基于AVL FIRE的M85燃燒特性研究

賈文建，霍煒，彭升，劉高君，盛建

(1.長城汽車股份有限公司，河北保定 071000；2.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266071)

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基于AVL FIRE的M85燃燒特性研究

賈文建1，霍煒2，彭升2，劉高君2，盛建2

(1.長城汽車股份有限公司，河北保定 071000；2.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266071)

利用AVL FIRE建立定容燃燒彈模型并模擬不同初始溫度、過量空氣系數(shù)以及初始?jí)毫?duì)M85燃燒特性影響。研究結(jié)果表明：隨著初始溫度的升高(423.15～573.15 K)，M85燃燒速率明顯增加，燃燒持續(xù)期變短；隨著初始?jí)毫Φ纳?0.8～1.2 MPa)，M85燃燒速率減慢，燃燒持續(xù)期增長；隨著過量空系數(shù)的增大(1～1.4)，燃燒速率變慢，滯燃期及持續(xù)時(shí)間延長。

M85燃燒特性；定容燃燒彈；壓力；壓力升高率

0 引言

目前，我國汽車產(chǎn)業(yè)正處于快速增長期，汽車銷售量自2000年至今連續(xù)十幾年都保持著將近兩位數(shù)的增長。高速發(fā)展的汽車工業(yè)帶來的是燃油供應(yīng)問題以及環(huán)境問題的不斷加劇[1]。面對(duì)能源危機(jī)以及環(huán)境的制約，我國需要從自身的資源國情出發(fā)，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，尋球替代車用燃料[1]。甲醇是一種清潔、經(jīng)濟(jì)的替代燃料，國內(nèi)外都對(duì)甲醇展開研究。美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室通過可視化直噴甲醇機(jī)研究甲醇/汽油燃燒狀況。Kettermg University研究機(jī)構(gòu)通過三維流場模型，研究渦流比、空燃比對(duì)甲醇/汽油燃燒特性的影響。8個(gè)國家按FTP工況法，對(duì)各類不同代用燃料的汽車進(jìn)行排放狀況的評(píng)估[2-3]。德國茨維考西日耳曼大學(xué)利用Nd-Yag激光片光可視化裝置和數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)甲醇汽油混合燃料的噴射和霧化過程進(jìn)行了研究。試驗(yàn)還分析了甲醇含量、噴油量等因素對(duì)燃料噴霧特性的影響[4]。關(guān)于甲醇燃料的研究開發(fā)在我國起步較早，一些大專院校和科研部門于20世紀(jì)70年代就開始了甲醇燃料汽車的研究工作[5]，并取得了一定進(jìn)展，近幾年來研究逐漸深入。2014年在一臺(tái)四缸進(jìn)氣歧管噴射的汽油機(jī)上，采用歐洲測試循環(huán)中的城市道路工況和高速公路工況循環(huán)，對(duì)汽油、M15、M50 甲醇汽油3種燃料的燃燒特性、排放以及燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了測試。

甲醇自身含氧，在一定程度上提高了燃燒效率、燃燒程度，但也為高比例甲醇汽油在現(xiàn)有轎車的推廣使用留下困難。高比例甲醇汽油燃料理論空燃比遠(yuǎn)低于汽油，對(duì)于現(xiàn)有車型無法普及使用，但是M85的經(jīng)濟(jì)型、排放性都優(yōu)于傳統(tǒng)燃料，而且動(dòng)力性接近傳統(tǒng)燃料。因此文中通過AVL FIRE 軟件模擬M85甲醇汽油的定容燃燒彈燃燒過程，分析M85在不同溫度、壓力、過量空氣系數(shù)下的燃燒特性，為高比例甲醇汽油以后的使用打下基礎(chǔ)。

1 定容燃燒彈燃燒模型

1.1 幾何模型的建立

在建立模型前，為簡化模擬計(jì)算的過程，對(duì)定容燃燒彈進(jìn)行假設(shè)：定容燃燒彈中為均勻工質(zhì)，并且可燃混合氣初始溫度及初始?jí)毫μ幪幘鶆?；忽略火花塞、熱電偶等結(jié)構(gòu)，將燃燒彈簡化為圓柱體。利用AVL FIRE軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的定容燃燒彈的幾何模型如圖1所示。

