壓縮比對電熱塞引燃甲醇發動機的影響研究

吳繼盛，吳家正，秦超群，劉洪運，林易，樊宏彪

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092；2.上海夏雪科技有限公司，上海 200436)

隨著交通運輸業的快速發展，為了解決化石能源緊缺和環境污染問題，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，在近年來吸引了大量的關注[2]。甲醇相比于傳統化石燃料有優點也有缺點。比如甲醇辛烷值高，抗爆震性好，可以適當加大發動機壓縮比以提高發動機性能、降低燃油消耗率，并且甲醇分子汽化潛熱大，在發動機內燃燒時溫度更低，有利于減少熱損失和降低NOx排放[3]。但是甲醇十六烷值低，在壓燃式發動機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動機冷起動困難，容易產生甲醛及未燃甲醇排放[5]。盡管在內燃機上燃用甲醇還存在著諸多問題需解決，但甲醇仍然被認為是最具潛力的替代燃料之一。

柴油機因其高壓縮比的特點，在動力性、燃油經濟性和污染物排放上均優于汽油機，因此將甲醇應用在柴油機上逐漸成為了一個熱門的研究領域。但是甲醇自燃溫度達436 ℃，高出柴油燃點200 ℃以上，在柴油機中難以通過壓燃的方式著火燃燒。為了解決這個問題，逐漸發展出了雙燃料燃燒、柴油-甲醇組合燃燒、火花塞或電熱塞助燃燃燒等多種技術手段。Yao等[6]、Wei等[7]、Soni等[8-9]和Prashant等[10]均對柴油-甲醇組合燃燒技術(DMCC)展開了研究，結果均表明在燃燒污染物排放及缸內燃燒特性方面，DMCC模式相較于傳統的柴油發動機有著明顯優勢，DMCC模式下可以同時減少柴油機炭煙和NOx排放，并且也避免了低負荷下燃用醇類燃料的高醛類污染物排放的問題。

柴油-甲醇組合燃燒技術突破了甲醇稀混合氣在柴油機上難以直接壓燃的技術障礙，但是在中低負荷下主要燃料仍然是柴油，只能實現甲醇對柴油的部分替代。為了實現甲醇對柴油的完全替代，在柴油機上加裝電熱塞或采用火花塞輔助甲醇點火成為了一個重要手段。Gong等[11-12]和Li等[13-14]針對火花甲醇發動機低溫冷起動的難點展開了研究。結果表明，進氣預熱和甲醇燃料預熱都不能保證甲醇燃料發動機在冷起動過程中的可靠燃燒，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冷起動性能，也是輔助高自燃溫度燃料在柴油機中著火燃燒的常用手段之一。早在20世紀80年代，電熱塞助燃柴油機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動機點火難的問題。Agama等[18]選擇用鉑涂層電火花塞催化燃燒柴油機中的甲醇，與標準不銹鋼電熱塞相比，催化電熱塞始終將穩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電熱塞壓燃式直噴甲醇發動機著火燃燒的影響。結果表明，優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]通過化學發光成像技術研究了電熱塞助燃式發動機的燃燒過程。試驗結果表明，電熱塞輔助燃燒是一種自燃擴散燃燒，氧化過程的均勻性隨發動機轉速的增加而增加。雖然加裝電熱塞存在增加發動機缸蓋的設計復雜程度、電熱塞本身材質壽命及耗電問題等，但仍不失為解決柴油機冷起動問題的最優選方案。

甲醇辛烷值高，抗爆震性好，在將柴油機改裝成甲醇發動機時，可以適當提高發動機壓縮比來獲得更佳的動力性和經濟性，同時與原柴油機相比，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增大缸內爆震的可能[3]，續晗等[22]進一步揭示了這種烈性爆震現象，認為存在爆燃轉爆轟和直接起爆這兩種方式導致了爆轟波的形成。目前針對高壓縮比甲醇發動機爆震的研究多集中于由汽油機改裝而成的甲醇發動機，而缺少對高壓縮比直噴甲醇發動機的研究。由于通過數值模擬研究缸內爆震過程對計算資源要求非常高，因此,本研究內容未涉及到缸內爆震的相關分析。除此之外，甲醇發動機中非常規污染物問題也值得關注，不久前，工信部等八部門發布的《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》[23]中便針對甲醇發動機中甲醇、甲醛排放限值提出了不大于20 mg/(kW·h)的控制標準。目前對這方面的試驗或模擬研究都十分有限，因此本研究利用數值模擬軟件Converge探索壓縮比對電熱塞引燃式直噴甲醇發動機燃燒及非常規排放的影響，對甲醇燃料在柴油機上的實際應用有一定的借鑒作用。

1 模型建立及驗證

以一臺由DH1115單缸柴油機改造而成的電熱塞引燃式直噴甲醇發動機為基礎，通過CFD模擬軟件Converge耦合甲醇氧化詳細化學動力學機理建立了計算模型[24-26]。表1和表2分別列出了甲醇與傳統燃油理化性質對比以及甲醇發動機相關技術參數。模擬用到的主要物理模型和化學模型包括湍流模型(RNGk-εmodel)[27-28]、噴霧模型(KH-ACT-RT model)[29-31]、燃燒模型(SAGE詳細化學求解器)[32]、蒸發模型(Frossling model)[33]。其中，SAGE詳細化學求解器需要耦合化學動力學機理來進行計算，本研究參考了由Held等[34]基于試驗數據提出的甲醇氧化詳細機理，該機理包含了21種物質、89步反應，被廣泛應用于甲醇發動機模擬計算并且得到了驗證[3,11-12]。

