壓縮比對(duì)電熱塞引燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的影響研究

吳繼盛，吳家正，秦超群，劉洪運(yùn)，林易，樊宏彪

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.上海夏雪科技有限公司，上海 200436)

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，為了解決化石能源緊缺和環(huán)境污染問題，尋求清潔可再生能源已成為人們迫切的需求[1]。甲醇作為諸多替代燃料之一，憑借著來源廣泛、用途多樣的特點(diǎn)，在近年來吸引了大量的關(guān)注[2]。甲醇相比于傳統(tǒng)化石燃料有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。比如甲醇辛烷值高，抗爆震性好，可以適當(dāng)加大發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低燃油消耗率，并且甲醇分子汽化潛熱大，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒時(shí)溫度更低，有利于減少熱損失和降低NOx排放[3]。但是甲醇十六烷值低，在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上難以直接壓縮著火，需要其他的輔助手段幫助其著火燃燒[4]。甲醇的高著火濃度下限、低蒸氣壓力、高汽化潛熱都使得以甲醇為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難，容易產(chǎn)生甲醛及未燃甲醇排放[5]。盡管在內(nèi)燃機(jī)上燃用甲醇還存在著諸多問題需解決，但甲醇仍然被認(rèn)為是最具潛力的替代燃料之一。

柴油機(jī)因其高壓縮比的特點(diǎn)，在動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和污染物排放上均優(yōu)于汽油機(jī)，因此將甲醇應(yīng)用在柴油機(jī)上逐漸成為了一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。但是甲醇自燃溫度達(dá)436 ℃，高出柴油燃點(diǎn)200 ℃以上，在柴油機(jī)中難以通過壓燃的方式著火燃燒。為了解決這個(gè)問題，逐漸發(fā)展出了雙燃料燃燒、柴油-甲醇組合燃燒、火花塞或電熱塞助燃燃燒等多種技術(shù)手段。Yao等[6]、Wei等[7]、Soni等[8-9]和Prashant等[10]均對(duì)柴油-甲醇組合燃燒技術(shù)(DMCC)展開了研究，結(jié)果均表明在燃燒污染物排放及缸內(nèi)燃燒特性方面，DMCC模式相較于傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有著明顯優(yōu)勢(shì)，DMCC模式下可以同時(shí)減少柴油機(jī)炭煙和NOx排放，并且也避免了低負(fù)荷下燃用醇類燃料的高醛類污染物排放的問題。

柴油-甲醇組合燃燒技術(shù)突破了甲醇稀混合氣在柴油機(jī)上難以直接壓燃的技術(shù)障礙，但是在中低負(fù)荷下主要燃料仍然是柴油，只能實(shí)現(xiàn)甲醇對(duì)柴油的部分替代。為了實(shí)現(xiàn)甲醇對(duì)柴油的完全替代，在柴油機(jī)上加裝電熱塞或采用火花塞輔助甲醇點(diǎn)火成為了一個(gè)重要手段。Gong等[11-12]和Li等[13-14]針對(duì)火花甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)的難點(diǎn)展開了研究。結(jié)果表明，進(jìn)氣預(yù)熱和甲醇燃料預(yù)熱都不能保證甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)過程中的可靠燃燒，但電阻絲和電熱塞都能做到。

