點火時刻對甲醇發動機燃燒影響

袁泉

摘 要：當今環境污染越來越嚴重，國家對汽車尾氣排放污染物制定了嚴格的法規限制汽車尾氣的排放，尋求一種清潔持續發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發展的替代燃料越來越被各國所重視，研究甲醇發動機燃燒及排放已經成為當今的熱門課題。文章基于一臺經柴油機改裝的缸內直噴點燃式發動機研究了不同點火時刻對甲醇發動機燃燒影響。研究表明：提前點火時刻能夠改善甲醇發動機燃燒。

關鍵詞：甲醇發動機；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年國家環保部和國家質檢總局聯合發布了《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汽車企業帶來了巨大壓力，因此尋求一種清潔可持續發展的替代燃料迫在眉睫。相對國五階段排放法規，國六階段排放法規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工況也更加復雜，采用了更為復雜的世界工況法的WLTC循環[2]。傳統燃料發動機要實現國六排放法規將會面臨巨大的挑戰，為了實現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）將增加汽車經濟負擔；開發新型催化轉化器應對國六法規也將給汽車企業帶來沉重經濟負擔。甲醇是一種含氧燃料在燃燒過程中不會產生PM和PN，這將使得在不安裝GPF的前提下甲醇汽車能夠實現國六法規對PM和PN排放限制的要求；同時甲醇發動機也具有較低的CO和HC排放[3-4]，可以比較容易實現國六排放法規對氣體污染物的排放要求。針對甲醇發動機的優勢國內外許多專家學者對甲醇發動機的燃燒及排放進行了系統研究。天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室姚春德教授對甲醇發動機燃燒及排放進行了系統研究，研究表明甲醇燃料可以在稍微改動的汽油機上實現超低排放[5]。雖然甲醇發動機具有眾多優點，然而甲醇燃燒時發動機尾氣含氧中卻有較高的醇醛等非法規排放，造成新的環境污染，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將一些醛類物質列入重點污染物名單[6]。針對甲醇發動機所特有的非法規排放國內外經過國內外專家學者的研究取得了比較理想的成績[7]。經過國內外專家學者的共同努力，甲醇發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，研究甲醇發動機的意義也十分重要。

本文主要是在一臺經柴油機改裝的缸內直噴點燃式甲醇發動機上運用商業三維仿真軟件AVL-FIRE研究了點火時刻對缸內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直噴點燃式甲醇發動機。計算使用AVL-FIRE軟件進行三維瞬態計算，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用戶自定義物質成分和反應機理及考慮燃燒過程的影響模型。

使用三維瞬態計算首先必須對發動機模型進行動態網格劃分，發動機動態網格劃分結果如圖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閉時刻缸內氣流運動進行初始化賦值。模擬計算動態網格由軟件自帶的Fame Engine Plus對模型進行動網格劃分。從動態網格圖中可以看出，所畫的動態網格質量較為滿意，全部是質量較好的網格，沒有出現影響計算結果的負網格，因此夠很好的保證模擬計算結果準確性和精度。

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

3 計算結果分析

本文主要研究穩態工況下，發動機轉速為1600r/min，過量空氣系數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）對甲醇發動機燃燒影響。

不同點火時刻對缸內燃燒壓力、燃燒溫度、放熱率影響如圖3-5所示。

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

4 結論

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

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

（3）推遲點火時刻不利于缸內混合氣燃燒，使得放熱率峰值逐漸下降，當點火時刻在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：

[1]段艷妮，董俊.中國新能源汽車產業發展問題探討[J].汽車與配件，2017，08：36-37.

[2]彭斐.把握新能源汽車的新機遇[J].汽車與配件，2017，02：6.

[3]宮長明，彭樂高，孫景震，等.噴嘴開啟壓力對DISI甲醇發動機燃燒和排放的影響[J].車用發動機，2015（03）：70-75.

[4]宮長明，彭樂高，張自雷，等.DISI甲醇發動機分層稀薄燃燒試驗研究[J].車用發動機，2014（06）：45-50.

[5]姚春德，曾麗麗，耿鵬，等.甲醇汽油發動機燃燒及其醇醛排放特性的研究[J].汽車工程，2014，36（6）：657-662.

[6]SHAMSUL N S. An overview on the production of bio-methanol as potential renewable energy[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2014， 33（1）：578-588.

[7]劉方杰，劉圣華，魏衍舉，等.甲醇氧化生成甲醛排放的影響因素[J].內燃機學報，2014，32（2）：166-171.