進氣溫度對甲醇發動機燃燒及醇醛類排放影響研究＊

宮寶利 彭樂高 宮長明 孫景震 張成博

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.東風日產技術中心，廣州 510640；3.車輛排放與節能重慶市重點實驗室，重慶 401122；4.大連民族大學，大連 116600；5.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130025；6.東風汽車公司技術中心，武漢 430056）

主題詞：點燃式甲醇發動機 冷起動 燃燒 排放 進氣溫度

1 前言

2016年國家環保部和國家質檢總局聯合發布了法規《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，而為滿足國Ⅵ法規排放限值要求，車輛需要裝備催化器及顆粒捕集器(Gasoline Particulate Fil?ter，GPF)，這給汽車企業帶來了巨大的技術挑戰及經濟壓力，因此尋求一種可持續發展的清潔替代燃料迫在眉睫。

與傳統化石燃料相比，甲醇燃料來源豐富且具有石油基燃料相似的理化性質，是21世紀最具潛力的替代燃料之一[1,2]。甲醇發動機具有超低的氣態污染物排放且不產生炭煙[3-7]，然而尾氣中卻含有對人體健康損害較大的醇醛類物質，已被歐美等國列為重點污染物[8]，此類非法規排放物已成為制約甲醇發動機發展的關鍵問題。甲醇的汽化潛熱遠大于汽油，因此甲醇發動機冷起動困難，研究發現測試循環中70%以上的非法規排放產生于冷起動階段[9]。目前國內外對甲醇發動機研究主要集中在CO、NOx、HC的研究，對醇醛非法規排放物研究很少[10-11]。為此，本文針對甲醇發動機冷起動醇醛類非法規排放較高的問題，通過對進氣的預熱，研究不同進氣溫度對甲醇發動機冷起動過程中燃燒、甲醛及未燃甲醇非法規排放的影響。

2 化學反應機理及計算方法

2.1 甲醇化學反應動力學機理

甲醇化學反應機理計算復雜，對計算硬件條件要求高且計算量大，不利于工程應用。天津大學Zhen XD等人[12]對甲醇化學反應機理進行了簡化，獲得了包含21種物質的93個基元反應的氧化機理，并通過大量臺架試驗驗證了簡化機理的可靠性，完全滿足計算精度要求。

2.2 計算方法

以一款經柴油機改裝的缸內直噴甲醇發動機為研究對象，表1為改裝前、后發動機的主要技術參數。利用AVL-FIRE軟件耦合簡化甲醇氧化反應機理的方法完成模擬計算，模擬計算模型選擇Huh/Gosman噴霧破碎模型、Walljet碰壁模型、Dukowicz蒸發模型、k-zeta-f湍流模型、Spherical火焰模型、General gas phase reactions燃燒模型。模擬計算邊界溫度統一設置為環境溫度266 K。

表1 改裝前、后發動機技術參數

為改善甲醇發動機冷起動，對原發動機（柴油機）進行了壓縮比和噴油器的改造。壓縮比由16改為14；為在火花塞附近區域聚集大量較濃混合氣以改善甲醇發動機冷起動性能，將原發動機4噴孔均勻布置噴油器改為7噴孔非均勻分布噴油器；為改善甲醇霧化，通過相關理論計算并結合試驗及經驗，將原發動機噴孔直徑由0.33 mm改為0.3 mm。改進后的噴孔油線分布及噴霧如圖1所示。

圖1 改進后的噴孔油線分布及噴霧

為減少計算量，對發動機模型進行簡化，只計算進氣門關閉時刻到排氣門打開時刻（-160～130°ATDC）的缸內燃燒過程。為精確計算進氣門關閉時刻缸內渦流強度，通過AVL-BOOST軟件對缸內氣流運動渦流比進行模擬計算，然后利用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。三維模型動態網格采用Fame Engine Plus，如圖2所示，包含了355 015個單元。

圖2 三維模型動態網格

2.3 模型驗證

為確保模型計算精度，對計算的缸內壓力與試驗值進行了對比。驗證工況選擇過量空氣系數為1.5，點火正時為-14°ATDC、噴油正時為-45°ATDC。試驗時采用靈敏度為-260 pC/MPa的SYC04A石英晶體壓力傳感器及DF3型電荷放大器測量缸內壓力，結果如圖3所示。由圖3可看出，模擬結果與測量結果吻合較好，誤差為3.15%，滿足計算精度要求。