表1 甲醇與傳統燃油理化性質對比

表2 發動機主要技術參數

為了減少計算工作量，模擬過程選取從進氣門關閉時刻142°BTDC開始到排氣門開啟時刻125°ATDC，因此，模型上不包含進氣和排氣過程和結構，模型及噴嘴噴孔分布見圖1。Converge可以自動劃分網格，并有網格自適應功能，可以在計算過程中自動調節網格疏密，減小計算量。基礎網格尺寸設定為1.6 mm，并對噴油區域、電熱塞表面、缸蓋及活塞頂近壁面進行了網格加密，計算過程中平均網格數約為26萬，最大網格數超過70萬。表3列出了初始環境參數、邊界參數及噴油參數設置，渦流比由Converge基于初始參數的設置自動模擬得到，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、壁面邊界條件及噴油參數

參考了太原理工大學王晉[35]在一臺DH1115單缸柴油機上的試驗數據，選用了1 400 r/min、負荷80%工況對應的壓力曲線和放熱率曲線，調整模擬參數與試驗參數一致，驗證結果見圖2。從圖2可以看出模擬值與試驗值吻合情況良好，可以認為本研究建立的計算模型對電熱塞引燃式直噴甲醇發動機燃燒及排放情況的預測是可信的。

圖2 壓力及放熱率的試驗驗證

2 結果與分析

由于發動機的壓縮比是固定的，考慮到臺架試驗通過加工擴大活塞燃燒室來減小壓縮比更容易實現，因此以原壓縮比19.5的計算模型為基礎，選擇擴大燃燒室體積，得到了壓縮比分別為16，17，18和19的計算模型。在發動機轉速為 1 400 r/min下探究壓縮比對電熱塞引燃式直噴甲醇發動機的燃燒及排放的影響。

2.1 壓縮比對甲醇空氣混合情況的影響

圖3示出了壓縮比為16和19時，甲醇燃油當量比分布的變化情況。從圖中可以看出，在曲軸轉角為8° BTDC時，壓縮比為16的工況下在電熱塞附近形成的甲醇混合氣數量明顯少于壓縮比為19的工況。造成這一現象的原因是壓縮比為16相當于燃燒室容積較大，甲醇射流被活塞壁面引導至電熱塞的行程更長，使得甲醇混合氣運動至電熱塞所需時間增加。從圖中還可以看出，壓縮比為19的工況下甲醇混合氣當量比分布均勻性較好，同時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，在燃燒室內存在部分低濃度區域，同時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壓力和溫度，有助于甲醇液滴的蒸發，促使甲醇與空氣更好地混合，更快地形成可燃混合氣。

圖3 不同壓縮比時甲醇燃油當量比分布隨曲軸轉角的變化

2.2 壓縮比對燃燒過程的影響

圖4、圖5和圖6分別示出了壓縮比為16～19.5時的缸內壓力、放熱率和缸內溫度變化情況。從圖中可以發現，缸壓、放熱率和缸溫均隨著壓縮比的增大而增大，其峰值對應時刻均前移，其中壓縮比19.5對應的最大缸壓、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束時缸內空氣的溫度和壓力，一方面有助于噴入缸內的甲醇液滴迅速升溫、蒸發，縮短了形成可燃混合氣所需的時間，另一方面有利于提高混合氣的溫度和壓力，從而擴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，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，可能會造成發動機機械負荷加大，從而影響其工作穩定性以及發動機壽命。

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溫度曲線

圖7 不同壓縮比下的滯燃期變化

2.3 壓縮比對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時的甲醛及未燃甲醇排放。從圖中可以發現，隨著壓縮比的增大，甲醛和未燃甲醇排放均逐漸降低，當壓縮比從16提高到17時，排放降低幅度最大，當壓縮比繼續提高時，排放降低幅度減小，在壓縮比提高到19及以上時，甲醛排放小于0.4 mg/(kW·h)，未燃甲醇排放小于3.1 mg/(kW·h)，遠低于工信部等八部門指導意見[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束時的缸內壓力和溫度，促進甲醇更快地著火燃燒，燃燒過程中缸內的壓力和溫度也可以進一步提高，促使甲醇燃燒更完全，有利于減少不完全燃燒產物的產生。

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量變化

圖11和圖12示出了排氣門開啟時刻(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，發動機壓縮比較低時，在活塞頂面和缸蓋底面殘留較多未燃甲醇，主要是因為壓縮比較低時，噴入缸內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，但此時缸內溫度不高，未燃甲醇氧化過程中會產生大量甲醛。從圖中還可以看到，當發動機壓縮比為19時，甲醛和未燃甲醇的濃度均非常低，說明通過提高壓縮比，提高壓縮過程結束時缸內的壓力和溫度，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 排氣門開啟時刻不同壓縮比下的甲醛分布

圖12 排氣門開啟時刻不同壓縮比下的未燃甲醇分布

3 結論

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

b) 提高壓縮比可以縮短滯燃期，使甲醇著火更加穩定，壓縮比從16提高到19.5，缸內壓力峰值、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，同時發動機機械負荷也會增大，對發動機工作穩定性和壽命會有不利影響；

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，甲醛排放小于0.4 mg/(kW·h)，未燃甲醇排放小于3.1 mg/(kW·h)。