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光学发动机反应活性控制压燃的燃烧动力学数值分析
1 简介
未来的内燃机必须具有高效率，允许使用可再生燃料，且能实现超低污染排放[1.2]。由于压缩点火发动机（CI）有能力承受更高的压缩比以及具有稀薄工况，通常比火花点火发动机（SI）具有更高的效率；然而，在传统的混合控制模式下，这些发动机在相对保持高于火花点火发动机热效率的优势下，很难达到氮氧化物与碳烟排放标准[3]。因此，大量研究者研究了可以大致表征为预混压燃（PCI）的先进燃烧策略[4-7]。这些策略通常涉及到高水平的燃烧预混合，以避免氮氧化物和碳烟的形成。在实验室中，许多燃烧策略已被提出，且被证实具有高效率和超低氮氧化物和碳烟排放[1]。例如，均质充量压燃（HCCI）被认为是一种理想的燃烧策略，其特点是采用稀薄混合气，低燃烧温度，等容燃烧。均质充量压燃避免了氮氧化物和碳烟的形成，同时能保持较高的燃油经济性[4]。然而，燃烧相位控制和持续时间控制使其在实际应用中存在困难，因此大多数均质充量压燃仅限于低负荷情况下进行。
为了解决均质充量压燃的控制难题，Kokjohn等人[9,10]提出了具有不同缸内自动着火特性的两种燃料的混合燃烧模式。他们把这种燃烧模式称为反应性控制压燃（RCCI）燃烧。在RCCI模式下，通过两种燃料的质量分数来控制燃烧相位，通过燃料反应活性的空间分层来控制燃烧持续时间。大量研究者研究了RCCI燃烧并证实了其实现预混合压燃和超低氮氧化物和碳烟排放的可能性[5，6，11]。例如，金属材料发动机实验表明指示效率大于50%的RCCI发动机可以达到美国2010年发布的排放指标（氮氧化物和碳烟排放）[6，11]。最近，通过有效能分析可以阐明RCCI燃烧具有较高热效率的原因。研究发现，热效率的提高主要是由于燃烧温度较低，减少了传热和排气损失带来的有效能损失。
为了深入了解燃烧的基本特性，光学诊断技术提供了一种有效的方式，通过这种方式可以直接分析发动机的喷雾，燃烧，火焰与湍流的相互影响和废气形成过程，揭示其内在物理和化学机制，为数值模型的发展做出了贡献[3，12-16]。Kokjohn等人[8]将光学诊断与动力学模型相结合来识别控制可视化RCCI发动机点火和反应区发展的因素。他们揭示了燃料的PRF（标准模型燃料）数在RCCI发动机燃烧点火中的主要作用。后来，通过运用多种激光诊断技术，Tang等人[14，17]运用甲醛（CH2O）和羟基（OH）自由基平面激光诱导荧光（PLIF）成像技术评估了混合气分层对RCCI燃烧过程的影响。结果表明，更强的分层状态导致分阶段燃烧过程中放热率降低。
然而，光学发动机只能观察到一部分特定的组分，因此难以完全明确发动机的燃烧细节。可以进行无量纲（0-D）灵敏度分析和产率分析以便深入了解反应途径；但这些分析通常只适用于均匀反应的情况，这与复杂的发动机喷雾燃烧环境有很大不同[18-21]。然而，三维（3-D）计算流体动力学（CFD）模拟可以用来确定所有组分的浓度[22-24]。为了更加深入了解燃烧反应细节，目前可将CFD模型与缸内反应路径分析相结合，来研究发动机在RCCI燃烧模式下运行的主要燃烧特性。研究结果将促进我们对控制RCCI燃烧的主要反应路径的理解，并加深我们对整体燃烧特性的认识。
2 实验数据
2.1 EGN中无燃烧喷雾正庚烷
在进行发动机燃烧建模研究之前，我们利用从发动机燃烧网络中心（EGN）[25]中得到的正庚烷喷雾实验数据来校准喷射模型。冷态喷雾的实验在108mmtimes;108mm的等容室中进行，其平均温度与压力分别为967K和43.3bar。初始气体为氮气（N2，体积分数89.17%），二氧化碳（CO2，体积分数6.52%），和水（H2O，体积分数3.77%），以抑制燃烧。喷射参数如表一所示。采集实验中的液态与气态贯穿距离来进行喷雾校准。
2.2 桑迪亚RCCI燃烧
2.2.1 发动机规格
本文分析的RCCI燃烧实验是由Kokjohn等人[8，26]在一台单缸光学发动机（康明斯N14压缩点火柴油发动机）上完成的。图一是发动机示意图，表二是发动机各项参数。用带有熔融石英材料的延长活塞代替原始金属活塞，便于观察燃烧室， 摇杆箱中的两个排气阀中的一个被改装成透视窗口加潜望镜，便于观察挤流区。关于发动机的结构细节可在Kokjohn等人的文献中找到[8]。