與火花塞助燃法相比，電熱塞助燃法可以改善柴油機(jī)冷起動(dòng)性能，也是輔助高自燃溫度燃料在柴油機(jī)中著火燃燒的常用手段之一。早在20世紀(jì)80年代，電熱塞助燃柴油機(jī)上燃用甲醇的研究便已展開，而早期的一些研究[15-17]均表明電熱塞有助于解決甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火難的問題。Agama等[18]選擇用鉑涂層電火花塞催化燃燒柴油機(jī)中的甲醇，與標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼電熱塞相比，催化電熱塞始終將穩(wěn)定燃燒所需的電熱塞溫度降低約 300 ℃。Kusaka等[19]研究了燃燒室形狀和電熱塞溫度對(duì)電熱塞壓燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)著火燃燒的影響。結(jié)果表明，優(yōu)化后的燃燒室可使電熱塞附近甲醇濃度升高，能大幅降低未燃甲醇的產(chǎn)生，為保證不失火，電熱塞溫度必須保持在 900 ℃以上。Manente等[20]通過化學(xué)發(fā)光成像技術(shù)研究了電熱塞助燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，電熱塞輔助燃燒是一種自燃擴(kuò)散燃燒，氧化過程的均勻性隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加。雖然加裝電熱塞存在增加發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度、電熱塞本身材質(zhì)壽命及耗電問題等，但仍不失為解決柴油機(jī)冷起動(dòng)問題的最優(yōu)選方案。

甲醇辛烷值高，抗爆震性好，在將柴油機(jī)改裝成甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可以適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比來獲得更佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)與原柴油機(jī)相比，CO,HC和NOx污染物排放也可以得到改善[21]。 但是過度提高壓縮比會(huì)增大缸內(nèi)爆震的可能[3]，續(xù)晗等[22]進(jìn)一步揭示了這種烈性爆震現(xiàn)象，認(rèn)為存在爆燃轉(zhuǎn)爆轟和直接起爆這兩種方式導(dǎo)致了爆轟波的形成。目前針對(duì)高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的研究多集中于由汽油機(jī)改裝而成的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，而缺少對(duì)高壓縮比直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。由于通過數(shù)值模擬研究缸內(nèi)爆震過程對(duì)計(jì)算資源要求非常高，因此,本研究內(nèi)容未涉及到缸內(nèi)爆震的相關(guān)分析。除此之外，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)中非常規(guī)污染物問題也值得關(guān)注，不久前，工信部等八部門發(fā)布的《關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》[23]中便針對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)中甲醇、甲醛排放限值提出了不大于20 mg/(kW·h)的控制標(biāo)準(zhǔn)。目前對(duì)這方面的試驗(yàn)或模擬研究都十分有限，因此本研究利用數(shù)值模擬軟件Converge探索壓縮比對(duì)電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及非常規(guī)排放的影響，對(duì)甲醇燃料在柴油機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用有一定的借鑒作用。

1 模型建立及驗(yàn)證

以一臺(tái)由DH1115單缸柴油機(jī)改造而成的電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，通過CFD模擬軟件Converge耦合甲醇氧化詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理建立了計(jì)算模型[24-26]。表1和表2分別列出了甲醇與傳統(tǒng)燃油理化性質(zhì)對(duì)比以及甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)。模擬用到的主要物理模型和化學(xué)模型包括湍流模型(RNGk-εmodel)[27-28]、噴霧模型(KH-ACT-RT model)[29-31]、燃燒模型(SAGE詳細(xì)化學(xué)求解器)[32]、蒸發(fā)模型(Frossling model)[33]。其中，SAGE詳細(xì)化學(xué)求解器需要耦合化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理來進(jìn)行計(jì)算，本研究參考了由Held等[34]基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的甲醇氧化詳細(xì)機(jī)理，該機(jī)理包含了21種物質(zhì)、89步反應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算并且得到了驗(yàn)證[3,11-12]。

表1 甲醇與傳統(tǒng)燃油理化性質(zhì)對(duì)比

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

為了減少計(jì)算工作量，模擬過程選取從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻142°BTDC開始到排氣門開啟時(shí)刻125°ATDC，因此，模型上不包含進(jìn)氣和排氣過程和結(jié)構(gòu)，模型及噴嘴噴孔分布見圖1。Converge可以自動(dòng)劃分網(wǎng)格，并有網(wǎng)格自適應(yīng)功能，可以在計(jì)算過程中自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密，減小計(jì)算量。基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸設(shè)定為1.6 mm，并對(duì)噴油區(qū)域、電熱塞表面、缸蓋及活塞頂近壁面進(jìn)行了網(wǎng)格加密，計(jì)算過程中平均網(wǎng)格數(shù)約為26萬，最大網(wǎng)格數(shù)超過70萬。表3列出了初始環(huán)境參數(shù)、邊界參數(shù)及噴油參數(shù)設(shè)置，渦流比由Converge基于初始參數(shù)的設(shè)置自動(dòng)模擬得到，甲醇噴孔呈均勻分布。

