。相對(duì)CO2和H2O，進(jìn)氣摻H2會(huì)使OH和O自由基生成速率和生成量峰值升高(尤其OH增長(zhǎng)明顯)，二者主要分布于燃燒室的整個(gè)高溫區(qū)域(OH在噴霧油束擴(kuò)散區(qū)域的濃度較高)。這主要因?yàn)檫M(jìn)氣摻H2使缸內(nèi)燃燒溫度顯著升高且高溫區(qū)域擴(kuò)大(H2燃燒速度快、擴(kuò)散系數(shù)高、著火范圍寬)，從而增加OH和O活性基生成的燃燒化學(xué)反應(yīng)區(qū)域與促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)過程的進(jìn)行。進(jìn)氣摻CO2或H2O因明顯降低缸內(nèi)燃燒溫度，生成OH和O活性基的化學(xué)反應(yīng)過程變?nèi)?，從而?dǎo)致二者生成始點(diǎn)時(shí)刻推遲且生成速率明顯低于進(jìn)氣摻O2與H2。但相對(duì)CO2，進(jìn)氣摻H2O因缸內(nèi)燃燒溫度相對(duì)較高，且H2O在高溫燃燒氛圍下會(huì)分解產(chǎn)生OH[19]，從而使其OH生成速率和峰值相對(duì)升高。

表3 不同進(jìn)氣組分對(duì)缸內(nèi)自由基 (OH，O)濃度分布的影響

表4 不同進(jìn)氣組分對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖8和表5為不同進(jìn)氣組分對(duì)缸內(nèi)NO生成歷程與空間濃度分布影響規(guī)律的對(duì)比。

NO質(zhì)量濃度溫度峰值點(diǎn)時(shí)刻CO2H2O2H2O17°CAATDC17°CAATDC15°CAATDC17°CAATDC平穩(wěn)值時(shí)刻40°CAATDC40°CAATDC40°CAATDC40°CAATDC

根據(jù)Zeldovich機(jī)理[8]，NOx的生成主要在T>2200K和Φ(當(dāng)量比)<2的高溫區(qū)域，其中NO(NOx中主要成分)生成主要包括3個(gè)基本化學(xué)反應(yīng)。

N2+O?NO+N

(1)

N+O2?NO+O

(2)

N+OH?NO+H

(3)

由圖7、圖8和表3～表5可知，相對(duì)于其他進(jìn)氣組分，進(jìn)氣摻O2因顯著增加了缸內(nèi)氧濃度、O和OH活性基而使NO生成速率加快，其排放值快速升高，燃燒開始后主要分布于O與OH濃度較高的活塞凹坑底部高溫區(qū)域，但隨著燃燒過程的發(fā)展，其分布區(qū)域擴(kuò)散至整個(gè)燃燒室區(qū)域。相對(duì)CO2和H2O，進(jìn)氣摻H2因顯著提高燃燒溫度且O與OH濃度相對(duì)較高，導(dǎo)致其NO生成速率和排放終值隨著摻混比的增加而快速升高。此外，隨著燃燒歷程的發(fā)展，進(jìn)氣摻H2時(shí)的NO呈現(xiàn)先升高后稍有降低，隨后達(dá)到穩(wěn)定值。其主要因?yàn)镹O生成的基本化學(xué)反應(yīng)(見式(1)、式(2)和式(3))均屬于可逆化學(xué)反應(yīng)[8]，進(jìn)氣摻H2時(shí)的缸內(nèi)燃燒溫度顯著升高，燃燒前期缸內(nèi)燃空當(dāng)量比小，高溫富氧區(qū)域增多導(dǎo)致NO大量生成。但隨著燃燒歷程的發(fā)展，缸內(nèi)氧濃度伴隨O2消耗反應(yīng)急劇下降，在高溫燃燒氛圍下上述NO生成的基本化學(xué)反應(yīng)過程可能向逆反應(yīng)方向發(fā)展，從而導(dǎo)致NO呈現(xiàn)小幅度降低。進(jìn)氣摻CO2或H2O因明顯降低燃燒溫度，NO生成區(qū)域大幅減少，其排放終值顯著下降。

