合作燃料研究发动机爆震燃烧的多维数值模拟
摘要：基于多维计算流体动力学（CFD）开发了一种数值方法，用于预测合作燃料研究（CFR）发动机中的爆震燃烧。采用G方程模型跟踪湍流火焰前锋，并使用多区域模型捕获尾气中的自燃。此外，开发了一种新的方法，其中可以采用从化学动力学机制产生的查找表来提供层流火焰速度作为G方程模型的输入，而不是使用经验相关性。为了准确地考虑燃料化学效应并降低计算成本，使用定向关系图（DRG）辅助灵敏度分析（DRGASA）减少技术，从详细的汽油替代机制开发出紧凑的121种主要参考燃料（PRF）骨架机制. .对于可获得的关于均匀点火延迟和层流火焰速度的文献的实验数据进行了骨架机制的广泛验证。骨架机制用于生成层流火焰速度的查找表，作为压力，温度和当量比的函数。结合骨架机制的数值模型用于在两种不同PRF的研究法辛烷值（RON）和马达法辛烷值（MON）条件下进行模拟。在不同的压缩比（CR）下进行参数测试，并且发现临界CR的预测值，描绘“无敲击”和“爆震”之间的边界，与现有的实验数据非常一致。因此，虚拟CFR发动机模型被证明能够充分捕捉爆震倾向对燃料化学的敏感性。
关键词：CFD，爆震，火花点火，CFR发动机，G方程，降低动力学
一、介绍
仅运输就占每年石油总产量的57％左右[1].减少交通排放对于应对空气污染，气候变化和不断增长的移动需求等挑战至关重要。提高车辆动力系统效率是满足日益严格的CO2 排放法规和增加运输燃料需求的最可行方式。多年来，美国轻型汽车市场一直由汽油火花点火（SI）发动机主导[2].通过在高负荷（增压）下运行来保持扭矩输出，减少发动机排量（减小尺寸）被认为是提高SI发动机的燃料经济性的有效策略，这是由于热效率提高和CO2 排放降低。然而，高负荷也会带来更严重的气缸热力学条件，从而增加爆震等异常燃烧现象的可能性。
在SI发动机中，由于一部分末端气体（未燃烧）混合物过早自燃，在由火花产生的湍流预混火焰消耗之前发生爆震插头[3].这会导致非常快速的热量释放，从而导致压力急剧上升和高压压力波燃烧室。这些压力波动表现为金属叮当声，并可能导致关键发动机部件（例如衬管和活塞）的损坏。由于它禁止使用更先进的火花正时，更高的压缩比（CR）和更高的增压压力，因此爆震燃烧对小型增压SI发动机的性能和效率施加了严格的限制[4].
爆震的发生取决于许多燃料特性（火焰速度，点火延迟，汽化热，较低的热值等）以及主要的发动机运行条件。与SI发动机相关的最重要的燃料参数之一是抗爆性质。辛烷值（ON）是最广泛使用的测量方法，通过该方法可以表征燃料对自燃（抗爆击倾向）的抵抗力[5].较高的ON表示较高的抗爆性。在高度校准的合作燃料研究（CFR）发动机中，在两种不同的发动机条件下测量ON，并且定义为研究法辛烷值（RON）和马达辛烷值（MON）。初级参考燃料（PRF）为两种ON提供了比例，异辛烷分配RON=MON=100和正庚烷定义RON=MON=0.测试燃料的RON（或MON）通过使用测试引入“标准爆震强度”来确定通过调整CFR发动机的一些运行参数，然后找到与测试燃料的爆震行为相匹配的PRF混合物来加油。测试燃料的ON定义为该特定PRF混合物中异辛烷的体积百分比[6,7].
RON和MON测试询问不同的反应条件（在合作燃料研究引擎中讨论过规格和操作条件部分）。通常，实际汽油燃料的RON大于其MON，并且两者之间的差异表示为燃料辛烷值灵敏度（S RON-MON）。另一方面，按照惯例，对于石蜡PRF共混物，实际燃料的S=0，Sgt; 0主要归因于它们与PRF相比显示出明显不太明显的负温度系数行为，这使得它们对自燃的抵抗力较小在MON条件下[2,8,9].此外，最近的研究表明，汽化热燃料也可以提高其辛烷值敏感度[10].