圖3 氣缸壓力模擬值與試驗值對比曲線

3 計算結果及分析

在環境溫度為266 K、發動機轉速為800 r/min、過量空氣系數為1.5、點火正時為-14°ATDC、噴射正時為-45°ATDC時，研究不同進氣溫度對甲醇發動機冷起動燃燒及非法規排放影響。

3.1 不同進氣溫度對混合氣濃度分布的影響

圖4為不同進氣溫度下缸內混合氣濃度分布，從圖4可看出，當進氣溫度為283 K時，缸內混合氣濃度整體處于較低水平，火花塞附近混合氣濃度很低，且存在大面積混合氣極度稀薄區域；當進氣溫度增大到293 K時，缸內混合氣濃度顯著升高，且在火花塞附近混合聚集了大量較濃混合氣，同時混合氣極度稀薄區域面積顯著減??；隨著進氣溫度進一步提高，混合氣濃度分布改善不明顯。分析其原因為，冷起動過程中發動機缸體溫度為環境溫度，當進氣溫度為283 K時，氣缸壁面及缸內溫度較低不利于甲醇的蒸發，尤其是當甲醇碰壁后造成嚴重濕壁，甲醇蒸發量很少，少量的甲醇混合氣在缸內渦流作用下被吹散，導致混合氣濃度分布不均勻；隨著進氣溫度升高，能夠有效促進甲醇的蒸發，極大增加甲醇蒸發量，缸內混合氣濃度得到明顯提高，火花塞附近混合氣濃度也明顯得到改善，同時由于進氣溫度升高缸內氣體擴散運動變強，促進了混合氣擴散，有效減小混合氣超稀薄區域；當進氣溫度高于313 K時，受蒸發及缸內渦流強度限制，提高進氣溫度對缸內混合氣濃度及分布改善不明顯。

3.2 不同進氣溫度對燃燒滯燃期影響

本文將滯燃期定義為從火花塞開始點火到累積放熱率達10%時的曲軸轉角，通過origin軟件對放熱率曲線進行積分計算求得滯燃期所對應的時間。

圖4 不同進氣溫度下缸內混合氣濃度分布

圖5為不同進氣溫度時的滯燃期，從圖5可看出，當進氣溫度為283 K時，滯燃期達15.6°CA，當進氣溫度提高到293 K時，滯燃期縮短至14.3°CA，縮短了1.3°CA；繼續提高進氣溫度，滯燃期繼續縮短但效果不明顯，進氣溫度每升高10 K滯燃期縮短幅度都在0.3～0.4°CA之間。分析其原因為，當進氣溫度由283 K升高到293 K時有效促進了缸內甲醇的蒸發，缸內混合氣濃度明顯升高，同時在缸內渦流的作用下缸內混合氣分布更加理想，在火花塞附近區域混合氣濃度也得到有效改善。缸內溫度和混合氣分布的有效改善使得燃燒滯燃期明顯改善，縮短了1.3°CA；當進氣溫度繼續升高，混合氣濃度分布改善不明顯，使得滯燃期縮短不明顯。

圖5 不同進氣溫度時的滯燃期

3.3 不同進氣溫度對氣缸壓力和缸內溫度的影響

不同進氣溫度時的缸內壓力、放熱率峰值、缸內燃燒溫度分別如圖6～圖8所示。由圖6和圖7可看出，當進氣溫度為283 K時，最高氣缸壓力為5.58 MPa，最大放熱率為113 J/°CA；當進氣溫度升高到293 K時，最高氣缸壓力和最大放熱率分別達到6.17 MPa和133 J/°CA，比進氣溫度為283 K時分別升高了0.59 MPa和20 J/°CA，升高比較明顯；隨進氣溫度繼續升高，缸內最高氣缸壓力和最大放熱率升高不明顯，缸內壓力增長幅度為0.06～0.24 MPa。從圖8可看出，當進氣溫度為283 K時，缸內最高燃燒溫度為1 223 K；當進氣溫度升高到293 K時，最高燃燒溫度升高至1 388 K,比進氣溫度為283 K時提高了165 K；隨進氣溫度繼續上升，最高燃燒溫度上升不明顯，其增長幅度為60～91 K。分析其主要原因為，當進氣溫度由283 K提高到293 K時缸內溫度上升比較明顯，且混合氣濃度分布均有很大程度的改善，極大改善了缸內混合氣燃燒質量，缸內混合氣燃燒更加充分，放熱量劇增；當進氣溫度繼續升高，缸內溫度和混合氣分布改善效果不明顯，混合氣燃燒質量提高不顯著，放熱量略增。

