HCCI甲醇发动机燃烧过程三维数值模拟

（武汉理工大学，武汉430070）

HCCI甲醇发动机燃烧过程三维数值模拟

李程，周昌祁，许伟康，刘元

（武汉理工大学，武汉430070）

以AVL-FIRE作为三维瞬态模拟软件，对HCCI甲醇发动机在1 500、3 000和5 000 r/m in三种工况下燃烧过程进行了数值模拟。结果表明：这三种转速下燃烧过程混合气的速度和浓度分布相似；转速越高，火焰前锋的速度越大，燃烧越迅速，而缸内混合气当量比越小。结果还表明：在排气门开启时刻缸内未燃甲醇的量较高，碳烟的排放量很低，小于1×10-9。计算结果可为HCCI甲醇发动机的燃烧和排放性能改善提供一定的理论依据。

燃烧数值模拟甲醇HCCI

1 前言

HCCI燃烧是一种新的燃烧方式，采用均质混合气的方式，在上止点附近将混合气压缩着火。与传统的火花点火发动机相比，HCCI方式采用均匀的空气与燃料混合气，用压燃代替火花塞点火方式；与传统的缸内直喷柴油机相比，HCCI方式的混合气充量是均质的[1]。油气充量混合得越充分，燃油粒子雾化得越细，燃烧就越充分，排放就越低，经济性就可能提高[2]。

HCCI燃烧方式要求燃油粒子必须有很好的雾化，使油气充分混合。而甲醇极易雾化蒸发，着火界限比较宽，并能使发动机在混合气较稀的条件下工作，而且燃烧速度比柴油快，可以提高发动机的压缩比和热效率，所以甲醇是一种比较理想的HCCI燃烧的代用燃料[3]。但甲醇燃料的热值只有柴油的47%。因此，在压缩点火的发动机上使用纯甲醇做燃料，在同等的热效率下，其有效质量燃油消耗率较高。尽管甲醇燃烧热值比柴油低会造成发动机功率、转矩下降，但是由于甲醇含有氧原子，考虑到其在发动机燃烧中排放的优越性，故甲醇可以作为替代柴油的一种清洁能源[4]。国外学者也开展了这方面的研究，Oakley等人使用高压直喷的方法在一台四冲程发动机上进行了甲醇燃料的试验，得出了甲醇的燃料HCCI燃烧的特性，碳烟的排放得到大大的改善[5～6]。

本文以ZS195非增压水冷直喷式柴油机为模型，运用AVL-FIRE软件研究转速对HCCI甲醇发动机燃烧和微量污染物生成过程的影响。本研究将忽略化学反应机理对模拟造成的影响。

2 计算域网格的建立

发动机参数如表1所示。本文设0℃A为进气上止点，主要计算从进气门关闭（230℃A）到排气门开启的时间段内发动机的工作过程。考虑到燃烧室形状的对称性，为了节省计算时间，本文的计算域只选用气缸的1/8。计算采用六面体网格，图1为生成的发动机计算域网格，网格单元总数约为42 060个。

表1 发动机参数

图1 计算域网格

3 模型的选择和初边值条件的确定

本文计算采用PISO算法对速度场和压力场进行耦合，湍流模型选用k-z-f模型，燃烧模型选用涡破碎模型（Eddy Break-up Model）。

边界条件也是影响计算精度和计算效率的重要因素之一[7]。由于该模型只涉及压缩和膨胀行程，与外界无质量交换，故只考虑各壁面温度边界。设气缸盖底面、气缸壁面和活塞顶面的平均温度分别为553K、403K和593K。初始压力和温度分别为381 kPa和353K，缸内各组分质量百分含量根据所计算工况的当量燃空比求得，并忽略残余废气对充量的影响。

4 计算结果与分析

4.1 缸内总体量

图2给出了缸内平均温度的变化情况，随着压缩的进行，缸内压力急剧增加，尤其在压缩行程的后期。在压缩上止点（360℃A）开始喷油燃烧，约在370℃A处达到峰值。三种转速下，温度的变化趋势一致，且对转速的变化不敏感。较之纯柴油燃烧的最高温度值（1 500～2 200 K）较低，这是因为甲醇的低热值较小，燃烧所放出的热量低。

图3给出了缸内平均压力的变化情况，三种转速下，缸内平均压力的变化趋势一致，且变化不大，说明转速对缸内压力波动影响很小。1 500 r/min工况由于活塞环的漏气损失相对较大，而5 000 r/min漏气损失虽小，但随转速的增加其流动损失较大。故平均压力最大值出现在3 000 r/min，5 000 r/min次之，1 500 r/min最小。

图2 缸内平均温度的变化

图3 缸内平均压力的变化

4.2 缸内速度场分析

进气门关闭后，气缸内为一封闭的腔体，与外界无质量交换。进气门关闭时缸内流场的状态基本决定了压缩过程中缸内气体的分布。

图4为三种转速下的速度场分布情况。从图4中可以看出，转速对缸内流动和燃烧的扰动较大。转速增加，活塞平均速度增加，进气扰动和压缩扰动也成比例增加，因此，火焰传播速度几乎随转速增加而增加。在急燃期内（363℃A～370℃A），转速越高，缸内流动加剧，使缸内的混合强度更高，燃烧时湍流燃烧程度加强，反应面积增加，反应速度加快，可使发动机后续燃烧更为充分。随着燃烧的进行，火焰前锋面发展到气缸底部，气缸底部和燃烧室内的燃油开始燃烧。故440℃A处，燃烧室内的湍流速度较之缸内的其它区域都要大，特别是在5 000 r/min工况下气体的速度最高可达到50 m/s。