2.2.2 运行条件
在实验中，低负载情况下发动机转速控制在1200转每分钟，并保持压力为4.2bar（总平均有效压力）。通过控制电力测功器，达到每10个循环点火一次，来保护视窗。为了实现RCCI燃烧，分别使用正庚烷和异辛烷作为高反应活性燃料和低反应活性燃料。表三列出了喷入燃料的参数。在进气冲程中，异辛烷（41毫克）通过博世汽油直接喷射器（GDI，100bar）在-240°曲柄转角（CA ATDC）时刻喷入，形成了混合较为均匀的充量，正庚烷通过共轨（CR，600bar）分别在-57°CA ATDC和-37°CA ATDC两个时刻喷入。这种喷射策略是在之前的CFD优化研究[9]的基础上发展的。进气压力和温度分别保持在1.1bar和363K，不采用废气再循环，由于该循环属于每个燃烧循环之间的9个机动循环，因此可以认为进气阀关闭时燃烧室内没有残余废气。
3 计算设置
3.1 数值模型
采用CONVERGE[27]软件建立了发动机燃烧的三维CFD模型，采用和重整化群（RNG）k-ε模型对湍流进行计算[28]。喷雾模型采用拉格朗日液滴法和欧拉流体法[29]，喷雾破碎过程的模拟采用开尔文·亥姆霍兹·瑞利·泰勒（KH-RT）液滴破碎模型[30]。采用施密特和拉特兰的非时间计数器（NTC）算法来建立液滴碰撞模型[31]，采用弗洛斯林相关关系法来建立液滴蒸发模型[32]，采用阻力与液滴形状有关的动态阻力模型[33]。此外，在建立湍流模型时考虑了气相湍流的分散相的影响[34]。在Som的论文中可找到关于这些不同子模型的详细论述[35]。在燃烧建模中，结合在CONVERGE中预定义的以正庚烷和异辛烷为代表的燃料的物理特性，运用SAGE详细化学动力学求解器来建立化学反应模型[36]。Wang等人开发的简化PRF燃烧动力学机理[37]被用于模拟燃料燃烧动力学，该机理包含109种成分和543种反应。
3.2 燃烧可视化技术
首先，将每个计算单元的温度、压强、质量、体积和各组分浓度值输入MATLAB中，处理成列格式。然后，在MATLAB中调用CHEMKIN代码，输入三维CFD处理结果。运用简化燃烧机理与CHEMKIN进行瞬时燃烧细节的计算[23，24]。在计算产物生成速率(ROP)时，将每个计算单元看作完美射流搅拌反应器，其有三个主要特征：每种组分的产生与消耗速率，正向与逆向反应速率，每个反应的化学放热量。此外，对于某个特定的组分，可计算出每个计算单元中与组分的消耗与产生有关的代表性反应，分别被称为代表性消耗反应（RDR）与代表性生成反应（RCR）。通过对重要组分（例如正庚烷与异辛烷）的代表性消耗反应与代表性生成反应的可视化分析，可以揭示一些重要的燃烧反应特征，包括燃烧着火与发展过程。
在目前的工作中，通过每个反应中组分的改变量在总生成或消耗过程中的占比来计算某个特定组分的瞬时组分消耗路径（ISDP）。公式为：
，
其中ij表示第j个反应中第i个组分的生成或消耗的标准化速率，ij表示第j个反应中第i个组分的生成或消耗的实际速率，ij表示所有反应中第i个组分的生成或消耗的总速率。通过检测在总放热量中占比最大的反应来确认每个单元中的代表放热反应（RXR），这一反应的发现对火焰结构的阐明具有重大意义。表四总结了此次工作中通过RDR和RXR分析找到的重要反应。
3.3 网格细节
在对正庚烷喷雾建模时，考虑到ISDP计算对计算内存的要求较高，采用八分之一扇形区域网格[26]对缸顶与缸底直径均为108毫米的圆柱体缸体进行可视化发动机燃烧模拟。以一个完整的网格为基准，与扇形网格进行比较，以证明扇形网格的可行性。通过与实测组分分布数据的比较，验证了两种方法的有效性。
CONVERGE采用了一种创新的网格生成方式，称为自适应网格细分（AMR），它可以在流场需要细分时在区域内自动嵌入更细的网格[29]。因此，可以使用一个合适的粗精度的基础网格，有利于节省计算时间。在此次工作中用于建模的是2毫米的基础网格[29]。喷雾校准的网格灵敏度分析采用AMR尺度1至4，最小网格尺寸为1.0毫米到0.125毫米。在AMR过程中考虑了速度场和正庚烷浓度场，在发动机燃烧工况中也考虑了温度场。