表1合作燃料研究发动机规格[6,7]
行程 114.3mm
缸径 82.55mm
连杆 254mm
压缩比（CR） 变量（4-18）
进气阀打开（IVO） 10CATDC
进气阀关闭（IVC） 34CABDC
排气阀打开（EVO） 40CBBDC
排气阀关闭（EVC） 15CATDC
卡尔加特吉 [11,12]引入辛烷指数OI RON - K * S作为更合适的指标，通过考虑缸内条件来量化燃料的抗爆性能，这些条件随发动机设计和操作条件而变化。这里，K是经验常数，其代表燃烧室中未燃烧混合物的压力 - 温度历史。根据定义，RON条件下的K 0和MON条件下的K 1。Kal-ghatgi [13–15]已经表明，现代的小型增压SI发动机在负K值（即“超过RON”条件）下运行，因此具有较高S的燃料将更耐爆震并且能够实现更高的效率。这促使进一步的研究调查潜在的辛烷值增强剂，可以与汽油混合，以增加RON和S [16,17].
为更好地理解燃料特性和发动机运行条件之间的相互作用对于开发爆震减缓策略和扩展先进SI发动机的高负荷极限是必要的。在这种情况下，多维建模和计算流体动力学（CFD）可以补充发动机实验，并作为一个有价值的工具，提供更多的爆震现象的见解。成功预测爆震需要精确模拟湍流火焰传播以及终端气体自燃。其中一种常用的爆震建模框架采用G方程（也称为“水平集”）燃烧模型[18,19]描述预混湍流火焰前锋的传播，以及充分搅拌反应堆模型[20具有详细/减少的化学动力学机制，以捕获终端气体中的自燃。Tan和Reitz [19]将G方程模型实施到KIVA-3V代码中。通过在火焰前沿之前包括化学动力学计算，该模型进一步扩展用于爆震预测[21–23].最近，Ali等人[24]使用这种混合方法来研究提前点火对直接喷射SI发动机中超爆震可能性的影响。在以前的这些作品中[19,21–24]，燃料层流火焰速度，G方程模型的输入，使用经验相关计算[25,26]，仅适用于简单燃料，例如异辛烷，从而排除了使用这种建模方法研究更复杂的多组分燃料或燃料混合物的情况。
在目前的工作中，实施了一种数值方法预测CFR引擎的爆震。如前所述，CFR发动机实际上与研究燃料对典型RON / MON条件下自燃倾向的影响有关。该模型还可以有效地用于探测与高级SI引擎相关的“超出RON”条件。此外，虚拟CFR发动机模型允许详细研究控制简单发动机几何形状中的爆震的物理和化学机制。对于燃烧建模，结合G方程和多区域的混合方法[27]模型被采用。另外，结合了基于列表层流火焰速度考虑燃料对火焰传播的影响的新方法，从而确保该模型可以应用于任何感兴趣的燃料。对于不同的PRF混合物，数值模型用于预测在RON / MON条件下的临界压缩比（即爆震开始时的CR）。开发了一种新的骨架PRF机制，用于捕获终端气体自燃并生成层流火焰速度表。
本文的其余部分具有以下结构：合作燃料研究发动机规格和操作条件部分描述了CFR引擎规范以及所研究的RON和MON测试条件以及可用的条件实验数据。“建模方法”部分提供了数值设置，燃烧模型和骨架机制的详细信息。随后，讨论了数值模拟的结果。本文在结尾总结了主要研究结果。
合作燃料研究引擎是一种化油器单缸发动机，用于根据标准化协议测量燃料的RON和MON [6,7]。表中分别详细说明了在操作条件1和2中RON / MON测试的CFR发动机规格。RON和MON测试代表两种不同的压力 - 温度轨迹。与RON轨迹相比，MON轨迹在给定压力下具有更高的温度[28,29]。
在目前的工作中，两种PRF混合物PRF60和PRF80的RON / MON测试条件被考虑用于数值研究。对于每种PRF混合物和操作条件，以不同的压缩比进行模拟。目的是准确地捕获从无爆震到爆震的过渡，增加压缩比，并将预测的“爆震开始时的CR”与可用的实验数据进行比较[28].在本工作中模拟的CR扫描以及临界压缩比的实验曲线如图2所示。
1.使用0.5bar的阈值峰值压力波动作为爆震的标准。
二、建模方法
2.1数值设定
