环境问题日益严重，迫使人们必须提高燃料效率和减少排放，这一需求激发了人们对传统点燃式及压燃式发动机的替代产品的研究兴趣。虽然采用均质充量压缩燃烧（homogeneous charge compression ignition，简称 HCCI）技术的发动机是一个可行的解决方案，然而尚存在例如点火时间难以控制等诸多难题，使得这项技术仍然面临着巨大的挑战。借助 COMSOL Multiphysics® 一类的仿真工具，您便可以分析 HCCI 发动机的燃烧过程，获取相关的有利信息，并最终发现改进点火控制技术的突破口。
设计面向未来的环境友好型发动机
多年以来，无论是在陆地上穿行的汽车、火车，还是遨游海洋和天空的飞机与船舶，我们依赖的绝大多数运输技术都离不开传统的点燃式与压燃式发动机提供的动力。但是随着运输和其他发动机技术应用领域的逐渐发展，人们将更多的注意力放在了降低排放和提高燃料的发动机效率上。这一转变不仅推动了传统发动机的优化，也激发了人们对能满足环境需求的替代型发动机的研究兴趣。其中一个建议方案便是 HCCI 发动机。
汽车 HCCI 发动机测试。图片由 Combustion Research Facility 拍摄。已获 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
HCCI 指一种通过压缩均匀分布的燃料与氧化剂混合物使之自动点燃的内燃方式。与传统的发动机相比，HCCI 发动机的工作温度较低，整个燃烧室内的气体可同时燃烧。受益于燃烧过程均匀且温度相对较低的优势，HCCI 发动机排放的氮氧化物相对更少，产生的尾气也更加清洁。从这个意义上讲，HCCI 发动机集合了两类传统发动机各自的优势——既像汽油发动机一样低排放，又有具备柴油发动机的高效。
虽然 HCCI 技术展现出了广阔的前景，但仍然需要克服一些关键的挑战——其中之一就是点火时间。传统发动机可以通过发动机控制模块轻易地改变燃烧时刻。然而 HCCI 采用无焰燃烧，这使得控制燃烧过程变得十分困难。
使用 COMSOL Multiphysics 来模拟 HCCI 发动机的燃烧过程，您便可以更好地理解它的点火特性，从而找出优化控制的方法。下面让我们来看一看描述这项应用的教学模型，该模型对点火趋势和初始压力、初始温度及燃料添加剂间的函数关系进行了分析。
借助 COMSOL Multiphysics® 分析甲烷 HCCI 过程
在研究燃烧过程之前，先让我对 HCCI 所需的均质混合气进行说明。传统的柴油燃料很难形成均质混合气（在空气中为微小液滴），但是天然气燃料（全气相）能够在气缸中迅速达到均匀状态。因此天然气燃料成为了 HCCI 的一个可行的选择。
基于这一设想，我们选择了甲烷燃烧作为示例。在这个案例中，甲烷燃烧发生在低浓度条件下，这意味着模型中使用了过量的氧化剂。为了描述这一机理的反应动力学和热力学，我们使用了 GRI-3.0 机理，并应用了包含 53 种组分和 325 个基元反应的反应机理。将各自的数据文件导入到 COMSOL Multiphysics 的反应工程 接口中，我们就能更加方便地设置问题并获取必要的数据。
案例模型本身由一个燃烧气缸构成，气缸包含一个体积大小可变的完美混合间歇反应系统。您可以在反应工程 接口中应用这种预定义的反应器类型。下图展示了发动机气缸的几何结构及其设计的关键几何参数，其中 D 表示气缸孔，Lc 表示连杆，La 表示曲臂，α 表示曲柄角。
燃烧气缸及各自的几何参数。在此案例中，D 为 13 cm，Lc 为 26.93 cm，La 为 8 cm。请注意，发动机转速为 1500 rpm。
当对气缸容积与曲柄角的函数关系进行计算时，活塞最初位于下止点，此时曲柄角为 -180°。因此活塞到达上止点时对应的曲柄角应定义为 0。
绘图显示了气缸容积（燃烧室）与曲柄角的函数关系。
模拟 HCCI 发动机的压缩与点火
我们首先来分析当对甲烷与空气的混合气进行压缩与点火时，气缸压力随时间的变化情况。活塞从下止点出发，在 0.02 秒后最终到达上止点。在气缸初始温度为 400 K 的条件下，甲烷无法点燃，这与 Ref. 1 的结果一致。另外我们观察到随着初始温度的升高，感应延时（可通过压力梯度计算出延迟时间）在不断缩短。
对混合物进行压缩和点火时，气缸压力随时间的变化情况。