4 结果与讨论
4.1 正庚烷喷雾
桑迪亚正庚烷喷雾的数据[25]用来评估模型预测精度以及网格敏感性。测试了从1.0毫米到0.125毫米的不同最小AMR尺寸。在模拟过程中，喷嘴与液体燃料质量分数为95%网格处的轴向距离定义为液态贯穿距，喷嘴与燃料质量分数为0.1%网格处的最大距离定义为蒸汽穿透长距。
图2将实验所得的穿透长度与预测的相比较。可以发现几乎所有的模拟液体穿透长度都较准确。然而，对于蒸汽穿透长度，较粗精度的网格（AMR1）与其他较细精度网格有显著区别。运用AMR量表中低于2的网格时，虽然最小网格尺寸低于0.25毫米的网格中预测值没有显著偏移，但最小网格尺寸为0.5毫米的网格中蒸汽穿透长度的预测值比实验值高很多，这与Senecal等人的实验相符[29]。
图3为预测的混合分布和实测的蒸汽边界。根据前面的讨论，在较大的网格中，喷雾结构向下渗透得更深，锥角更窄，这是由于液滴在喷嘴附近区域的阻力分辨率不足。在AMR精度为3（最小单元尺寸为0.25毫米）时，模拟与实验喷雾结构基本一致。进一步细化网格，使最小尺寸变为0.125毫米，喷雾结构变化不大。因此，所有预测结果均使用最小尺寸为0.25毫米的网格。
4.2 光学发动机研究
4.2.1 燃料混合分布
通过将模拟结果与Kokjohn等人的实验数据进行对比，验证了喷雾和混合模型的有效性[8]。图4为正庚烷喷入过程中实测与预测PRF值的分布。我们使用了扇区和全三维网格进行了模拟，以评估扇区假设对喷雾和混合结果的影响。总的来说，可使用扇区与全网格对喷射过程进行适当的预测。由于扇形网格没有透光槽，其余隙容积比全网格稍高（约为1毫米），但这对混合分布的影响极小。然而，尽管利用现有模型对混合分布形态有良好的预测，但对最小PRF值的预测偏大。这可能是由于实验误差造成的，也可能是由于与喷雾扩散和与壁面的相互作用过程有关的喷雾子模型存在问题，这需要在未来进行更多的改进。
图5比较了-21°CA ATDC后的实验与预测当量比的分布。因为后者没有使用PLIF激光测量装置的狭缝，因此去除了扇形网格结果。总的来说，当量比分布较为准确，由于缸内涡流的存在，下游的混合物被顺时针向下推。在图中-21°到-5°CA ATDC部分结果可看出，充量持续与周围混合物混合导致了较低的当量比，而狭缝区域具有较高的当量比，这表明该区域具有较高的反应活性。
通过以上验证证明现有的喷雾模型可以很好地预测缸内当量比分布，还可以很好地描述混合物反应活性变化。通过比较扇形网格与全网格可知，扇形网格与全网格的混合分布预测结果相似。因此，采用扇形网格对燃烧模型进行进一步研究。
4.2.2 燃烧评价
图6比较了实验与预测的缸内压力与放热曲线。总体上，实验结果与预测一致，均表现出明显的低温放热和随后的高温放热。图7为实验RCCI燃烧化学发光图像，左图为活塞顶部窗口，右图为缸盖窗口（挤流区）。高温燃烧点火首先发生在正庚烷射流的下游区域，既在挤流区，也在活塞碗内的边缘区域发生。自着火后可观察到进一步的区域性着火现象，高温燃烧反应更加剧烈，最终在5°CA ATDC时传播到整个燃烧室，模拟结果已经很好地预测了此过程。然而，在喷雾下游的着火位置可以观察到与实验结果不一致的地方，实验结果显示在下游深处分布更宽，而模拟结果显示的分布更长更薄。这可能是由于高/低反应活性的燃料混合物分布差异造成的。
4.2.3 燃烧动力学可视化
Kokjohn等人的研究发现，比起当量比或温度 ，PRF值分层对RCCI燃烧点火有更大的影响。由于较低的PRF数代表着较高的正庚烷质量分数和较短的点火延迟，因此正庚烷应该是影响系统反应活性的重要因素。本节进行了详细的燃烧动力学分析，以解释高反应活性燃料（正庚烷）对燃烧点火以及随后的燃烧发展的影响。选择以下四个重要的燃烧阶段进行深入的燃烧动力学分析：-18.5°、-16.5°、-5.0°和-1.0°CA ATDC分别对应于初始低温放热（LTHR），快速低温放热，初始高温放热（HTHR）和快速高温放热。
4.2.3.1
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