商业3D CFD代码，CONVERGE（版本2.3）[30]，用于执行循环的封闭部分的数值模拟，从IVC到EVO。CFR发动机几何结构的计算网格如图1所示。2.通过在保持行程恒定的同时改变活塞在下止点处的位置来改变压缩比。在IVC规定了均匀的混合物和温度分布。对于RON和MON条件，IVC的温度分别规定为380 K和422 K [28].另一方面，对于所有病例，在IVC下规定1巴的恒定压力。选择空燃比为1，因为通常在接近化学计量混合物条件下达到最大爆震强度[29].活塞和气缸盖温度的温度分别为440 K [31–33]，而气缸壁温[34–37]设定为410 K，基于文献中报道的先前实验数据。
CONVERGE使用修改后的切割单元笛卡尔方法在运行时直接生成网格。此外，它还具有包括固定嵌入单元的能力，即相对于基本网格尺寸增加网格分辨率的先验和自适应网格细化，以细化子网格字段最大的区域[30].在该研究中，使用1mm的基础网眼尺寸。在气缸盖，活塞和壁（单元尺寸为0.5 mm）附近指定了一级固定边界嵌入，而采用三级固定球形嵌入（半径为0.5 mm）来解决火花（单元尺寸为0.125 mm）。RON和MON条件的火花正时分别设定为13CBTDC和26CBTDC。两级自适应网格
表2 RON和MON测试条件[6,7]
|
参数 |
RON测试 |
MON测试 |
|
引擎速度 |
600转 |
900转 |
|
进气温度 |
52 ○C |
38 ○C |
|
入口混合物温度 |
不受控制 |
149 ○C |
|
火花时间 |
13度BTDC |
BTDC为19度-26度 |
基于1 m / s和2.5 K的速度和温度子网格尺度分别包括细化。这对于解决传播的湍流火焰前锋至关重要，并且导致最小网格尺寸为0.25 mm。每次模拟的最大细胞数约为5 106 。它已经在之前的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）[38–40]和大涡模拟研究[41,42]最小网格尺寸为0.25-0.5毫米足以模拟正常的SI燃烧和爆震。使用基于RANS的重整化群ke模型对缸内湍流进行建模[43]有墙功能。Han和Reitz提出的模型[44]被用来解释壁面传热。用于模拟的燃烧模型和PRF骨架机制在燃烧模型和主要参考燃料的骨架机制中描述部分。
为了捕获由爆震引起的高频局部压力振荡，在火花正时后，Mach Courant-Friedrichs-Lewy（Mach CFL）数的最大值被设定为1.0。此外，在靠近燃烧室边缘的多个位置设置了几个监测点在实验中使用压力传感器获得压力波动信息，类似于测量信号。它用于量化爆震强度（KI）的玛丽参数。除此之外缸内温度和甲醛（CH2O）[23]分配，这些位置的模拟局部压力被用作于可视化敲击。
图2 CFR发动机的几何形状
2.2燃烧模型
基于湍流预混燃烧的小火焰理论的G-方程模型[18]，用于通过求解非反应标量G的Favre平均均值来跟踪湍流火焰前锋[45]
（1）
其中ST 是湍流火焰速度，rho;u 是未燃烧密度，DT 是湍流扩散项，j是平均火焰前曲率。G方程（也称为水平集）方法假定湍流预混合燃烧发生在任一方面波纹小火焰或薄反应区域。关于方程式RHS的两个术语。(1) 分别归因于曲率对火焰前锋的影响和平均湍流质量燃烧率。参数G表示到火焰前锋的距离。平均火焰前锋位置的G（x，t）0。G lt;0表示该区域未燃烧，Ggt; 0表示该区域已燃烧。在火焰表面之外，标量需要满足：
（2）
此外，以下表达式用于计算RANS环境中的湍流火焰速度[18]
（3）
其中ulsquo; 是湍流速度波动，sL 是层流火焰速度，Da是Damkeuro;ohler数，而a4，b1和b3 是标准模型常数。关于G方程模型的更详细描述可以在参考文献中找到[18]和[30]。
等式中的层流火焰速度。(3) 通常使用经验相关性计算[24–26,40].然而，这些相关性的主要限制是它们仅适用于简单燃料，例如异辛烷，乙醇，甲醇及其混合物。因此，在这
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资料编号：[677]
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