點火時刻對甲醇發(fā)動機燃燒影響

袁泉

摘 要：當(dāng)今環(huán)境污染越來越嚴重，國家對汽車尾氣排放污染物制定了嚴格的法規(guī)限制汽車尾氣的排放，尋求一種清潔持續(xù)發(fā)展的替代燃料是世界各國面臨的重大問題。甲醇作為一種清潔可持續(xù)發(fā)展的替代燃料越來越被各國所重視，研究甲醇發(fā)動機燃燒及排放已經(jīng)成為當(dāng)今的熱門課題。文章基于一臺經(jīng)柴油機改裝的缸內(nèi)直噴點燃式發(fā)動機研究了不同點火時刻對甲醇發(fā)動機燃燒影響。研究表明：提前點火時刻能夠改善甲醇發(fā)動機燃燒。

關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動機；燃燒；污染物排放；替代燃料

中圖分類號：U464 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0181-02

1 概述

2016年國家環(huán)保部和國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》全面加嚴了輕型汽車尾氣排放測試要求，對排放污染物限值也更加嚴格[1]，同時提出了對PM及PN的排放限值要求。國家對汽車污染物排放的苛刻要求給傳統(tǒng)汽車企業(yè)帶來了巨大壓力，因此尋求一種清潔可持續(xù)發(fā)展的替代燃料迫在眉睫。相對國五階段排放法規(guī)，國六階段排放法規(guī)對汽車尾氣污染物的排放限制更加嚴格，同時對排放試驗的循環(huán)工況也更加復(fù)雜，采用了更為復(fù)雜的世界工況法的WLTC循環(huán)[2]。傳統(tǒng)燃料發(fā)動機要實現(xiàn)國六排放法規(guī)將會面臨巨大的挑戰(zhàn)，為了實現(xiàn)PM和PN的排放排放目標必須在汽油機上安裝GPF（汽油機顆粒捕集器）將增加汽車經(jīng)濟負擔(dān)；開發(fā)新型催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)對國六法規(guī)也將給汽車企業(yè)帶來沉重經(jīng)濟負擔(dān)。甲醇是一種含氧燃料在燃燒過程中不會產(chǎn)生PM和PN，這將使得在不安裝GPF的前提下甲醇汽車能夠?qū)崿F(xiàn)國六法規(guī)對PM和PN排放限制的要求；同時甲醇發(fā)動機也具有較低的CO和HC排放[3-4]，可以比較容易實現(xiàn)國六排放法規(guī)對氣體污染物的排放要求。針對甲醇發(fā)動機的優(yōu)勢國內(nèi)外許多專家學(xué)者對甲醇發(fā)動機的燃燒及排放進行了系統(tǒng)研究。天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室姚春德教授對甲醇發(fā)動機燃燒及排放進行了系統(tǒng)研究，研究表明甲醇燃料可以在稍微改動的汽油機上實現(xiàn)超低排放[5]。雖然甲醇發(fā)動機具有眾多優(yōu)點，然而甲醇燃燒時發(fā)動機尾氣含氧中卻有較高的醇醛等非法規(guī)排放，造成新的環(huán)境污染，其中甲醛對人體健康傷害尤為嚴重，日本和歐美等眾多國家已經(jīng)將一些醛類物質(zhì)列入重點污染物名單[6]。針對甲醇發(fā)動機所特有的非法規(guī)排放國內(nèi)外經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者的研究取得了比較理想的成績[7]。經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者的共同努力，甲醇發(fā)動機終于取得了比較理想的成績，尤其是吉利汽車推出了純甲醇燃料汽車轟動世界。因此我們更加堅信甲醇燃料將會是一種有前途的替代燃料，研究甲醇發(fā)動機的意義也十分重要。

本文主要是在一臺經(jīng)柴油機改裝的缸內(nèi)直噴點燃式甲醇發(fā)動機上運用商業(yè)三維仿真軟件AVL-FIRE研究了點火時刻對缸內(nèi)直噴點燃式燃燒的影響。

2 計算模型

本文研究對象為一臺缸徑為130mm，排量為1.99L壓縮比14，7噴孔的單缸柴油機改裝的缸內(nèi)直噴點燃式甲醇發(fā)動機。計算使用AVL-FIRE軟件進行三維瞬態(tài)計算，針對噴霧過程，破碎模型采用Huh/Gosman模型，碰壁模型采用Walljet模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型；湍流模型采用k-zeta-f模型；點火模型采用Spherical模型；燃燒模型采用General gas phase reactions用戶自定義物質(zhì)成分和反應(yīng)機理及考慮燃燒過程的影響模型。