图4 缸内速度场变化情况

4.3 缸内浓度分析

图5为着火后缸内混合气当量比的变化规律。混合气着火初期(361℃A～363℃A)，缸内混合气当量比较大，有利于形成火焰中心并向前传播；随着燃烧的进行，当量比逐渐减少，火焰传播速度降低。转速越高，缸内混合气当量比越小。由于5 000 r/min转速较高，缸内的压力梯度大，可能会造成局部混合气过稀而引起发动机失火。

4.4 缸内未燃甲醇和碳烟浓度分析

未燃甲醇是甲醇燃烧的主要污染源之一。图6给出了排气门开启时刻缸内燃油的质量分数。燃烧结束后，随着活塞下行，缸内温度降低，残留在燃烧室狭缝中的未燃甲醇使得排放物中甲醇的质量分数较高。三种工况下，未燃甲醇均主要集中在气缸中心距气缸盖底部较远处和燃烧室等火焰前锋面最迟发展到的地方，由于燃烧不充分而造成了局部区域的甲醇未能充分燃烧。转速较低时，由于燃烧持续期较长，甲醇燃料有充分的时间进行低温化学反应，使得甲醇燃料反应充分，排放较低。3 000 r/min和5 000 r/min工况下未燃甲醇的质量分数接近。

图7给出了排气门开启时刻缸内碳烟的质量分数。甲醇燃烧碳烟生成对转速的变化较敏感。转速越低，越容易形成碳烟。但在三种转速工况下产生的碳烟的质量分数很低，平均值小于1×10-9。这是由于转速较高，进气充量较大，进入缸内的氧气的质量分数较大（富氧环境不利于碳烟的形成），在缸内温度接近的前提下，不利于碳烟的形成。相对于纯柴油燃烧来说，碳烟的排放得到了很大程度的降低。

图5 缸内当量比变化情况

图6 排气门开启时刻缸内未燃燃油质量分数

图7 排气门打开时刻缸内碳烟的质量分数

5 结束语

通过对HCCI甲醇发动机燃烧过程的模拟计算，获得了不同转速下缸内总体量、速度场、燃油浓度场和尾气（未燃甲醇和碳烟）的变化规律，得到了HCCI甲醇发动机燃烧和主要排放物生成的相关结论，归纳如下：

（1）不同转速下缸内总体量的变化趋势相同，缸内温度和压力对转速变化不敏感。

（2）三种转速下，缸内速度场变化趋势相似。转速对缸内流动和燃烧扰动较大，随发动机转速的增加，气体湍流速度加快，燃烧迅速。

（3）混合气着火初期，缸内混合气当量比较大，有利于形成火焰中心并向前传播；随着燃烧的进行，当量比逐渐减少；转速越高，缸内混合气当量比越小，不利于火焰的传播。

（4）在排气门开启时刻，残留在燃烧室狭缝中的未燃甲醇使得排放物中甲醇的质量分数较高。甲醇燃烧对转速的变化较敏感。转速越低，未燃甲醇进行低温化学反应的时间越长，使得甲醇燃料反应充分。转速越低，越易于碳烟的形成，但总体上甲醇燃烧的碳烟排放都很低，故甲醇可以作为一种清洁能源。

1苏万华，赵华，王建昕等.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术[M].北京：科学出版社，2010.

2陈韬，何邦全，谢辉等.HCCI甲醇发动机的燃烧与排放特性[J].燃烧科学与技术.2007，13（2）：177-182.

3张青妍，乔信起，张华等.甲醇重整气发动机HCCI燃烧的数值模拟[J].上海交通大学学报. 2007，41（12）：19-25.

4魏志鹏，谢辉，何邦全等.甲醇/乙醇/汽油HCCI燃烧和排放特性对比[J].内燃机学报. 2007，25（3）：224-228.

5 Oakley A,Zhao H,LadommatosN,etal.Dilution Effectson the Controlled Auto-Ignition(CAI) Combustion ofHydrocarbon and Alcohol Fuels[C]. SAE 2001-01-3606.

6 Najt P M,Foster D E.Compression-ignited HomogeneousCharge Combustion[C].SAE 830264.

7回凤娜，梁桂华，徐莉.HCCI条件下柴油机缸外喷射及燃烧的数值模拟[J].大连海事大学学报. 2008，34（z1）.

Three DimensionalNumericalSimulation of theCombustion Process in the HCCIEngine Fueled with Methanol

LiCheng,Zhou Changqi,Xu Weikang,Liu Yuan
（WuHan University of Technology,Wuhan 430070,China）

The combustion process in the HCCImethanol engine at 1500,3000 and 5000 r/min is simulated based on the AVL-FIRE tool.The results show that the velocity and concentration fields of mixture are similar at threeworking conditions.The larger the engine speed is,the faster the velocity of the flame forward is,while the lower the equivalence ratio of themixture in cylinder is.The stimulation results also show that theamountofunburnedmethanol is high,while PM isevery low.The stimulation results can be regarded as a kind of reference base for improving combustion and emission reduction in the HCCI methanolengine.

combustion,numerical simulation,methanol,HCCI

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.04.001

来稿日期：2010-07-08

李程（1985-），男，硕士，主要研究方向为发动机工作过程数值模拟。