燃空當量比對直噴甲醇發動機混合氣濃度分布影響

王斌

摘 要：基于一款經柴油機改裝的非均勻分布的五噴孔的缸內直噴甲醇發動機，利用商用CFD數值計算軟件計算模擬了不同燃空當量比下缸內混合氣濃度分布情況。計算結果表明：經特殊改裝的噴孔能夠提高火花塞附近的混合氣濃度，同時還改善缸內整體混合氣濃度分布，使得缸內混合氣濃度分布更加合理，縮小混合氣濃度極度稀薄區域面積。

關鍵詞：甲醇發動機；混合氣濃度；模擬計算；燃空當量比

中圖分類號：TK16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0123-02

Abstract： Based on a modified diesel engine with non-uniform distribution of five injection holes， a commercial CFD numerical calculation software was used to simulate the distribution of in-cylinder mixture concentration under different fuel/air equivalent ratios. The calculation results show that the specially modified nozzle can increase the mixture concentration near the spark plug and improve the overall mixture concentration distribution in the cylinder， which makes the mixture concentration distribution in the cylinder more reasonable and reduces the area of extreme rarefaction of mixture concentration.

Keywords： methanol engine； mixture concentration； simulation calculation； fuel/air equivalent ratio

2016年國家環保局聯合各個機動車車質量監督檢驗中心及各大車企法規部擬定了堪稱史上最嚴法規的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》。該法規不僅加嚴了相應排放物的限值，增加了排放顆粒物數量的要求，測試循環也更加貼近目前汽車在道路上所面臨的復雜多變的工況。而且增加了實際行駛污染物排放（RDE）的排放測量，同時加大了對加油過程污染物的控制要求。根據公安部交管局統計，我國在用的汽車保有量已經突破2億輛，且絕大部分為傳統內燃機汽車，并且還保持高速增長的趨勢，研究表明汽車尾氣排放已成為大氣污染物的最主要的來源之一；更為嚴重的是國際油價屢創新高，給消費者帶來了更大的經濟壓力。因此在能源能與環保的雙重壓力下，迫切尋找一種清潔的可持續發展的替代燃料已成為當今最為重要的任務。

甲醇燃料來源廣泛，可由化學合成等方式大量獲取[1]，最為關鍵的是甲醇為液態燃料，能量密度高，便于存儲和運輸；同時由于甲醇是一種含氧燃料，作為傳統內燃機燃料，尾氣中的CO、HC、NOx等排放物很少，能夠減小環境污染壓力[2]。然而由于甲醇所具有的物理化學性質，其燃燒后容易生成未燃甲醇及甲醛等非常規排放物。其中甲醛對人體的傷害非常大，已經被歐洲、美國、日本等發達國家列為重點污害排放物[3]。此外甲醇的理化特性決定了甲醇的汽化潛熱大，和汽油相比甲醇的汽化潛熱是汽油的近三倍，高的汽化潛熱導致甲醇蒸發時吸收大量熱有利于降低缸內溫度從而提高進氣效率，然而在低溫條件下也造成了冷啟動困難等問題。大連民族大學的宮長明教授針對甲醇發動機的冷啟動問題研究了三種不同預熱方式對冷啟動著火特性的影響及DISI分層稀薄燃燒、噴嘴開啟壓力、及點火時刻對甲醇發動機燃燒及排放的影響[4-5]。國外學者對于甲醇在缸內直噴發動機上稀薄燃燒下的分層混合氣做出了大量研究，大部分研究結果表明未燃甲醇及甲醛是點燃式缸內直噴甲醇發動機的主要問題[6]。本文主要針對甲醇在低溫環境下汽化潛熱大，蒸發困難導致冷啟動困難從而導致排放劇增的問題，通過三維仿真計算研究了不同空燃比對缸內直噴甲醇發動機缸內混合氣濃度分布的影響。

1 仿真平臺搭建

1.1 計算方法

本文基于一款經柴油機改裝的缸內直噴點燃式甲醇發動機使用三維仿真軟件AVL-Fire耦合甲醇氧化機理進行模擬計算。其中模擬計算的邊界條件均為環境溫度。

由于甲醇有較大的汽化潛熱值導致蒸發困難，且相同負荷條件下，甲醇噴射量遠遠大于柴油的噴射量且甲醇的潤滑效果差，為減少甲醇對噴油嘴的磨損及在火花塞附近形成較濃的混合氣以助以著火。因此對噴油器進行改進，將4孔噴油嘴修改為7孔非均勻性噴嘴，改進后的噴嘴見圖1。

