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乙醇直喷汽油气道喷射模式下双燃料喷雾燃烧过程数值模拟
摘要
在火花点火发动机上，乙醇直喷汽油气道喷射(EDI GPI)是一种更有效和更高效的利用乙醇燃料的新技术。在单燃料和双燃料模式下，对EDI和 GPI发动机建立了多维计算的流体运动学模型。在详细的发动机几何模型中，通过可实现的湍流模型中求解了缸内流场。采用喷雾破碎和蒸发模型模拟了液态和气态燃料的时间和空间的分布。采用部分预混燃烧的模式对燃烧过程进行了建模，并求解了混合物的质量分数和进度变量。采用三维和五维假定的概率密度函数(PDF)表分别模拟了单组分混合物和两组分混合物的湍流-化学相互作用。通过对喷雾模式和气缸内压力的数值和实验结果的比较，验证了模型的正确性。结果表明，由于乙醇喷雾在燃烧前的低温环境中蒸发速率较低，EDI GPI双燃料模式下的燃烧过程为部分预混燃烧。与仅在GPI模式下的燃烧过程相比，在EDI GPI条件下的乙醇燃料的火焰速度越高，压力上升率大，并且当缸内压力达到最大值时，输出功率和热效率较高。在EDI GPI模式下，乙醇较低的绝热火焰温度、部分预混燃烧方式和乙醇直接喷射时较强的冷却效果导致了燃烧温度的降低，从而减少了NO的排放。在这三个因素之中，低绝热火焰温度和部分预混燃烧方式是导致在EDI GPI条件下燃烧温度偏低的主要因素。另一方面，由于乙醇在燃烧前的低温环境中蒸发速率较低，导致CO和HC排放增加，从而导致不完全燃烧。
引言
乙醇是解决能源可持续性问题的一种广泛使用的替代燃料。如表2所示，与汽油燃料相比，乙醇具有较大的汽化潜热、较高的辛烷值、较快的火焰传播速度和较小的化学计量比。然而，在火花点火(SI)发动机中使用可再生燃料仍然是一个挑战。近年来，乙醇直接喷射技术(EDI)是一种可以利用乙醇燃料的优点，避免乙醇燃料劣势的新技术，使乙醇燃料在汽油机上得到更有效、更有效的利用。类似于之前对EDI在汽油机上的应用的相关研究表明。Cohn等人首次提出了汽油机上乙醇燃料双喷射的概念。他们建议将少量乙醇作为抗爆剂直接喷入汽缸，与此同时喷入汽油。这样做可以降低发动机的爆震倾向，因为乙醇燃料的辛烷值较高，并且直接喷射和乙醇的较大潜热能增强了发动机的冷却效果。这些优点使得在SI发动机提高压缩比和使用涡轮增压(发动机小化)技术成为可能，从而提高了热效率。根据这一想法，已经有的关于双喷射模式的研究如下所示。
福特测试了双重喷射的概念，以在“Ecoboost”发动机减轻爆震。其中汽油端口喷射用于启动和中负荷工况，而E85直接喷射只用于高负荷工况，以避免爆震。Zhu等人研究了三种不同的双喷射策略在单缸汽油机上的燃烧特性。所研究的双喷射策略包括：汽油气道喷射(PI) 汽油直接喷射(DI)，汽油气道喷射 E85汽油直接喷射，以及E85汽油气道喷射 汽油直接喷射。Wu等人测试了使用生物燃料双喷射模式，在此模式下汽油是通过汽油气道喷射的，并且乙醇或DMF是通过汽油直接喷射的。对双喷射策略的减震能力和燃烧特性进行了考察。最近，Zhuang和Hong研究了乙醇燃料对乙醇直接喷射加汽油喷油(EDI GPI)发动机降低汽油油耗的杠杆作用。EDI与GPI在轻负荷和高负荷条件下一起工作的模式，为目前市场上提供了一种比E10或E85更有效和灵活的使用乙醇燃料的方法。由于乙醇燃料燃烧速度快，可以提高发动机的热效率，并可根据发动机工况在线改变乙醇/汽油比。
