日益嚴重的環境問題迫使人們必須提高燃料的燃燒效率和減少排放，這一需求激發了人們對傳統點燃式及壓燃式發動機的替代產品的研究興趣。雖然采用均質充量壓縮燃燒（homogeneous charge compression ignition，簡稱HCCI）技術的發動機是一個可行的解決方案，然而尚存在例如點火時間難以控制等諸多難題，使得這項技術仍然面臨著巨大的挑戰。借助 COMSOL Multiphysics? 一類的仿真工具，您便可以分析 HCCI 發動機的燃燒過程，獲取相關的有利信息，并最終發現改進點火控制技術的突破口。
設計面向未來的環境友好型發動機
多年以來，無論是在陸地上穿行的汽車、火車，還是遨游海洋和天空的飛機與船舶，我們依賴的絕大多數運輸技術都離不開傳統的點燃式與壓燃式發動機提供的動力。但是隨著運輸和其他發動機技術應用領域的逐漸發展，人們將更多的注意力放在了降低排放和提高燃料的發動機效率上。這一轉變不僅推動了傳統發動機的優化，也激發了人們對能滿足環境需求的替代型發動機的研究興趣。其中一個建議方案便是 HCCI 發動機。
汽車 HCCI 發動機測試。
圖片由 Combustion Research Facility 拍攝。已獲 CC BY-SA 3.0 許可，通過Wikimedia Commons 共享。
HCCI指一種通過壓縮均勻分布的燃料與氧化劑混合物使之自動點燃的內燃方式。與傳統的發動機相比，HCCI 發動機的工作溫度較低，整個燃燒室內的氣體可同時燃燒。受益于燃燒過程均勻且溫度相對較低的優勢，HCCI 發動機排放的氮氧化物相對更少，產生的尾氣也更加清潔。從這個意義上講，HCCI 發動機集合了兩類傳統發動機各自的優勢——既像汽油發動機一樣低排放，又有具備柴油發動機的高效。
雖然HCCI技術展現出了廣闊的前景，但仍然需要克服一些關鍵的挑戰——其中之一就是點火時間。傳統發動機可以通過發動機控制模塊輕易地改變燃燒時刻。然而HCCI 采用無焰燃燒，這使得控制燃燒過程變得十分困難。
使用 COMSOL Multiphysics 來模擬 HCCI 發動機的燃燒過程，您便可以更好地理解它的點火特性，從而找出優化控制的方法。下面讓我們來看一看描述這項應用的教學模型，該模型對點火趨勢和初始壓力、初始溫度及燃料添加劑間的函數關系進行了分析。
借助 COMSOL Multiphysics? 分析甲烷HCCI過程
在研究燃燒過程之前，先讓我對 HCCI 所需的均質混合氣進行說明。傳統的柴油燃料很難形成均質混合氣（在空氣中為微小液滴），但是天然氣燃料（全氣相）能夠在氣缸中迅速達到均勻狀態。因此天然氣燃料成為了 HCCI 的一個可行的選擇。
基于這一設想，我們選擇了甲烷燃燒作為示例。在這個案例中，甲烷燃燒發生在低濃度條件下，這意味著模型中使用了過量的氧化劑。為了描述這一機理的反應動力學和熱力學，我們使用了 GRI-3.0 機理，并應用了包含 53 種組分和 325 個基元反應的反應機理。將各自的數據文件導入到 COMSOL Multiphysics 的反應工程 接口中，我們就能更加方便地設置問題并獲取必要的數據。
案例模型本身由一個燃燒氣缸構成，氣缸包含一個體積大小可變的完美混合間歇反應系統。您可以在反應工程 接口中應用這種預定義的反應器類型。下圖展示了發動機氣缸的幾何結構及其設計的關鍵幾何參數，其中 D 表示氣缸孔，Lc 表示連桿，La 表示曲臂，α 表示曲柄角。
