高壓縮比甲醇發動機的排放仿真研究

雷星星，甄旭東，田智，耿杰，李小燕,李汝寧

(1.天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222；2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；3.合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著汽油、柴油等傳統石油能源日益匱乏，尋找替代能源成為現在的重要問題。甲醇被視為最有前途的替代燃料之一，甲醇發動機的排放問題也逐漸受到國內外相關研究人員的重視。Gong等研究了稀薄燃燒條件下噴油時刻以及點火時刻對甲醇發動機分層混合燃料濃度、燃燒、排放特性的影響，研究表明，存在一個最佳的噴油和點火時刻來獲得缸內壓力峰值、放熱率峰值等，且在最佳噴油和點火時刻，CO、未燃甲醇和HC排放最低，NO排放較高。孫景震和C.Gong等對直噴式雙火花塞同步點火甲醇發動機的混合氣體濃度分布、燃燒和排放特性進行了數值研究，研究表明，隨著點火延遲期的增加，未燃甲醇排放顯著增加，NO排放迅速下降。李小平等開展了點火時刻、EGR率及過稀混合氣3種策略對降低NO排放的影響研究，結果表明，隨著點火時刻的推遲，NO和HC排放減少，排放溫度升高，而CO先減少后增加。X.Zhen等模擬了不同發動機工況下的初始排放，并基于LES(大渦模擬)和詳細的化學動力學機理，研究了不同點火時刻、發動機轉速、混合氣濃度和燃燒室形狀對火花點火甲醇發動機排放的影響，研究發現：推遲點火正時或增加發動機壓縮比均可降低CO排放；隨著當量比的增加，CO排放逐漸增加，當量比小于0.9時，CO逐漸減少，在稀薄燃燒條件下幾乎為0；甲醛在燃燒過程的后期消耗很快，所以燃燒后殘留的甲醛很少。陳麗麗等研究發現，優化點火正時，有利于改善發動機的經濟性和排放性，在中低負荷時尤為明顯。袁泉等研究發現，點火時刻提前能有效降低甲醛排放。趙建峰等研究發現，點火時刻提前可提高甲醇發動機缸內壓力、溫度和燃燒穩定性，減少炭煙排放，緩解怠速工況下甲醇發動機的燃燒及排放問題。本研究基于甲醇的詳細化學反應動力學，開展了高壓縮比甲醇發動機的常規和非常規排放特性研究，為大功率甲醇發動機的開發提供借鑒。

1 模型建立及驗證

1.1 研究對象

與傳統汽油、柴油燃料相比，甲醇有著許多優點：汽化潛熱高、辛烷值高、抗爆震性強、著火范圍較寬、火焰傳播速度較快、沸點低、凝固點低等。

本研究中甲醇發動機的主要參數見表1。

表1 甲醇發動機的參數

1.2 發動機模型

本研究根據發動機參數建立了火花點火式甲醇發動機的一維仿真模型(見圖1)和三維仿真模型(見圖2)。一維仿真模型能夠為三維仿真模型提供計算初始條件，三維仿真模型用來模擬發動機的壓縮與燃燒過程。

圖1 甲醇發動機一維仿真模型

圖2 甲醇發動機三維仿真模型

1.3 計算模型

本研究基于GT-Power軟件平臺開展一維仿真計算，計算過程中缸內傳熱模型采用Woschi模型，燃燒模型采用SITurb模型。本研究基于Converge軟件平臺開展三維仿真計算，計算過程中湍流模型采取RNG--模型，點火模型采用Source模型，燃燒模型采用SAGE詳細化學反應求解器，其中化學反應機理采用了Ultan Burke等提出的甲醇化學反應動力學機理，該機理包含46種物質和247步基元反應。仿真計算過程中，計算網格數量約為1 000 000，最大網格尺寸為4 mm，最小網格尺寸為0.125 mm。

1.4 模型驗證

本研究采用的一維發動機工作過程整機仿真模型已在文獻[14]中進行過試驗驗證。除此之外，對于一維模型NO仿真計算結果還參考對比了Li等在相似機型上的試驗結果(見圖3)，兩者得到的結果趨勢較為一致，最大誤差小于7%，可見建立的一維發動機模型滿足性能仿真的要求。圖4示出了三維模型采用不同的網格尺寸所得到的仿真計算結果，從圖中可以看出，3種網格尺寸的仿真計算結果基本一致。圖5示出了三維模型仿真計算結果與一維模型仿真計算結果，同時參考對比了C.Gong等在相似機型上的試驗結果。從圖中可以看出，壓力和放熱率的趨勢基本一致，三者之間的最大誤差小于5%。因此，所建立的三維模型可以用來模擬發動機的壓縮和燃燒過程。