由于EDI GPI在其利用乙醇燃料提高压缩比和热效率方面的巨大潜力而得到了发展。上述实验研究表明，EDI GPI比传统的单燃料喷射系统具有更大的优越性。试验的方法是必要的、可靠的。然而，研究缸内流动的细节是非常有限和费力的，如进气流量的时间和空间的变化、燃料的蒸发和分布以及温度等。另一方面，多维计算流体力学(CFD)模型已被证明是一种有用的工具，它可以利用圆柱内部复杂流动的详细和可视化的信息，这些信息不能在经费需求大的实验中获得。Kasseris和Heywood采用三维CFD模型研究了进气温度对实现充冷量的影响。模拟结果表明，在涡轮增压发动机中，在高温条件下，乙醇燃料的有效充电冷却是可行的。然而，在低温条件下(自然吸气发动机)乙醇燃料的模拟蒸发速率远远低于汽油的蒸发速率，限制了乙醇燃料的冷却效果。对喷雾导向的DI、SI发动机进行了详细的CFD建模，研究了喷雾、混合物的制备和燃烧过程。采用湍流喷雾燃烧方法，对射流燃烧器内的烟尘和NO生成进行了预测。Kokjohn等人采用汽油气道喷射和早期柴油直接喷射对缸内燃料混合控制预混燃料压缩点火的潜力进行了数值研究。采用CFD模型，结合详细的化学反应机理，了解发动机试验结果。然而，将化学与CFD求解器耦合在一起是非常耗时的，而且对于今天的工业应用来说也是不相容的。相反，采用扩展的相干火焰模型(ECFM)来模拟SI或压缩点火发动机的喷雾燃烧和排放过程。
通过对发动机喷雾和燃烧过程的多维CFD建模研究的回顾，在研究具有详细发动机几何模型的双燃料发动机的蒸发喷雾、燃烧和排放形成方面，已经发现了一些罕见的结果。特别是同时对两种燃料的蒸发、混合和火焰传播进行数值模拟具有挑战性和计算成本。本文报道了用无排放模型的双燃料喷雾燃烧模型研究EDI GPI研究引擎的工作。通过将模拟的喷雾形状和缸内压力轨迹与实验测量数据进行比较，验证了模型的正确性，利用数值结果来了解实验结果。
2.实验背景
为了准确预测和再现发动机缸内喷雾和混合气的形成过程，正确确定喷油器的边界和初始条件，包括喷射器的喷射角度、羽流目标和方向、初始速度和质量流量，具有重要的意义。从实验中获得的信息可以用来确定燃料喷雾器的边界和初始条件。这被认为是一种有效和准确的方法。为了验证内燃机喷雾模型的正确性，最常用的方法是在恒定条件下比较模拟和测量的喷雾结构。本研究采用定容燃烧弹乙醇喷雾实验，为EDI喷雾模拟提供了边界条件和初始条件。将乙醇喷雾的实验结果与数值结果进行了比较，验证了燃料喷雾模型的正确性。特别是在实验中测试的6孔EDI喷油器是在EDI GPI研究引擎上使用的，本研究建立了该发动机的数值模型。测量的喷嘴直径为110 um,在350 K环境温度和1 bar环境压力条件下进行了EDI喷雾实验，在发动机试验中，在发动机试验中，在发动机上止点(BTDC)前进行了早期300曲柄角度(CAD)的缸内喷射实验。喷射压力为6 MPa，应用于发动机试验。有关喷雾实验的更多细节见[32]。
图1.喷油器和羽流方向示意图
在悉尼科技大学，该发动机的模型是一个单缸，空气冷却的SI发动机配备EDI GPI双喷射燃料系统。表1列出了EDI GPI引擎的规范。根据发动机条件，EDI GPI双喷射燃料系统提供了以不同的乙醇/汽油比例操作发动机的能力。实验中记录了气缸压力、扭矩、进排气温度、发动机缸盖温度和排放情况。利用这些参数建立了发动机模拟的初始条件和边界条件。
3.喷雾燃烧模型
