進氣溫度對甲醇發動機燃燒及非常規排放的影響研究

吳繼盛

摘要：通過模擬軟件CONVERGE耦合甲醇氧化詳細化學動力學機理，在1臺由DH1115單缸柴油機改裝而成的電熱塞助燃式直噴甲醇發動機上，研究了進氣溫度對甲醇發動機燃燒及非常規排放的影響。結果表明，提高進氣溫度，有利于改善甲醇的蒸發及擴散，提高甲醇與空氣混合質量，改善燃燒質量、降低非常規排放。當進氣溫度從300K提高到360K時，壓力、放熱率和溫度峰值提升顯著，甲醛及未燃甲醇排放分別減少到了0.1mg·kWh-1、0.2mg·kWh-1，降低幅度接近100%。

Abstract： In this study， numerical study was performed for the effects of inlet temperature on combustion and unregulated emissions in a glow plug assisted direct-injection methanol engine using CONVERGE， coupling the methanol detailed chemical kinetic mechanism. The results show that increasing the inlet temperature improves the evaporation and diffusion of methanol. Meanwhile， increasing inlet temperature raises the combustion temperature， which improves the combustion quality of methanol and reduces the emissions. With the inlet temperature increasing from 300K to 360K， the peaks of pressure， heat release rate and temperature increase significantly， and the emissions of formaldehyde and unburned methanol are was reduced to 0.1mg·kWh-1 and 0.2mg·kWh-1， respectively， with a reduction of nearly 100%.

關鍵詞：直噴甲醇發動機;進氣溫度;燃燒;非常規排放

Key words： direct-injection methanol engine;inlet temperature;combustion;unregulated emissions

0 ?引言

隨著我國交通運輸業的快速發展，為了解決能源安全及環境污染問題，尋求清潔可再生能源已成為人們迫切的需求。作為諸多替代燃料之一的甲醇憑借著來源廣泛、用途多樣的特點在近年來吸引了大量的關注[1]。甲醇具有辛烷值高，有良好的抗爆震性，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[2]，因此在內燃機上燃用甲醇逐漸成為了一個熱門研究領域。

考慮到甲醇理化性質與汽油相近，我國在甲醇作車用替代燃料的研究方面，多傾向于將甲醇應用到汽油機上，比如近幾年吉利汽車公司研發的甲醇出租汽車在國內五省一市以及歐洲冰島開展試點運營，發現甲醇出租車在動力性方面與汽油車相當，并且在經濟型及排放性方面具有明顯優勢[3]。而與汽油機相比，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，因此在柴油機上燃用甲醇更有利于緩解我國能源及環境壓力。

柴油機燃用甲醇存在諸多技術難點亟需克服，比如甲醇十六烷值低，在柴油機上難以直接壓著火，需要其他的輔助手段幫助其著火燃燒[4]，此外，甲醇的高著火濃度下限、低蒸汽壓力、高汽化潛熱都使得以甲醇為燃料的發動機冷啟動困難，容易產生甲醛及未燃甲醇排放[5]。由此，相繼出現柴油甲醇雙直噴技術[6]、甲醇柴油摻混燃燒技術[7]、柴油甲醇組合燃燒技術[8]、火花塞或電熱塞助燃式直噴甲醇技術[9，10]等方式，來實現在柴油機上燃用甲醇。

其中，電熱塞助燃式直噴技術能解決柴油燃用純甲醇時的著火困難問題，是目前柴油機燃用甲醇技術中較有前途的方法之一，但這一技術仍然有其他問題亟需解決，比如電熱塞只對電熱塞附近局部區域內的氣體有較為明顯的升溫作用，對整個氣缸內的氣體影響十分有限[11]，當面對極端情況，比如進氣溫度過低，可能仍然需要采取其他輔助手段來幫助甲醇著火燃燒，包括采取進氣加熱、廢棄再循環等方式來提高進氣溫度。宮長明等[12]在一臺火花塞點燃式直噴甲醇發動機上研究了冷啟動階段下進氣溫度對混合氣形成、燃燒過程及非常規排放的影響，發現提高進氣溫度到293K有利于改善甲醇燃燒，但進一步提高進氣溫度并不能達到更佳的效果。而對于電熱塞助燃式直噴甲醇發動機，目前還沒有關于進氣溫度這方面的研究，因此本文研究進氣溫度對甲醇發動機著火燃燒的影響十分必要。

除上述問題之外，甲醇發動機非常規排放問題也得到了廣泛關注，在2019年工業和信息化部等八部門發布的《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》[13]，建議甲醇汽車的甲醛及未燃甲醇排放在20mg·kWh-1以內，因此研究甲醇發動機非常規排放問題具有重要意義。目前，關于電熱塞引燃式直噴甲醇發動機試驗和模擬研究都十分有限，本研究旨在利用數值模擬軟件CONVERGE探索進氣溫度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，對甲醇發動機的設計和實際應用具有重要的指導作用。