圖3 一維仿真NOx排放的試驗驗證

圖4 網格尺寸無關性驗證

圖5 壓力、放熱率一維、三維仿真值與試驗值的對比

2 結果與分析

本研究選取的工況參數以及模擬初始條件如下：轉速2 000 r/min，節氣門開度90%，初始溫度310 K，初始壓力0.12 MPa，缸壁、缸蓋、活塞溫度均為450 K，活塞頂面溫度500 K。

2.1 點火時刻對常規與非常規組分排放的影響

點火時刻分別取-6°ATDC，-8°ATDC，-10°ATDC，-12°ATDC，-14°ATDC，研究其對甲醇發動機非常規有害排放甲醇、甲醛排放，常規有害排放CO，NO及CO的影響。

不同的點火時刻對甲醇排放質量的影響見圖6a，由圖可知, 隨著點火時刻的推遲，甲醇由排放峰值開始下降的時刻也會相應推遲，并且從峰值到最小值的持續時間也會相應增加。點火角為-14°ATDC時，從甲醇排放峰值到最小值持續了9°，而在點火角為-6°ATDC時，其持續了10°。原因則是未燃甲醇的濃度直接受到甲醇消耗量的影響，當點火角推遲時，缸內燃燒會惡化，壓力、溫度都會降低，火焰傳播速度減小。當排氣門打開時，缸內未燃甲醇近乎于0。

CO是在空氣較濃時，由于燃料的不完全燃燒而產生的。由圖6c可知, 隨著點火時刻的推遲，CO峰值排放量的出現時刻也會推遲。點火時刻從-14°ATDC推遲到-10°ATDC，排氣門開啟時刻CO的排放量由0.328 mg減少到0.325 mg，而點火時刻從-10°ATDC推遲到-6°ATDC時，CO排放量則由0.325 mg增加到0.332 mg。

NO的主要成分為NO，NO的生成包含高溫NO、激發NO、燃料NO三個來源。小部分NO來自于預混合燃燒的高溫環境，而大部分NO產生在擴散燃燒中。由圖6d可知，燃燒過程中NO生成量先增加后減少。隨著點火角的推遲，NO峰值出現時刻也有所推遲，并且峰值降低，其原因則是點火角的推遲會使缸內燃燒溫度降低，NO的濃度因而減小。隨著燃燒過程的進行，缸內的氧含量逐漸降低，導致NO生成量下降。

CO是一種無色氣體，本身沒有毒性，但它是產生“溫室效應”的主要成分，同時它也是表征燃燒性能的重要參數，相同噴油量下CO排放越多代表燃燒性能越好。由圖6e可知，CO會在燃燒前中期快速產生，在燃燒后期增加得比較緩慢。其原因是燃燒過程前期氧氣較充足，隨著燃燒過程的進行，氧氣越來越少，CO生成減緩。當排氣門打開時，隨著點火角的推遲，CO的質量會從-14°時的159.6 mg減少到-6°時的157.3 mg，表明缸內燃燒變差。

圖6 不同點火時刻下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.2 當量比對常規與非常規組分排放的影響

從圖6中可以看出，未燃甲醇和甲醛的生成量在排氣門開啟時都近乎于0，CO的生成量在點火角為-10°ATDC時最低。隨著點火時刻的推遲，NO的排放量和CO排放量逐漸降低。本部分研究點火角取-10°ATDC，當量比分別取0.83，0.91，1，1.11，1.25。

圖7示出了不同的當量比對缸內甲醇、甲醛、CO、NO、CO生成的影響。由圖7a可知，隨著混合氣濃度的增加，甲醇燃燒滯燃期和持續期縮短。其原因是當量比大于等于1時，混合氣偏濃，火焰傳播更加容易，燃燒得更快，因此燃燒持續期更短；當量比小于1時，則相反。當排氣門打開時，無論當量比為多少，缸內未燃甲醇幾乎為0。