DI发动机的模拟涉及到许多相互作用的现象，这些现象应该被考虑进去，并且仍然是CFD建模的一项非常具有挑战性的任务。为了模拟EDI GPI发动机的喷雾燃烧过程，该模型应包括描述发动机几何细节的动态网格、气缸内流动、燃油喷射和燃烧的一套数值模型、合适的初始条件和边界条件以及模型验证。本研究采用CFD软件FLUENT进行了数值模拟。采用基于欧拉-拉格朗日方法的离散液滴模型(DDM)对喷雾过程进行了数值模拟。采用对流/扩散控制模型对乙醇和汽油喷雾的蒸发过程进行了建模，并给出了每种燃料的燃烧模型。采用部分预混燃烧概念的ECFM燃烧模型对燃烧过程进行了建模。利用一个假设的概率密度函数 (PDF) 查表来模拟双燃料湍流-化学相互作用。
3.1发动机几何与计算网格
一家当地公司Qubic扫描了气缸盖的几何形状。扫描点间距分辨率为0.2~0.4 mm。如图2（a）所示,几何形状包括带有节流阀、火花塞、运动活塞以及进气和排气阀的进气歧管。所述节流阀板与对应于36%节流阀开口的垂直表面的夹角为32.40°。利用ANSYS前处理工具网格生成动态计算网格。采用平滑、分层和重啮合三种动态网格格式来解决活塞和阀门边界移动的难题。如图2(b)所示,网格主要由四面体网格组成,而移动边界区域则被网格化为六面体网格进行网格变形。
图2.
网眼的一般细胞尺寸为4.00 mm，而阀座区域的细胞尺寸为0.40 mm。该网格包含178887个节点在上止点中心。计算了活塞的位置与曲柄角度、发动机行程和连杆长度的关系。根据凸轮升程曲线划分了进排气阀的运动边界。为了节省计算源，当阀门关闭时，进气歧管或排气歧管的网格被关闭。
网格密度是CFD模拟中的一个重要问题。对于欧拉-拉格朗日方法，一个非常精细的网格是不合适的，因为这将违反拉格朗日液相描述的基本要求。这种描述是基于这样的假设，即单元内的空隙率接近于1。因此，细胞内液滴的体积必须小于细胞体积。为满足这一要求，乙醇和汽油液滴的初始最大尺寸分别为0.3和0.6 mm。喷嘴附近的栅格尺寸直接喷油器为1.50 mm，端口喷油器为4.00 mm。为了实现网格独立，对不同网格尺寸的网格进行了测试，三种测试网格尺寸的结果的缸压力比较如图3所示。如图3所示，没有发现强的网格依赖关系与网格1相比，网格2和网格3的计算时间分别增加了23%和82%。较少的节点将导致质量较差的网格。因此，对于具有178887个节点的网格1，认为可以有效通过较高的计算精度和较低的计算成本来演示该算法。
图3. 网格大小的敏感性
图4. 汽油、异辛烷和乙醇燃料的饱和蒸气压
3.2.喷雾破碎和蒸发
喷雾模型基于一种称为DDM的统计方法。采用了一套子模型，考虑了破碎、燃料蒸发、液滴-气体动量交换、液滴-壁面相互作用等因素的影响。采Rosin-Rammler直径分布法确定喷嘴出口处的初始液滴尺寸。初始EDI液滴的平均直径设为喷油器喷嘴直径0.110 mm(BLOB喷射概念)。随后的液滴破碎过程用波浪模型模拟。波浪模型适用于高韦伯数(韦伯数gt;100)流动，该模型考虑了气液两相的相对速度引起液滴破裂。在本研究中，虽然在低压(0.25 MPa)GPI喷雾中，汽油液滴的初始速度相对较慢，但进气歧管内的空气速度可高达200 m/s，如图所示7(a)。因此，对于GPI和EDI微滴的韦伯数大于100。利用动态阻力模型对液滴-气体动量交换进行建模。