圖9為不同進(jìn)氣組分的碳煙前驅(qū)物乙炔(C2H2)和芘(A4)生成與消耗歷程對(duì)比。

研究表明，碳煙成核過程是決定初期碳煙顆粒形成與顆粒數(shù)密度的重要影響因素[18]。乙炔(C2H2)是促進(jìn)芳香烴(PAHs)生成與碳煙表面輔助生長(zhǎng)的主要物質(zhì)[18]。芘(A4)作為碳煙前驅(qū)物對(duì)碳煙生成歷程影響較大，其生成量增加會(huì)促進(jìn)碳煙成核過程[5]。因此，詳細(xì)研究二者生成歷程及其影響因素對(duì)深入認(rèn)識(shí)Soot的生成機(jī)理有重要意義。由圖7和圖9可知，相對(duì)其他進(jìn)氣組分，進(jìn)氣摻O2因顯著增加了缸內(nèi)氧濃度、O和OH活性基，燃燒更為充分而使C2H2和A4生成量峰值減少。進(jìn)氣摻CO2和H2O，由于缸內(nèi)O與OH活性基減少，C2H2和A4生成速率較大，排放峰值較高，同時(shí)后期消耗速率降低，二者消耗反應(yīng)持續(xù)期延長(zhǎng)，CO2更顯著。相比其他組分，進(jìn)氣摻H2因反應(yīng)放熱速率加快，燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)燃燒溫度上升速率和峰值溫度較高，導(dǎo)致C2H2和A4生成速率升高。但隨著燃燒歷程發(fā)展，進(jìn)氣摻H2在缸內(nèi)較高燃燒溫度和較高活性基(O、OH)濃度燃燒氛圍的綜合影響下(如圖7和表4所示)，其C2H2和A4后期消耗速率相對(duì)其他進(jìn)氣組分加快，消耗反應(yīng)持續(xù)期明顯縮短。

圖10和表6為不同進(jìn)氣組分Soot生成歷程與缸內(nèi)濃度分布規(guī)律對(duì)比。

由圖9、圖10和表6可知，相比其他進(jìn)氣組分，進(jìn)氣摻O2由于氧濃度增加，O和OH濃度增加，缸內(nèi)高溫過濃區(qū)域減少，C2H2和A4的生成量降低，其Soot生成區(qū)域減少(峰值時(shí)刻主要分布于噴霧油束擴(kuò)散區(qū)域、活塞凹坑底部沿碰壁處和擠流區(qū)域)，生成量峰值降低且后期氧化反應(yīng)明顯增強(qiáng)，從而導(dǎo)致其Soot排放終值幾乎接近零排放。進(jìn)氣摻CO2時(shí)，其Soot生成量峰值和排放終值相比其他進(jìn)氣組分明顯升高。從圖9中碳煙前驅(qū)物C2H2和A4的生成歷程可知，摻CO2時(shí)雖然C2H2和A4生成峰值并非最高，但由于二者(尤其A4)的消耗反應(yīng)持續(xù)期相對(duì)其他進(jìn)氣組分延長(zhǎng)，導(dǎo)致在高溫燃燒氛圍中滯留時(shí)間長(zhǎng)，利于促進(jìn)Soot的生成；另外，從表4可知，進(jìn)氣摻CO2后缸內(nèi)多數(shù)區(qū)域燃燒溫度低于2 000K，在該低溫環(huán)境中CO2的化學(xué)效應(yīng)受到抑制，即CO2+C→2CO化學(xué)反應(yīng)受限[4]，其也利于增加Soot生成。同時(shí)，進(jìn)氣摻CO2時(shí)的缸內(nèi)OH自由基濃度和燃燒溫度最低，Soot后期氧化變?nèi)?，從而使其排放終值最高。相比于H2O，進(jìn)氣摻H2時(shí)的缸內(nèi)Soot生成量峰值及排放終值降低。這是因?yàn)檫M(jìn)氣摻H2時(shí)燃燒速率快，缸內(nèi)高溫區(qū)域擴(kuò)大，O和OH濃度升高，C2H2和A4消耗反應(yīng)持續(xù)期縮短，同時(shí)Soot后期氧化增強(qiáng)。