1 ?數值模型建立與驗證

1.1 發動機模型

以一臺由型號為DH1115的單缸柴油機改造而成的電熱塞引燃式直噴甲醇發動機為研究對象，實驗發動機主要技術參數見表1，噴油器噴孔分布及電熱塞布置參見圖1。燃料為純甲醇，甲醇的理化性質如表2所示。

采用Solidworks與CONVERGE相結合的方式，建立了柴油機燃燒室模型，為了減少計算工作量，模擬過程選取從進氣門關閉時刻142°CA BTDC（°或deg，degree，度;CA，crank angle，曲軸轉角;BTDC，before top dead center，上止點前）開始到排氣門開啟時刻125°CA ATDC（ATDC，after top dead center，上止點后），因此模型上不包含進氣和排氣過程和結構，模型見圖2。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。基礎網格尺寸選定為1.6mm，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，并且網格經過了獨立性檢驗，結果如圖3所示，可以發現，網格基本尺寸從1.8mm縮小到1.6mm后，壓力峰值變化小于1%，峰值對應曲軸轉角度數變化小于0.2°CA，可以認為1.6mm的網格基本尺寸能夠滿足計算需求，繼續縮小網格尺寸對計算結果的影響不大。

1.2 計算模型

模擬用到了主要物理模型和化學模型包括：湍流模型，RNG k-ε model;噴霧模型，KH-ACT-RT model;燃燒模型，SAGE詳細化學求解器;蒸發模型，Frossling model。其中，燃燒模型耦合了甲醇氧化詳細化學動力學機理，該機理包含了21種物質、93步反應，并且得到了Zhen[2]的驗證。表3展示了初始環境參數、壁面邊界參數及噴油參數設置。活塞頂、氣缸壁、缸蓋、電熱塞及噴油器表面邊界均視為恒溫壁面邊界，溫度參考了諸多相關文獻并取了經驗值[14，15]。

1.3 模型驗證

參考了太原理工大學的王晉[16]在一臺DH1115單缸柴油機上的試驗數據，選用了轉速為1400rpm、負荷為80%的工況下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，驗證結果如圖4所示，從圖中可以看出壓力和放熱率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，為了保證后文計算結果的合理性，模擬轉速也設定在1400rpm。

2 ?結果與分析

針對甲醇發動機而言，提高進氣溫度既可以改善甲醇高自燃溫度、高汽化潛熱帶來的著火困難問題，也可以進一步提高缸內燃燒質量、促進甲醇完全燃燒，達到降低污染物排放的效果，而目前提高進氣溫度可以通過廢氣循環、熱交換器等方法來實現。本文選取280K、300K、320K、340K、360K及380K這6種進氣溫度，在轉速1400rpm、油耗量4.68kg/h的模擬工況下探究進氣溫度對甲醇發動機燃燒及非常規排放的影響。

2.1 進氣溫度對滯燃期的影響

圖5展示了進氣溫度對滯燃期的影響，進氣溫度為280K時甲醇未能著火，故圖中無280K工況對應滯燃期。從圖中可以明顯看出，隨著進氣溫度的提高，滯燃期逐漸縮短，當進氣溫度從300K提高到380K時，滯燃期從22.4deg縮短到了15.6deg。可以認為，對于電熱塞引燃式直噴甲醇發動機而言，提高進氣溫度能有效改善甲醇著火困難和冷啟動的問題。

2.2 進氣溫度對混合氣均勻性的影響

圖6展示了進氣溫度為300K至380K時活塞位于上止點時的燃空當量比分布情況。從圖中可以看出，當進氣溫度為300K時，當活塞運行到上止點時，缸內混合氣濃度分布仍較稀薄，雖然電熱塞附近燃料濃度相對高于其他區域，但其燃空當量比低于1，不利于甲醇著火，造成滯燃期延長。當進氣溫度進一步提高至320K、340K、360K時，可以發現缸內混合氣濃度整體明顯上升，低濃度區域面積明顯減少，并且電熱塞附近燃空當量比顯著提升，但是混合氣均勻性仍較差。當進氣溫度提高到380K時，缸內混合氣均勻性有所改善，燃燒室電熱塞一側的高濃度區域面積進一步擴大，而遠離電熱塞一側的低濃度區域面積明顯減少，燃燒室內燃空當量比趨于平均。當進氣溫度時300K時，缸內氣體溫度較低，不利于甲醇的蒸發，因此甲醇蒸發量少，缸內甲醇混合氣濃度上升緩慢，當進氣溫度提高過后，甲醇蒸發速率得到提升，所以能迅速在電熱塞附近產生較濃的甲醇混合氣，這有助改善甲醇著火困難的問題，同時缸內溫度的提升也有助于甲醇混合氣的擴散，使得缸內混合氣濃度趨向平均，有利于促進甲醇完全燃燒。