燃燒氣缸及各自的幾何參數。在此案例中，D 為 13 cm，Lc 為 26.93 cm，La 為 8 cm。請注意，發動機轉速為1500 rpm。
當對氣缸容積與曲柄角的函數關系進行計算時，活塞最初位于下止點，此時曲柄角為 -180°。因此活塞到達上止點時對應的曲柄角應定義為 0。
繪圖顯示了氣缸容積（燃燒室）與曲柄角的函數關系。
模擬 HCCI 發動機的壓縮與點火
我們首先來分析當對甲烷與空氣的混合氣進行壓縮與點火時，氣缸壓力隨時間的變化情況。活塞從下止點出發，在 0.02 秒后最終到達上止點。在氣缸初始溫度為 400 K 的條件下，甲烷無法點燃，這與 Ref. 1 的結果一致。另外我們觀察到隨著初始溫度的升高，感應延時（可通過壓力梯度計算出延遲時間）在不斷縮短。
對混合物進行壓縮和點火時，氣缸壓力隨時間的變化情況。
在下圖中，我們可以觀察到當初始壓力從 1 x 105 Pa 增加到 3 X 105 Pa 時的壓力分布情況。在這里，初始溫度被設為 500 K。隨著初始壓力的增加，燃料與空氣混合物中的產物組分濃度也隨之增大。這一結果與點火后的預期情況相符。
繪圖顯示了不同初始壓力下的壓力分布情況。
既然已經較詳細地了解了 HCCI 的點火特性，接下來讓我們一起將注意力轉向控制點火的難題。針對這一問題，人們認為點火的最佳時刻是活塞到達上止點處（Ref. 2）。上圖中的仿真結果表明混合氣體的入口溫度是一個可用于調節點火時間的參數。但是這種方法存在一個問題：恰當的點火時間通常要求入口溫度相對較高。這樣的高溫可能會降低在燃燒室內滯留的混合氣體質量與容積效率，進而降低發動機的性能。
我們還有另一種方式可以選擇：通過向燃料和空氣的混合物中加入少量添加劑來促進點火過程（Ref. 3）。即使在溫度較低的情況下，添加劑也能夠通過化學方式激活反應混合物。當初始溫度為 400 K 時，純甲烷燃料無法自行點燃；但加入少量甲醛（CH2O）后，就能極大地促進點燃過程。
仿真結果顯示了少量的甲醛添加劑是如何促進點燃過程的。
在加入甲醛的情況下，我們可以清楚地觀察到混合物的反應活性增強了。但是該如何解釋這一現象呢？這是因為添加劑的存在開啟了新的化學反應路徑，從而促進了羥基自由基的形成，即 CH2O 與 O2 反應生成 H2O2，隨后分解為活性 OH 自由基。這些自由基與燃料分子發生了劇烈的反應，從而觸發了點火。
下圖顯示了選定組分的摩爾分數與曲柄角的函數關系。在第一種情況中，反應混合物包含 0.13% 的甲醛，而第二種情況僅僅模擬了純甲烷的反應。我們對兩種情況進行了調整，使點火發生于上止點附近，并以其為參考點對二者的組分濃度進行對比。通過比較兩組結果，我們不難發現 CH2O 有助于 HO2 和 H2O2 的生成，這一過程會反過來促進生成 OH 自由基，而 OH 自由基正是加速燃料點火的關鍵因素。
添加了甲醛的選定組分摩爾分數圖（左圖）與未添加甲醛的純甲烷選定組分摩爾分數圖（右圖）。
借助仿真改進 HCCI 發動機的設計
HCCI 技術已存在多年，如今隨著人們越來越重視發動機設計的燃料效率和低排放，這項技術引起了人們強烈的研究興趣。我們在文中演示的模型充分表明，仿真是一件功能強大的工具，它能協助人們深入理解 HCCI 發動機的燃燒過程，進而優化點火正時控制技術。這些進展成果進一步讓面向未來的環境友好型發動機成為了可能。
作者：BridgetCunningham