圖1 定容燃燒彈網(wǎng)格模型

1.2 邊界條件的選擇

(1)初始?jí)毫?/p>

定容燃燒彈的點(diǎn)火時(shí)刻是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火時(shí)刻的邊界條件，發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻是在活塞接近上止點(diǎn)的時(shí)刻。根據(jù)普通汽油機(jī)壓縮比來推理，汽油機(jī)的壓縮比為8～12.5，按照最低與最高壓縮比計(jì)算，在壓縮上止點(diǎn)氣缸壓力約為0.8～1.25 MPa，而受氣體溫度影響且現(xiàn)在汽車都帶有增壓系統(tǒng)，實(shí)際在壓縮上止點(diǎn)的氣缸壓力為0.8～1.5 MPa，因此選擇0.8、1.0、1.2 MPa作為初始?jí)毫Α?/p>

(2)初始溫度

汽油機(jī)壓縮終了時(shí)，溫度可達(dá)到320 ℃。甲醇的自燃溫度為500 ℃，沸點(diǎn)是74.5 ℃；再根據(jù)定容燃燒彈的溫度加熱系統(tǒng)最高加熱溫度不高于300 ℃，可以選擇150、180、300 ℃。

(3)過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(shù)是一個(gè)十分重要的邊界條件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放性都有著重要的影響，此外還關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)最高爆發(fā)壓力、燃燒溫度和燃燒放熱率。汽油的理論空燃比為14.7，著火極限為1.4～6.7，過量空氣系數(shù)為0.4～1.4；甲醇的著火極限為6.7～36.5，計(jì)算可得出過量空氣系數(shù)為0.34～2，且現(xiàn)在都追求稀薄燃燒，因此將甲醇汽油過量空氣系數(shù)選擇為1.0、1.2、1.4。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)原理

工作原理：在試驗(yàn)中，根據(jù)燃燒室的容積、混合氣濃度、初始填充壓力和溫度的要求，利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算出所需燃料的體積，用注射器加入燃燒室。關(guān)閉燃料加注閥、排氣閥、掃氣閥，打開進(jìn)氣閥，利用空氣壓縮機(jī)以及空氣增壓泵填充氣體，關(guān)注壓力表直至預(yù)設(shè)壓力值，關(guān)閉壓縮機(jī)以及進(jìn)氣閥。燃燒彈內(nèi)形成基本混合氣，將燃燒室內(nèi)的混合氣按試驗(yàn)要求加熱到預(yù)定溫度。這時(shí)關(guān)閉加熱系統(tǒng)以及壓力表的控制閥，然后打開計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集面板，打開直流穩(wěn)壓電源、電荷放大器并開始點(diǎn)火，同時(shí)采集動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。

2.2 模型的驗(yàn)證

在運(yùn)用AVL FIRE軟件模擬計(jì)算定容燃燒彈內(nèi)的燃燒過程，需要確定所選模型和計(jì)算方法的可靠性。選取M85甲醇汽油，在初始?jí)毫?.8 MPa、過量空氣系數(shù)λ=1.2、溫度150 ℃下進(jìn)行定容燃燒彈的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比曲線如圖2所示。

圖2 缸內(nèi)壓力及壓升的試驗(yàn)與計(jì)算對(duì)比

圖2所示為計(jì)算與試驗(yàn)的壓力、壓力升高率的曲線對(duì)比。從最高壓力看，計(jì)算得到的最高壓力為4.5 MPa，而試驗(yàn)得到的最高壓力約為4.3 MPa，計(jì)算得到的數(shù)值略高于試驗(yàn)數(shù)值，但誤差只有0.2 MPa，約為4.4%，在允許誤差范圍內(nèi)。對(duì)于壓力升高率對(duì)比曲線，最高壓力升高率的試驗(yàn)數(shù)值為0.28 MPa/ms，計(jì)算數(shù)值為0.31 MPa/ms，最大差值為0.03 MPa/ms。從整個(gè)趨勢比較，基本一致，且最高壓力與壓力升高率對(duì)應(yīng)時(shí)間基本吻合。