圖6 不同進氣溫度時的缸內壓力

圖7 不同進氣溫度時的放熱率峰值及對應曲軸轉角

圖8 不同進氣溫度時的缸內燃燒溫度

3.4 不同進氣溫度對非法規排放影響

圖9為不同進氣溫度時未燃甲醇及甲醛排放曲線，由圖9可看出，當進氣溫度為283 K時，未燃甲醇濃度達6 363×10-6，甲醛濃度達506×10-6；當進氣溫度升高到293 K時，未燃甲醇濃度大幅度降低到3 303×10-6,下降幅度達49%，甲醛濃度也大幅度降低到348×10-6，下降幅度達32%；隨進氣溫度繼續升高到313 K，未燃甲醇和甲醛濃度降低效果比較明顯；當進氣溫度提高到313 K以上時，繼續提高進氣溫度對降低未燃甲醇和甲醛濃度作用不明顯，原因如下。

a.未燃甲醇濃度主要由燃燒質量決定，燃燒越充分未燃甲醇越少。氧化機理揭示甲醇的氧化主要由基元反應CH3OH+OH=CH2OH+H2O和CH3OH+OH=CH3O+H2O決定，基元反應速率主要取決于化學反應速率常數k與反應物濃度。Arrhenius通過大量試驗與理論驗證揭示了在恒定濃度條件下反應速率常數對溫度的依賴關系，從而建立了Arrhenius定律[13]：

圖9 不同進氣溫度時未燃甲醇及甲醛排放曲線

式中，A為指前因子；Ea為Arrhenius活化能；k為速率常數；R為摩爾氣體常量；T為熱力學溫度。

由式（1）可知，甲醇氧化反應速率隨溫度升高而增大，當進氣溫度由283 K提高到293 K時，缸內混合氣濃度、溫度、壓力都得到顯著提高，甲醇氧化速率也極大增加，極大改善了燃燒質量，所以未燃甲醇濃度下降十分明顯；當進氣溫度由293 K升高到313 K時，由于缸內混合氣濃度、壓力、溫度升高趨勢放緩，因此未燃甲醇濃度降低幅度也降低；當溫度升高到313 K以上時，由于缸內混合氣濃度、壓力、溫度提升幅度進一步減小，因此未燃甲醇濃度降低非常少。

b.甲醛是甲醇氧化過程中的重要中間產物，甲醛濃度主要取決于甲醇的氧化生成量及甲醛進一步氧化消耗量。氧化機理揭示甲醛生成主要由基元反應CH2OH+O2=CH2O+HO2決定，甲醛消耗主要由基元反應CH2O+OH=HCO+H2O決定[14]，由Arrhenius公式可知，混合氣濃度、溫度、壓力升高則甲醛生成和消耗速率升高，但升高幅度不同。當進氣溫度由283 K升高到293 K時，混合氣濃度、壓力、溫度顯著升高，且缸內溫度主要集中在1 000 K以上，甚至提高到1 160 K以上，在此溫度范圍內甲醛氧化速率升高幅度遠大于甲醛生成速率，因此甲醛凈生成量急劇降低；當進氣溫度由293 K升高到313 K時，缸內溫度主要集中區域介于1 160～1 339 K，在此溫度范圍內甲醛生成和氧化速率都增加，但增加幅度差距不大，因此甲醛生成量降低幅度不大；由圖8可以看出，當進氣溫度提高到313 K以上時，缸內溫度主要集中在1 400 K以上，此時甲醛生成速率和氧化速率增加幅度差距很小，因此當進氣溫度提高到313 K以上時，提高進氣溫度對降低甲醛濃度效果很小。

4 結束語

a.提高進氣溫度能夠縮短冷起動滯燃期，當進氣溫度由283 K升高到293 K時滯燃期縮短1.3°CA，繼續升高進氣溫度，進氣溫度每升高10 K滯燃期縮短0.3～0.4 °CA。

b.提高進氣溫度能夠改善冷起動燃燒，當進氣溫度由283 K提高到293 K時，缸內最高氣缸壓力、最大放熱率和最高燃燒溫度分別提高0.59 MPa、20 J/°CA和165 K，繼續提高進氣溫度對燃燒改善作用減弱。當進氣溫度超過313 K時，提高進氣溫度對改善燃燒效果不明顯。

c.提高進氣溫度能夠降低未燃甲醇和甲醛排放，當進氣溫度由283 K升高到293 K時，未燃甲醇和甲醛排放大幅降低，下降幅度分別達49%和32%，繼續提高進氣溫度對降低未燃甲醇和甲醛濃度作用明顯減弱。當進氣溫度高于313 K時，提高進氣溫度對降低未燃甲醇和甲醛濃度作用很微弱。