圖1 燃燒室模型及噴嘴噴孔分布

表3 初始空氣參數(shù)、壁面邊界條件及噴油參數(shù)

參考了太原理工大學(xué)王晉[35]在一臺(tái)DH1115單缸柴油機(jī)上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用了1 400 r/min、負(fù)荷80%工況對(duì)應(yīng)的壓力曲線和放熱率曲線，調(diào)整模擬參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)一致，驗(yàn)證結(jié)果見圖2。從圖2可以看出模擬值與試驗(yàn)值吻合情況良好，可以認(rèn)為本研究建立的計(jì)算模型對(duì)電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放情況的預(yù)測(cè)是可信的。

圖2 壓力及放熱率的試驗(yàn)驗(yàn)證

2 結(jié)果與分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比是固定的，考慮到臺(tái)架試驗(yàn)通過加工擴(kuò)大活塞燃燒室來減小壓縮比更容易實(shí)現(xiàn)，因此以原壓縮比19.5的計(jì)算模型為基礎(chǔ)，選擇擴(kuò)大燃燒室體積，得到了壓縮比分別為16，17，18和19的計(jì)算模型。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1 400 r/min下探究壓縮比對(duì)電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放的影響。

2.1 壓縮比對(duì)甲醇空氣混合情況的影響

圖3示出了壓縮比為16和19時(shí)，甲醇燃油當(dāng)量比分布的變化情況。從圖中可以看出，在曲軸轉(zhuǎn)角為8° BTDC時(shí)，壓縮比為16的工況下在電熱塞附近形成的甲醇混合氣數(shù)量明顯少于壓縮比為19的工況。造成這一現(xiàn)象的原因是壓縮比為16相當(dāng)于燃燒室容積較大，甲醇射流被活塞壁面引導(dǎo)至電熱塞的行程更長，使得甲醇混合氣運(yùn)動(dòng)至電熱塞所需時(shí)間增加。從圖中還可以看出，壓縮比為19的工況下甲醇混合氣當(dāng)量比分布均勻性較好，同時(shí)在電熱塞附近形成了濃度較高的甲醇混合氣，而壓縮比為16的工況下甲醇混合氣分布均勻性不如前者，在燃燒室內(nèi)存在部分低濃度區(qū)域，同時(shí)電熱塞附近也未能形成濃度較高的甲醇混合氣。因此增大壓縮比可以提高缸內(nèi)壓力和溫度，有助于甲醇液滴的蒸發(fā)，促使甲醇與空氣更好地混合，更快地形成可燃混合氣。

圖3 不同壓縮比時(shí)甲醇燃油當(dāng)量比分布隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

2.2 壓縮比對(duì)燃燒過程的影響

圖4、圖5和圖6分別示出了壓縮比為16～19.5時(shí)的缸內(nèi)壓力、放熱率和缸內(nèi)溫度變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，缸壓、放熱率和缸溫均隨著壓縮比的增大而增大，其峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻均前移，其中壓縮比19.5對(duì)應(yīng)的最大缸壓、最大放熱率和最高缸溫分別比壓縮比16的高107.6%，637.4%，9.9%。主要原因是增大壓縮比可以提高壓縮沖程結(jié)束時(shí)缸內(nèi)空氣的溫度和壓力，一方面有助于噴入缸內(nèi)的甲醇液滴迅速升溫、蒸發(fā)，縮短了形成可燃混合氣所需的時(shí)間，另一方面有利于提高混合氣的溫度和壓力，從而擴(kuò)大甲醇混合氣的著火濃度界限，使得甲醇混合氣更容易被電熱塞引燃。同時(shí)，甲醇滯燃期隨著壓縮比增大而縮短(見圖7)。但是壓縮比提高帶來了缸壓峰值大幅增加，可能會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷加大，從而影響其工作穩(wěn)定性以及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。