3 M85甲醇/汽油的燃燒特性

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬計(jì)算的可靠性。發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、起動(dòng)性、熱效率都有很大影響。定容燃燒彈點(diǎn)火時(shí)刻壓力是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)終了時(shí)刻的壓力進(jìn)行研究。為了對(duì)M85甲醇汽油燃燒特性進(jìn)行更好的研究，通過AVL FIRE模型進(jìn)行拓展計(jì)算，研究點(diǎn)火時(shí)刻容彈壓力對(duì)M85甲醇汽油燃燒特性的影響。

3.1 初始?jí)毫?duì)燃燒壓力的影響

圖3所示為過量空氣系數(shù)λ=0.8，初始溫度為523.15 K，初始?jí)毫Ψ謩e為0.8、1.0、1.2 MPa時(shí)，M85甲醇汽油在燃燒彈內(nèi)的壓力以及壓力升高率的變化曲線。

圖3 不同初始?jí)毫ο聣毫εc壓力升高率的變化曲線

結(jié)果顯示：最高燃燒壓力與最大壓力升高率都隨著初始?jí)毫ι叨黠@升高，當(dāng)填充壓力從0.8 MPa升到1.2 MPa，缸內(nèi)的最高爆發(fā)壓力從3.9 MPa上升為6 MPa，壓力升高率最大值從0.08 MPa/ms上升為0.12 MPa/ms；但是隨著初始?jí)毫ι?，最高燃燒壓力與最高燃燒壓力升高率的峰值向后延遲，即隨著初始?jí)毫ι撸紵某掷m(xù)時(shí)間變長，但延長時(shí)間很少。這是因?yàn)樵诔跏紲囟?、混合氣濃度、燃燒室容積等相同的條件下，增加初始填充壓力，可燃混合氣的密度增加，缸內(nèi)的M85甲醇汽油燃料和空氣量均增加，最高燃燒爆發(fā)壓力將會(huì)增加，同時(shí)也因?yàn)榭扇蓟旌蠚庾兌?，燃燒持續(xù)時(shí)間就相對(duì)變長了。在持續(xù)時(shí)間略有延長而最高燃燒壓力增幅巨大的情況下，壓力升高率也隨著變大。

3.2 混合氣濃度對(duì)燃燒壓力的影響

圖4給出了初始?jí)毫?.2 MPa，初始溫度為573.15 K，過量空氣系數(shù)分別為λ=1、λ=1.2、λ=1.4時(shí)，M85甲醇汽油在燃燒彈內(nèi)的壓力以及壓力升高率的變化曲線?？梢钥闯觯弘S著過量空氣系數(shù)的增大，燃燒的最高壓力變小，壓力曲線變得越來越平緩。過量空氣系數(shù)λ=1時(shí)，燃燒壓力在t=132 ms達(dá)到峰值5.52 MPa；而當(dāng)過量空氣系數(shù)λ=1.4時(shí)，燃燒壓力在t=210 ms達(dá)到峰值4.6 MPa。兩者比較最高爆發(fā)壓力降低了0.92 MPa，燃燒持續(xù)時(shí)間延長了78 ms。這是因?yàn)檫^量空氣系數(shù)增大，混合氣濃度變小，當(dāng)初始溫度相同時(shí)，活化分子的有效碰撞次數(shù)減少，化學(xué)反應(yīng)速率變慢而相對(duì)延長了燃燒持續(xù)時(shí)間。這同樣導(dǎo)致壓力升高率的兩個(gè)峰值也隨著過量空氣系數(shù)增大而減小，且峰值出現(xiàn)延遲。在過量空氣系數(shù)λ=1時(shí)，最大壓力升高率0.053 8 MPa/ms出現(xiàn)在t=106 ms，而λ=1.4時(shí)最大壓力升高率0.025 MPa/ms出現(xiàn)在t=169 ms。

