摘要：采用正庚烷、多环芳香烃和NOX生成的化学反应动力学机理表征柴油燃料，柴油简化机理与乙醇简化机理对接后，与三维CFD耦合模拟柴油/乙醇燃料的缸内燃烧和污染物生成过程。研究结果表明，采用该机理计算的缸内压力曲线与实验值吻合良好;乙醇较高的汽化潜热值使得缸内燃烧温度有所降低，可减少NOx排放;乙醇可以有效提高缸内油-气混合的均匀程度，其含氧特性增加了缸内的氧浓度，使碳烟粒子与氧的碰撞机会增大，抑制了碳烟形成。

　　关键词：柴油/乙醇;燃烧;数值模拟;KIVA

　　1 引言

　　随着各国环保法规的日趋严厉，发动机清洁替代燃料及其燃烧过程成为研究热点。数值模拟可以较好的预测缸内燃烧和污染物生成过程，并可以通过变工况、变参数计算，得到发动机的最优参数[1-3]。

　　乙醇被认为是一种前景广泛的可再生绿

　　色能源，乙醇/汽油掺烧技术已在美国、巴西、欧盟等国家和地区得到了广泛的推广和应用[4、5]。然而，乙醇在柴油机上的应用研究还很少，关于柴油/乙醇燃料燃烧过程的模拟计算也鲜见报道。

　　本文重新构筑了柴油/乙醇燃料化学反应动力学机理，与计算流体动力学软件KIVA-3V耦合计算，模拟了柴油/乙醇燃料的缸内燃烧和污染物生成过程，得到了缸内流场、温度场、压力场、NOX分布场等信息，并与试验排放结果进行了对比分析。

　　2 机理构筑

　　柴油的主要成分为烷烃、环烷烃和芳香烃等，组分十分复杂，且详细化学反应动力学机理包含大量的基元反应，计算过程中涉及的待解变量数目和方程规模过于庞大，计算效率较低，另外详细机理藕合到流场计算时还会出现“刚性问题”[6]，因此需采用可以反映柴油着火、燃烧特性的简化机理用于CFD模拟。

　　研究表明[7、8]，正庚烷、甲苯摩尔比例为7:3的混合燃料可以较好的表征柴油的十六烷值属性和其他特性，甲苯(单环芳香烃MAHs)作为碳烟的前驱体物质，可以通过单步“石墨化”反应生成碳烟。由于燃烧过程中燃料首先经过高温裂解产生小分子碳氢碎片，再通过脱氢、加成、环化反应形成单环芳香烃(MAHs)，然后成核、凝结并最终形成碳烟。为了更加贴近真实碳烟的生成过程，本文添加了C4H4、C3H3、CH2等小分子中间产物，构筑了柴油多环芳香烃(PAHs)生成模型，添加的基元反应来源于GRI-MECH 3.0机理[9]，并通过与乙醇简化机理对接得到柴油/乙醇化学反应动力学机理。为了预测柴油/乙醇燃料的NOX生成和排放，继续添加了10步NOx生成的基元反应，见表1所示。热力学数据源于美国Lawrence Livemore国家实验室数据库。

　　表1 NOx生成机理

　　Tab.1 NOx formation mechanism

　　3 计算模型

　　本文以一台S195单缸直喷柴油机作为仿真机型，当活塞往复运动时，燃烧室计算网格在轴向上受到拉伸力和压缩力作用，因此需要逐层增加和减少网格，并保持径向和周向网格数目不变，图1为最终生成的360°计算三维网格，活塞下止点时该计算网格大约包含19,000个网格，上止点附近网格尺寸约2mm。柴油机技术参数见表2所示。

　　图1 上止点燃烧室计算网格

　　Fig.1 The mesh of In-cylinder at TDC

　　表2 S195柴油机主要技术参数

　　Tab.2 The main technical parameters of S195 diesel engine 项目 技术参数 型式 直喷、水冷、四冲程 缸数 1 缸径×行程mm 95×115 排量L 0.815 压缩比 17 喷油器孔数×孔径/mm 4×0.32 标定功率/转速/kW/r/min 10.6/2200 起动方式 手摇起动 4 结果与分析

　　4.1 示功图

　　图2为模拟结果与试验结果的对比，发动机工况为2200r/min，100%负荷，乙醇掺混比例为10%。

　　图2 模拟结果与试验结果的对比

　　Fig.2 Comparison of computed and measured profile

　　可以看出：模拟得到的缸内压力曲线较试验测得压力曲线更陡，且压力、温度值均低于实验结果;但最高压力、气缸温度峰值以及燃烧始点吻合良好，说明该机理能较好的模拟低温燃烧过程和预测着火时刻，可以用来模拟柴油/乙醇燃料的缸内燃烧过程。

　　4.2 缸内温度场

　　图3为缸内温度云图(单位：K)，其中上图为355℃时的燃烧室温度场分布，此时为着火初始时期，乙醇不断吸热蒸发，并促进柴油液滴与空气均匀混合，油束外部混合充分的终燃混合气自燃，喷油嘴附近的可燃混合气最多，形成高温区域;下图为上止点时刻的燃烧室温度场分布，可以看出，急燃期内缸内温度分布极不平衡，高温区燃油液滴在缸内湍流、挤流、滚流的作用下与空气混合良好，形成了大量的可燃混合气，是燃烧的主要区域。油束核心区的燃油液滴较多，卷吸空气量较少，不易形成可燃混合气，故油束核心区及其附近德温度较低。

　　图3燃烧过程的缸内温度分布

　　Fig.3 In-cylinder temperature field in the combustion process

　　4.3 缸内压力场

　　图4为缸内压力云图，其中上图为355℃时的燃烧室压力场分布，此时缸内压力分布较为均匀，活塞上行过程中，气缸余隙中的气体流动较为剧烈，因此余隙附件的压力较高。下图为上止点时的燃烧室压力场分布，燃烧开始前，缸内气流由于受到油束的扰动，喷油嘴附近缸内压力最低;着火后，活塞顶部与缸盖间隙处由于受到活塞挤压和部分混合气燃烧膨胀力的作用，具有较高的压力，并沿着缸径方向依次减小。

　　图4燃烧过程中的缸内压力分布

　　Fig.4 In-cylinder pressure field in the combustion process

　　4.4 缸内NOX生成

　　图5为燃烧过程中缸内NOx组分质量浓度分布云图，其中上图为燃烧始点(355℃)，下图为缸内最高温度点(380℃)。

　　可以看出，在燃烧始点即有NOx产生，并且首先出现在油束附近火焰前锋面上，此时油束附近局部温度可达2300K左右;缸内温度急剧升高后，NOx瞬时生成量达到峰值。这是因为油束附近燃油雾化均匀而首先着火，且油束附近处于富氧状态。高温、高压、富氧三方面因素导致油束附近NOx浓度较高。

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