使用三維瞬態(tài)計算首先必須對發(fā)動機模型進行動態(tài)網(wǎng)格劃分，發(fā)動機動態(tài)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1。為減少計算工作量，對CFD模型進行了簡化，省略了進氣道和排氣道，仿真計算從進氣門關(guān)閉時刻（560°CA）到排氣門打開時刻（850°CA BTDC）。由于省略了進氣過程，通過AVL-BOOST軟件對缸內(nèi)氣流運動渦流比進行模擬計算，然后將模擬計算值對進氣門關(guān)閉時刻缸內(nèi)氣流運動進行初始化賦值。模擬計算動態(tài)網(wǎng)格由軟件自帶的Fame Engine Plus對模型進行動網(wǎng)格劃分。從動態(tài)網(wǎng)格圖中可以看出，所畫的動態(tài)網(wǎng)格質(zhì)量較為滿意，全部是質(zhì)量較好的網(wǎng)格，沒有出現(xiàn)影響計算結(jié)果的負網(wǎng)格，因此夠很好的保證模擬計算結(jié)果準確性和精度。

為確保模擬計算準確度，本文采用試驗所采集缸內(nèi)壓力曲線與模擬計算的缸內(nèi)進行對比分析，缸內(nèi)壓力對比分析結(jié)果如圖2所示。從圖中可以得知仿真計算所得數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)吻合較好誤差在5%以內(nèi)，完全滿足計算所需精度要求。

3 計算結(jié)果分析

本文主要研究穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1600r/min，過量空氣系數(shù)λ=2.0，噴油時刻為45°CA BTD，不同點火時刻（點火時刻分別為8°CA BTD、11°CA BTD、14°CA BTD、17°CA BTD、20°CA BTD）對甲醇發(fā)動機燃燒影響。

不同點火時刻對缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒溫度、放熱率影響如圖3-5所示。

從圖3可知，當(dāng)點火時刻為20°CA BTDC時缸內(nèi)最高燃燒壓力最大，且整體趨勢是推遲點火時刻缸內(nèi)最高燃燒壓力逐漸下降；當(dāng)點火時刻由20°CA BTDC推遲到14°CA BTDC過程中缸內(nèi)最高燃燒壓力下降不明顯；當(dāng)點火時刻由14°CA BTDC推遲到8°CA BTDC過程缸內(nèi)最高燃燒壓力顯著下降。分析其原因是當(dāng)點火時刻為20°CA BTDC時，有足夠時間使得火焰核心得到充分發(fā)展，有利于火焰的傳播及缸內(nèi)混合氣的燃燒，缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量較好，缸內(nèi)最高燃燒壓力較大。當(dāng)點火時刻在14°CA BTDC之前尚有充足時間發(fā)展火焰核心，因此缸內(nèi)火焰核心能夠得到較好的發(fā)展缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量仍然較好，缸內(nèi)最高燃燒壓力下降不明顯。當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后沒有充足時間發(fā)展火焰核心，導(dǎo)致火焰核心還沒充分發(fā)展好就進入了膨脹期，嚴重影響了火焰?zhèn)鞑亩鴮?dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量急劇變差，從而使得缸內(nèi)最高燃燒壓力顯著下降。從圖4可知，當(dāng)點火時刻為20°CA BTDC時缸內(nèi)最高燃燒溫度最大，推遲點火時刻缸內(nèi)最高燃燒溫度整體趨勢是逐漸減?。划?dāng)點火時刻由20°CA BTDC推遲到14°CA BTDC過程中缸內(nèi)最高燃燒溫度下降不明顯；當(dāng)點火時刻由14°CA BTDC推遲到8°CA BTDC過程缸內(nèi)最高燃燒壓力顯著下降。分析原因是推遲點火不利于火焰核心形成及火焰?zhèn)鞑?dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量變差，缸內(nèi)最高燃燒溫度下降；當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后沒有足夠時間進行火焰核心發(fā)展，從而導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒惡化，最高燃燒溫度顯著下降。從圖5可知，當(dāng)點火時刻為20°CA BTDC時放熱率峰值最大，推遲點火時刻放熱率峰值整體趨勢是逐漸減??；當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后放熱率峰值顯著下降。分析原因是推遲點火不利于火焰核心形成及火焰?zhèn)鞑?dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量變差，放熱率峰值下降；當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后沒有足夠時間進行火焰核心發(fā)展，從而導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣燃燒惡化，放熱率峰值顯著下降。

4 結(jié)論

（1）推遲點火時刻不利于缸內(nèi)混合氣燃燒，使得缸內(nèi)最高燃燒壓力逐漸下降，當(dāng)點火時刻在14°CA BTDC之前推遲點火時刻對缸內(nèi)最高燃燒壓力影響不明顯，當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后缸內(nèi)最高燃燒壓力急劇下降。

（2）推遲點火時刻不利于缸內(nèi)混合氣燃燒，使得缸內(nèi)最高燃燒壓力逐漸下降，當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后推遲點火時刻對缸內(nèi)最高燃燒溫度影響不明顯，當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后缸內(nèi)最高燃燒溫度急劇下降。

（3）推遲點火時刻不利于缸內(nèi)混合氣燃燒，使得放熱率峰值逐漸下降，當(dāng)點火時刻在14°CA BTDC之前推遲點火時刻對放熱率峰值影響不明顯，當(dāng)點火時刻推遲到14°CA BTDC以后放熱率峰值急劇下降。

參考文獻：

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