圖4 不同混合氣濃度下壓力與壓升率的變化曲線

3.3 初始溫度對(duì)燃燒壓力的影響

圖5所示為過量空氣系數(shù)λ=1，初始?jí)毫?.8 MPa，初始溫度分別為423.15、 453.15、573.15 K時(shí)，M85甲醇汽油在燃燒彈內(nèi)的壓力以及壓力升高率的變化曲線。可以看出初始溫度的變化對(duì)缸內(nèi)壓力以及壓力升高率的影響很明顯。在初始溫度為423.15 K時(shí)，缸內(nèi)壓力的峰值為4.73 MPa，而在初始溫度為573.15 K時(shí)缸內(nèi)壓力峰值變?yōu)?.66 MPa。可以得出隨初始溫度提升，缸內(nèi)爆發(fā)壓力呈下降趨勢的結(jié)論。這是因?yàn)槌跏紲囟仍礁撸c冷缸壁溫度差異就越大，散熱越明顯，從而導(dǎo)致最大壓力下降。壓力升高率與壓力持相反的趨勢，隨之初始溫度升高，缸內(nèi)最高壓力升高率提升明顯，在150 ℃時(shí)為0.027 MPa/ms，而300 ℃時(shí)升高到0.034 MPa/ms。但是隨著初始溫度升高，缸內(nèi)壓力峰值與壓力升高率峰值都前移。這是因?yàn)殡S著初始溫度的升高，參加化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物分子的能量增加，使原來一些非活化分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿?，隨著活化分子的增加，從而使分子有效碰撞次數(shù)增多，提高了化學(xué)反應(yīng)速率。因此隨初始溫度升高，燃燒持續(xù)時(shí)間以及滯燃期都變短，也提高了壓力升高率。

圖5 不同初始溫度下壓力與壓升率的變化曲線

3.4 定容燃燒彈壓力場分析

對(duì)初始?jí)毫?.2 MPa、初始溫度為573.15 K、過量空氣系數(shù)λ=1.2下的M85的燃燒過程，分別在10、20、70以及160 ms時(shí)進(jìn)行縱向與橫向的切片處理，得到4個(gè)時(shí)刻縱向與橫向的壓力場分布云圖。

從圖6與 圖7可以看出：在某一時(shí)刻定容燃燒彈內(nèi)各處壓力相差不大，定容燃燒彈的火花塞位置設(shè)置在中下部，由縱向分布圖可以看到在t=10 ms與t=20 ms時(shí)壓力場梯度十分明顯，越靠近火花塞點(diǎn)火位置壓力越高，而距離點(diǎn)火位置越遠(yuǎn)，壓力越低，即已燃區(qū)與未燃區(qū)壓力相差較大;隨著燃燒的繼續(xù)，在t=70 ms時(shí)刻壓力最高點(diǎn)區(qū)域從中部轉(zhuǎn)移到燃燒彈的兩側(cè)，從火焰?zhèn)鞑碚f，是火焰已經(jīng)從中部位置傳播到燃燒彈的兩側(cè)，而中間位置混合氣已經(jīng)反應(yīng)完成，從而使中間壓力低于兩側(cè)壓力;在t=160 ms后整個(gè)缸內(nèi)的壓力達(dá)到最大值，此時(shí)缸內(nèi)壓力分布情況為在靠近燃燒彈兩側(cè)邊緣處壓力最低，在靠近中間壓力最高。這是由于反應(yīng)已經(jīng)完成，各處壓力都達(dá)到最大值，但是兩側(cè)與空氣形成較大溫度差，使熱量散發(fā)更快，而使邊緣處壓力略低于其余部分。從橫向壓力分布場可以看到在t=10 ms時(shí)刻，從底部向上部壓力梯度明顯，但壓力差距較小。主要是因?yàn)閠=10 ms時(shí)刻火焰的傳播只限于火花塞附近，上部混合氣還沒被點(diǎn)燃從而壓差明顯。在t=20 ms時(shí)刻可以明顯看到中心位置與上部壓力低于兩者之間的壓力，這明顯體現(xiàn)了火焰的傳播，壓力最高處即為燃燒位置。而火花塞位置壓力略低是因?yàn)榇藚^(qū)域混合氣已經(jīng)反應(yīng)完成。從t=70 ms時(shí)的縱向與橫向壓力場的對(duì)比圖可以看出，兩者正交位置壓力低于其他位置，是因?yàn)榇颂幨强扇蓟旌蠚庹盏貛В鹧嬉呀?jīng)傳播到兩側(cè)。在t=160 ms時(shí)反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束,燃燒彈的中間處上下部分壓力相同。