对燃料蒸发过程进行适当的模拟是十分关键的，它直接影响到燃料的燃烧和排放过程。这是因为液滴在燃烧之前必须蒸发。采用对流/扩散控制模型对乙醇和汽油液滴的蒸发过程进行了模拟。扩散效应的控制方程描述为：
其中是蒸气的摩尔通量()，是传质系数(m/s)。是粒子温度下的饱和蒸气压。是物种I的局部体积摩尔分数。是绝对压力，是气体中的局部体温度。在气相物种输运方程中，等式中给出的蒸气通量成为物种I的来源。模型中还考虑了对流流动对液滴表面到本体气相蒸发物质的影响。
从等式（1）上可以看到蒸汽压力是模型中液滴蒸发的驱动力。因此，在模型中为汽油和乙醇燃料提供整个可能的液滴温度范围内的准确蒸气压力值至关重要。在这个模型中，用异辛烷来表示汽油燃料.。表2列出了在300 K温度下乙醇和汽油燃料的物理和化学性质，所有乙醇和汽油燃料的理化性质均取自Yaws手册，但汽油的蒸气压力除外。这是因为汽油的蒸气压力大于异辛烷，因为汽油燃料中含有轻的成分。如图4所示。例如，在30℃时测得的汽油蒸气压为32.00 kPa，而在30℃时，异辛烷的蒸气压为8.32kPa。因此，在模型中使用的汽油的蒸汽压力是使用从所报告的实验数据得出的经验功率定律关系来计算的：
3.3双燃料燃烧
喷雾燃烧的一个基本特点是燃料以液体的形式注入燃烧室。蒸发和扩散过程发生在燃烧之前。到燃烧时，部分燃料已与氧化剂在分子水平混合，但不均匀，并且蒸发和混合仍在发生。结果表明，喷雾燃烧具有非预混燃烧和预混燃烧的特点.。这种燃烧类型称为部分预混燃烧。以往的研究表明，汽油和乙醇蒸气在燃烧室内分布不均匀，燃烧前低温条件下乙醇燃料的蒸发速率低，导致许多液体乙醇液滴不通过火花定时蒸发。因此，EDI GPI发动机的燃烧过程被认为是部分预混燃烧的典型例子。
虽然喷雾燃烧在实际应用中具有重要的意义，但尚未对部分预混火焰进行系统的研究。当代对部分预混湍流燃烧物理的理解主要是基于预混和非预混火焰的知识。为了描述燃烧过程，引入了两个不同类型火焰的参数。由于非预混燃烧火焰的燃烧速度受反应物向反应区的分子扩散控制，因此可以将其简化为混合问题。通过求解平衡方程求出混合分数Z，可以识别火焰特性(火焰位置、燃烧速度、温度等)。为了描述预混燃烧火焰，引入了进度变量c，其中c=0代表新鲜的混合物，c=1代表燃烧的混合物。部分预混燃烧模型通常是预混燃烧模型和非预混燃烧模型的结合。进度变量c决定火焰前沿的位置。在火焰前沿(c=1)后面，燃烧混合物，并使用混合分数Z的溶液。在火焰前沿(c=0)之前，从混合但未燃烧的混合物中计算出物种质量分数、温度和密度。在火焰(0lt;clt;1)内，使用未燃烧和燃烧混合物的线性组合。这种联合方法的预测能力将受到较低精度方法的预测能力的限制，这就是预混湍流燃烧模型。
本文采用部分预混燃烧概念的ECFM燃烧模型对双燃料燃烧过程进行了模拟。ECFM模型基于最小湍流长度尺度(Kolmogorov涡)大于层流火焰厚度的假设。因此，湍流的作用是使层流火焰片起皱作用。然而，内部层流火焰剖面没有扭曲。火焰表面积的增加加速了净燃料消耗和火焰速度。ECFM模型适用于内燃机典型的起皱火焰范围。基于这些假设，可以导出单位体积R(火焰面积密度)净火焰面积的输运表达式：
其中、、和分别是湍流相互作用、火焰膨胀、燃烧气体膨胀和正常传播的源项。是火焰面积的消散。这个方程要求生产和销毁火焰面积密度的关闭项。Veynante格式用于解决
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