在下图中，我们可以观察到当初始压力从 1 x 105 Pa 增加到 3 X 105 Pa 时的压力分布情况。在这里，初始温度被设为 500 K。随着初始压力的增加，燃料与空气混合物中的产物组分浓度也随之增大。这一结果与点火后的预期情况相符。
绘图显示了不同初始压力下的压力分布情况。
既然已经较详细地了解了 HCCI 的点火特性，接下来让我们一起将注意力转向控制点火的难题。针对这一问题，人们认为点火的最佳时刻是活塞到达上止点处（Ref. 2）。上图中的仿真结果表明混合气体的入口温度是一个可用于调节点火时间的参数。但是这种方法存在一个问题：恰当的点火时间通常要求入口温度相对较高。这样的高温可能会降低在燃烧室内滞留的混合气体质量与容积效率，进而降低发动机的性能。
我们还有另一种方式可以选择：通过向燃料和空气的混合物中加入少量添加剂来促进点火过程（Ref. 3）。即使在温度较低的情况下，添加剂也能够通过化学方式激活反应混合物。当初始温度为 400 K 时，纯甲烷燃料无法自行点燃；但加入少量甲醛（CH2O）后，就能极大地促进点燃过程。
仿真结果显示了少量的甲醛添加剂是如何促进点燃过程的。
在加入甲醛的情况下，我们可以清楚地观察到混合物的反应活性增强了。但是该如何解释这一现象呢？这是因为添加剂的存在开启了新的化学反应路径，从而促进了羟基自由基的形成，即 CH2O 与 O2 反应生成 H2O2，随后分解为活性 OH 自由基。这些自由基与燃料分子发生了剧烈的反应，从而触发了点火。
下图显示了选定组分的摩尔分数与曲柄角的函数关系。在第一种情况中，反应混合物包含 0.13% 的甲醛，而第二种情况仅仅模拟了纯甲烷的反应。我们对两种情况进行了调整，使点火发生于上止点附近，并以其为参考点对二者的组分浓度进行对比。通过比较两组结果，我们不难发现 CH2O 有助于 HO2 和 H2O2 的生成，这一过程会反过来促进生成 OH 自由基，而 OH 自由基正是加速燃料点火的关键因素。
添加了甲醛的选定组分摩尔分数图（左图）与未添加甲醛的纯甲烷选定组分摩尔分数图（右图）。
借助仿真改进 HCCI 发动机的设计
HCCI 技术已存在多年，如今随着人们越来越重视发动机设计的燃料效率和低排放，这项技术引起了人们强烈的研究兴趣。我们在文中演示的模型充分表明，仿真是一件功能强大的工具，它能协助人们深入理解 HCCI 发动机的燃烧过程，进而优化点火正时控制技术。这些进展成果进一步让面向未来的环境友好型发动机成为了可能。
更多有关模拟燃烧的资源
- 下载教学模型：甲烷压缩点火
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参考文献
- S.B. Fiveland and D.N. Assanis, “A four-stroke homogeneous charge compression ignition engine simulation for combustion and performance studies,” SAE Paper 2000-01-0332, 2000.
- D.L. Flowers, S.M. Aceves, C.K. Westbrook, J.R. Smith, and R.W. Dibble, “Detailed Chemical Kinetic Simulation of Natural Gas HCCI Combustion: Gas Composition Effects 11 | HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION OF METHANE and Investigation of Control Strategies,” J. Eng. Gas Turbine Power, vol. 123, no. 2, pp. 433–439, 2001.
- M.H. Morsy, “Ignition control of methane fueled homogeneous charge compression ignition engines using additives,” Fuel, vol. 86, no. 4, pp. 533–540, 2007.
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