1.2 模型的驗證

本文仿真計算的準確性驗證主要通過缸內燃燒壓力進行驗證。主要通過在相同的試驗工況下按照試驗工況條件設置仿真計算的相關計算參數，通過仿真計算得到的缸內燃燒壓力曲線與試驗采集到的缸內壓力曲線進行對比分析，以驗證其準確性和精度。圖2為缸內燃燒壓力仿真計算與試驗值對比，從圖中可以看出模擬計算值與試驗值吻合較好，因此表明仿真計算準確性很高，完全能夠滿足計算精度要求。

2 結果與分析

本文主要研究缸內之噴甲醇發動機在轉速為1600r/min、噴油時刻為45°CABTDC，燃空當量比為0.33、0，40、0.50、0.67對缸內混合氣濃度分布影響。

不同燃空當量比對混合氣濃度分布的分布影響：

圖3為通過三維仿真計算的得到的缸內混合氣濃度分布圖。從圖中可以看出燃空當量比為0.33時，由于混合氣偏稀，加上噴嘴的特殊布置，導致在火花塞附近噴油器油束密集區域聚集了部分相對較濃的混合氣，然而在遠離火花塞區域存在大面積的混合氣極度稀薄區域。當燃空當量增大到0.4缸內混合氣濃度分布規律不變，都是在火花塞附近噴油器油束密集區域聚集較濃的混合氣，在遠離火花塞區域都存在混合氣極度稀薄區域，但是相對燃空當量比為0.33時，火花塞附近噴油器油束密集區域的混合氣濃度有比較明顯的增大且區域面積也有了一定程度的增大，且遠離火花塞區域混合氣極度稀薄的區域面積逐漸縮減。當混合氣燃空當量比增大到0.5由圖可知火花塞附近噴油器油束密集區域的混合氣濃度顯著增大，部分區域的混合氣濃度達到了0.95接近理論空燃比，且遠離火花塞區域混合氣極度稀薄區域面積顯著減小，且混合氣濃度也得到比較明顯的升高。當混合氣燃空當量比增大到0.67時火花塞附近噴油器油束密集區域混合氣濃度顯著增大，濃混合氣區域面積顯著增大，且大部分區域混合氣濃度都接近理論燃空當量比，在遠離火花塞區域混合氣濃度極度稀薄區域面積已經很小，且混合氣濃度得到了明顯增大。綜上所知隨著混合氣燃空當量比增大，缸內混合氣濃度及分布均能得到改善，有利于改善燃燒質量，降低排放。

3 結束語

（1）改進后的噴油器能夠有效提高火花塞附近

混合氣濃度，并且濃混合氣區域面積也隨之增大，有利于改善缸內燃燒條件。

（2）增大燃空當量比能夠明顯改善缸內混合氣

濃度分布，缸內混合氣濃度極度稀薄區域面積顯著減小，能有效避免失火。

參考文獻：

[1]謝滿，蔣炎坤.汽油機摻燒甲醇裂解氣試驗研究[J].車用發動機，2016（03）：35-39.

[2]彭樂高，宮長明，宮寶利，等.富氧下甲醇發動機冷起動燃燒及非法規排放[J].內燃機學報，2017（05）：423-428.

[3]張海燕，張仲榮，劉立東，等.汽油車尾氣中醛酮類化合物排放特征的研究[J].汽車工程，2013，335（3）：207-211.

[4]宮長明，宮寶利，彭樂高，等.點火時刻對甲醇發動機燃燒及非法規排放的影響[J].車用發動機，2017（6）：25-29.

[5]宮長明，彭樂高，張自雷，等.DISI甲醇發動機層稀薄燃燒試驗研究[J].車用發動機，2014，6：45-50.

[6]汪洋，王靜，史春濤，等.甲醇發動機排放特性的研究[J].內燃機學報，2007，25（1）：73-76.