2.3 進氣溫度對燃燒過程的影響

圖7、圖8和圖9分別展示了不同進氣溫度下的壓力、放熱率和溫度曲線的變化情況。從圖中可以發現，進氣溫度為280K時甲醇未能著火燃燒，進氣溫度為300K時壓力、放熱率和溫度峰值均為最低，分別為8.80MPa、215.65 J·deg-1、1809.15K。當進氣溫度提高到360K時，壓力、放熱率和溫度峰值分別上升了51.02%、836.90%、25.23%，分別為13.29MPa、2020.43J·deg-1、2265.55K。當進氣溫度提升到380K時溫度、放熱率峰值有所上升，但壓力峰值有所下降。當進氣溫度為300K時，缸內氣體溫度低，甲醇蒸發緩慢，缸內混合氣濃度上升緩慢，混合氣分布整體較稀薄，燃燒室內電熱塞一側混合濃度低，造成了著火困難、滯燃期延長，燃燒質量較差。當進氣溫度提高后，缸內氣體溫度上升，甲醇蒸發速率加快，缸內混合氣分布質量得到改善，整體濃度上升，電熱塞一側濃度顯著提高，有利于甲醇著火燃燒，缸內壓力、放熱率和溫度均提升明顯，燃燒質量較好，并且缸內混合氣分布趨向均勻化，缸內整體燃燒質量得到提高，有利于降低不完全燃燒污染物的產生。

2.4 進氣溫度對非常規污染物排放的影響

圖10和圖11分別展示了排氣門開啟時刻不同進氣溫度下的甲醛和未燃甲醇排放。從圖中可以看出，隨著進氣溫度的提高，甲醛和未燃甲醇排放逐漸降低，當進氣溫度從300K提高到360K，甲醛及未燃甲醇排放降低顯著，分別從143.8mg·kWh-1、901.1mg·kWh-1減少到了0.1mg·kWh-1、0.2mg·kWh-1，降低幅度接近100%，滿足了排放限值規定的20mg·kWh-1[13]。當進氣溫度進一步提高到380K時，由于甲醛及未燃甲醇排放量已經處于非常低的水平，對甲醛及未燃甲醇的排放改善效果有限，因此從非常規排放的角度來考慮，模擬工況下進氣溫度為360K較為適宜。

圖12和圖13分別展示了排氣門開啟時刻不同進氣溫度下的甲醛及未燃甲醇質量分數分布情況。從圖中可以明顯看出，甲醛濃度分布與未燃甲醛濃度分布情況十分契合，可以認為，造成甲醛排放的主要原因是未燃甲醇在燃燒后期不完全燃燒造成的。當進氣溫度為300K時，由于缸內溫度較低，噴入氣缸的甲醇噴霧蒸發緩慢，使得部分甲醇保持著液態附著在活塞頂、氣缸壁等壁面上，隨著燃燒過程的結束，壁面上的甲醇從缸內高溫煙氣吸熱蒸發，并發生不完全燃燒，產生了大量甲醛，同時由于缸內燃燒溫度較低，甲醛未能進一步氧化，使得甲醛的排放顯著增加。當進氣溫度提高后，缸內溫度得到提高，有利于甲醇蒸發及擴散，使得缸內殘留的液態甲醇含量降低，同時進氣溫度提高后，進一步改善了甲醇的燃燒質量，缸內溫度整體較高，有利于甲醛的氧化，從而使甲醛濃度顯著降低。

3 ?結論

通過分析進氣溫度對直噴甲醇發動機的滯燃期、甲醇空氣混合過程、燃燒及排放的影響，得到了以下結論：

①提高進氣溫度，有利于改善甲醇的蒸發及擴散，可以提高甲醇于空氣的混合質量，縮短滯燃期，提高甲醇著火穩定性，當進氣溫度為280K時甲醇無法著火，當進氣溫度從300K提高到380K時，滯燃期從22.4deg縮短到了15.6deg。

②提高進氣溫度可以改善甲醇燃燒質量，當進氣溫度從300K提高到360K時壓力、放熱率和溫度峰值提升顯著，當進氣溫度進一步提高到380K時，改善效果不明顯。

③提高進氣溫度有利于促進甲醇完全燃燒，降低甲醛及未燃甲醇排放，當進氣溫度從300K提高到360K時，甲醛及未燃甲醇分別減少到了0.1mg·kWh-1、0.2mg·kWh-1，降低幅度接近100%，低于排放限值20mg·kWh-1。

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