表6 不同進(jìn)氣組分對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖11為不同進(jìn)氣組分的C2H2，A4和Soot的峰值出現(xiàn)時(shí)刻對(duì)比。由圖11可知，對(duì)于每種進(jìn)氣組分，C2H2，A4和Soot的生成量峰值出現(xiàn)時(shí)刻依次推遲。對(duì)于進(jìn)氣摻CO2，A4峰值出現(xiàn)時(shí)刻與Soot峰值出現(xiàn)時(shí)刻之間的間隔明顯大于其他進(jìn)氣組分，其次是進(jìn)氣摻H2O。分析認(rèn)為其原因是進(jìn)氣摻CO2時(shí)缸內(nèi)壓力和燃燒溫度最低，前驅(qū)物A4向Soot轉(zhuǎn)化的成核過程和C2H2輔助的Soot表面生長(zhǎng)過程減緩。

3 結(jié)論

(1) 相比其他進(jìn)氣組分，進(jìn)氣摻O2時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒始點(diǎn)提前，滯燃期縮短，放熱率峰值降低，缸內(nèi)活性基(OH和O)濃度增大，NO生成量增多，同時(shí)C2H2和A4生成量峰值、Soot生成量峰值和排放終值顯著降低；

(2) 相比其他進(jìn)氣組分，進(jìn)氣摻H2時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱速率加快，燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)爆發(fā)壓力、壓力升高率和燃燒溫度明顯升高。同時(shí)，相對(duì)于CO2和H2O，進(jìn)氣摻H2時(shí)缸內(nèi)OH和O活性基濃度升高，NO生成量增多，A4消耗反應(yīng)速率升高，Soot排放降低；

(3) 相比O2和H2，進(jìn)氣摻CO2或H2O時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和燃燒溫度明顯下降，OH和O活性基濃度降低，NO生成顯著減少，其中CO2影響更顯著。同時(shí)，進(jìn)氣摻CO2時(shí)A4消耗反應(yīng)持續(xù)期相比其他進(jìn)氣摻混組分明顯延長(zhǎng)，Soot排放最高，而H2O的摻混比對(duì)Soot的影響較小。

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A Study on the Effects of Different Intake Gas Constituentson the Combustion Process of Diesel Engine

Chen Guisheng, Zhu Wenxia, Shen Yinggang, Yang Hui & Li Weidong

KunmingUniversityofScienceandTechnology,YunnanKeyLaboratoryofInternalCombustionEngine,Kunming650500

With the simplified mechanism of n-heptane/ toluene/n-hexene compound as the chemical reaction kinetics mechanism of diesel fuel combustion, a 3D CFD numerical model for a high-pressure common-rail diesel engine is built by applying CFD software coupled with chemical kinetics mechanism. Using the coupled model built, with the atmospheric environment (16.2% O2+83.8% N2in volume fraction) at 3000 meters above sea level as reference，the effects of different volumetric blending proportions (1.6%, 4.8% and 8%) of various intake gas constituents (O2, H2, CO2and gaseous H2O) on the combustion process of engine are comparatively simulated. The results show that with O2blended, the starting point of combustion advances, the proportion of premixed combustion and the peak heat-release-rate reduce, the concentration of active radicals (OH, O) in cylinder rise and NO emission significantly increases while soot emission decreases dramatically; With H2added, the heat release rate sharply increases, in-cylinder pressure and peak temperature rise, and NO emission slightly increases while soot emission deceases a bit; The blending of CO2leads to the latest ignition timing, the lowest in-cylinder pressure and peak temperature, the longest consumption reaction duration of A4and C2H2, the least NO generation and the highest soot emission; And when gaseous H2O is added, NO emission slightly reduces and soot emission has little change.

diesel engine; intake gas constituents; chemical reaction kinetics; combustion process; emission characteristics

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51366007)、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目(2013FB019)和云南省級(jí)人才培訓(xùn)項(xiàng)目(KKSY201302127)資助。

原稿收到日期為2014年9月17日，修改稿收到日期為2014年11月17日。