圖6 定容燃燒縱向壓力場分布

圖7 定容燃燒橫向壓力場分布

4 總結(jié)

(1)在其他條件不變時(shí)，隨著初始溫度的升高(423.15～573.15 K)，M85燃燒速率明顯增加，燃燒持續(xù)期變短，最大燃燒壓力降低，初始溫度越高越明顯。

(2)隨著初始?jí)毫Φ纳?0.8～1.2 MPa)，M85燃燒速率減慢，燃燒持續(xù)期增長，最大燃燒壓力降低，初始?jí)毫υ礁咴矫黠@。

(3)隨過量空系數(shù)增大(1～1.4),燃燒速率變慢，滯燃期及持續(xù)時(shí)間延長，最高壓力與壓力升高率都減小。

【1】何光遠(yuǎn)．醇醚汽車的發(fā)展值得關(guān)注[N]．中國工業(yè)報(bào)，2004-04-09．

【2】黃志甲，張旭，余卓平，等．汽車替代燃料發(fā)展戰(zhàn)略的探討[J]．中國能源，2001(8):29-32．

HUANG Z J,ZHANG X,YU Z P,et al.Developmental Stratagem for Alternative Fuel of Automobile[J].Energy of China,2001(8):29-32．

【3】張霞．甲醇汽油排放建模與預(yù)測[D]．北京:清華大學(xué)，2009．

【4】A1-FARAYEHDI A A,A1-DAWOOD A M,GANDHIDASAN E,et al.Experimental Investigation of SI Engine Performance Using Oxygenated Fuel[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines & Power,2002,126(1):7-18.

【5】向晉華．直噴式柴油機(jī)燃用甲醇-二甲醚混合燃料排放特性的研究[D]．太原：太原理工大學(xué)，2006．

【6】路林，常銘，苗海燕，等．天然氣在不同初始溫度和壓力下的燃燒特性研究[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009,30(10)：1771-1774．

LU L,CHANG M,MIAO H Y,et al.Combustion Characteristics of Natural Gas at Various Initial Temperature and Pressure[J].Journal of Engineering Thermophysics,2009,30(10)：1771-1774．

Burning Characteristics of M85 Based on AVL FIRE

JIA Wenjian1,HUO Wei2,PENG Sheng2,LIU Gaojun2,SHENG Jian2

(1.Great Wall Motor Company Limited,Baoding Hebei 071000;2.School of Electromechanic Engineering,Qingdao University, Qingdao Shandong 266071,China)

AVL FIRE was used to establish constant volume bomb model and to simulate the influences of different initial temperatures, excess air ratio and initial pressure on the M85 combustion characteristics. The results show: with the initial temperature rising (from 423.15 to 573.15 K), M85 burning rate increases significantly, combustion duration becomes shorter; with the increase of initial pressure (from 0.8 to 1.2 MPa), burn rate slows down, combustion duration increases; with the excess air coefficient increasing (from 1 to 1.4), burn rate slows down, the ignition delay period and the duration prolong.

M85 combustion characteristics; Constant volume bomb; Pressure; Pressure rise rate

2016-07-04

賈文建(1989—)，男，碩士，研究方向?yàn)檐囕v節(jié)能減排。E-mail：562625312@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.010

U473.9

A

1674-1986(2016)10-045-04