圖5 不同壓縮比下的放熱率曲線

圖6 不同壓縮比下的缸內(nèi)溫度曲線

圖7 不同壓縮比下的滯燃期變化

2.3 壓縮比對(duì)甲醛及未燃甲醇排放的影響

圖8和圖9分別示出了壓縮比為16～19.5時(shí)的甲醛及未燃甲醇排放。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓縮比的增大，甲醛和未燃甲醇排放均逐漸降低，當(dāng)壓縮比從16提高到17時(shí)，排放降低幅度最大，當(dāng)壓縮比繼續(xù)提高時(shí)，排放降低幅度減小，在壓縮比提高到19及以上時(shí)，甲醛排放小于0.4 mg/(kW·h)，未燃甲醇排放小于3.1 mg/(kW·h)，遠(yuǎn)低于工信部等八部門指導(dǎo)意見[23]給出的甲醇、甲醛排放限值20 mg/(kW·h)，由此可以看出壓縮比對(duì)甲醛及未燃甲醇的排放有著重要影響。提高壓縮比可以提高壓縮沖程結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)壓力和溫度，促進(jìn)甲醇更快地著火燃燒，燃燒過程中缸內(nèi)的壓力和溫度也可以進(jìn)一步提高，促使甲醇燃燒更完全，有利于減少不完全燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)生。

圖8 不同壓縮比下甲醛排放

圖9 不同壓縮比下未燃甲醇排放

圖10 不同壓縮比下甲醛質(zhì)量變化

圖11和圖12示出了排氣門開啟時(shí)刻(125°ATDC)不同壓縮比下甲醛與未燃甲醇的濃度分布情況。從圖中可以明顯看出，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比較低時(shí)，在活塞頂面和缸蓋底面殘留較多未燃甲醇，主要是因?yàn)閴嚎s比較低時(shí)，噴入缸內(nèi)的甲醇液滴霧化速度慢，因此容易附著在活塞頂與氣缸蓋之間的狹縫壁面上，燃燒過程中火焰面未能及時(shí)傳播到狹縫里，造成甲醇液滴的殘留。而后隨著活塞下行，狹縫間未燃甲醇才逐漸汽化并開始燃燒，但此時(shí)缸內(nèi)溫度不高，未燃甲醇氧化過程中會(huì)產(chǎn)生大量甲醛。從圖中還可以看到，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為19時(shí)，甲醛和未燃甲醇的濃度均非常低，說明通過提高壓縮比，提高壓縮過程結(jié)束時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度，可以有效改善甲醇液滴霧化和燃燒，有利于減少甲醛和未燃甲醇的排放。

圖11 排氣門開啟時(shí)刻不同壓縮比下的甲醛分布

圖12 排氣門開啟時(shí)刻不同壓縮比下的未燃甲醇分布

3 結(jié)論

a) 提高壓縮比可以提高壓縮過程結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)壓力和溫度，有利于甲醇蒸發(fā)，改善甲醇混合氣的均勻性；

b) 提高壓縮比可以縮短滯燃期，使甲醇著火更加穩(wěn)定，壓縮比從16提高到19.5，缸內(nèi)壓力峰值、放熱率峰值和溫度峰值分別提高了107.6%，637.4%，9.9%，使得甲醇燃燒更完全，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷也會(huì)增大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性和壽命會(huì)有不利影響；

c) 提高壓縮比可以降低甲醛和未燃甲醇排放，其降低幅度隨壓縮比增大而減小，在壓縮比提高到19及以上時(shí)，甲醛排放小于0.4 mg/(kW·h)，未燃甲醇排放小于3.1 mg/(kW·h)。