由圖7b可知，當量比分別為0.83和1.25時，甲醛排放峰值分別達到最小和最大。由對比可知，甲醛排放量整體趨勢都是先增加然后減少，這完全可以由甲醛的生成機理來解釋。當排氣門打開時，缸內甲醛近乎于0。

CO主要是由缸內缺氧而造成的不完全燃燒產生的，由圖7c可知，混合氣越濃，氧含量就越低，CO的生成量也會越高，同時CO峰值出現時刻也會越來越提前。其原因是稀薄混合氣下，火焰傳播速度變慢，化學反應速率減小。由此可見，當量比對CO的排放有很大的影響。

由圖7d可知，隨著混合氣濃度變稀，NO排放峰值以及排氣門開啟時的排放量都在增大。當量比在1.25到0.91這一范圍內，混合氣濃度變稀，此時高溫富氧的NO生成條件都滿足，因此NO的生成增加；當量比在0.91到0.83這一范圍內，隨著當量比的過度減小，混合氣濃度過稀，導致缸內溫度過低，抑制了NO的生成。

由圖7e可知，當量比為1時，CO的生成量最大，達到158.7 mg，說明此時缸內混合氣燃燒較為充分。當量比小于1時，CO排放量減小，原因是混合氣濃度變稀，有稀釋作用，火焰傳播速度變慢，導致CO的生成量減少；當量比大于1時，與完全燃燒時相比，CO的量也會減少，原因是濃度高的區域燃燒后的溫度也較高，已經生成的CO也會有一小部分分解成CO和O。

圖7 不同當量比下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.3 EGR率對常規與非常規組分排放的影響

本部分研究點火時刻取-10°ATDC，EGR率分別取0，10%，15%，20%，25%。

由圖8a可以看出，EGR率增大具有稀釋的功能，導致缸內的氧含量降低，缸內溫度降低，層流火焰傳播速度減小，甲醇燃燒持續期變長，同時甲醇著火滯燃期變長，并且缸內混合氣由于稀釋作用導致甲醇含量減少。當排氣門打開時，無論EGR率為多少，缸內未燃甲醇的排放近乎于0。

由圖8b可以看出，隨著EGR率增大，甲醛排放峰值下降，甲醛峰值出現時刻也會推遲，并且甲醛從生成到消耗的持續期變長,其原因在于缸內EGR率增大，氧含量降低。甲醛的生成與消耗同溫度有很大關系，隨著EGR率的增加，缸內廢氣越來越多，溫度逐漸降低，甲醛消耗逐漸減少，兩者疊加，導致甲醛的排放峰值降低。隨著EGR率的增加，缸內溫度降低，層流火焰傳播速度減小，導致缸內甲醛從生成到消耗的持續期變長。當排氣門打開時，缸內甲醛量也近乎于0。

由圖8c可以看出，隨著EGR率增加，CO峰值下降，峰值出現時刻推遲，生成到消耗的持續期變長。其原因是隨著EGR率的增加，燃燒室溫度和氧含量都降低，CO的氧化反應被減弱，導致CO排放下降。從圖中也可以看出，在排氣門開啟時刻CO排放量增加得不太明顯，最大值僅在0.33 mg左右。

由圖8d可以看出，隨著EGR率增加，NO峰值出現時刻推遲，峰值也逐漸減小。排氣門開啟時的排放量也逐漸降低，當EGR率為25%時，NO的排放量甚至接近0。其原因是燃燒室高溫條件下空氣中的氮氣和氧氣發生氧化反應產生NO，無EGR引入時，燃燒溫度較高，容易產生NO；隨著EGR率的增大，缸內溫度降低，氧氣濃度下降，導致生成的NO減少。由此可見，EGR技術是降低NO的重要措施之一，當EGR率大于25%時，NO的生成量接近于0。

由圖8e可以看出,隨著EGR率的增加，CO初始的量會越來越多，氧含量降低，溫度下降，反應速率變慢，導致CO排放達到峰值的時間變長。

圖8 不同EGR率下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.4 缸內常規與非常規組分的演變

在點火角為-10°ATDC、當量比為1、EGR率為0的條件下，研究缸內溫度、甲醇、甲醛、CO、NO以及CO的變化。

由圖9可知，隨著燃燒過程的進行，缸內溫度越來越高，只有甲醇演變過程與其相反，其余組分都與溫度演變一致，說明缸內溫度是影響排放的主要因素之一。

圖9 燃燒過程中缸內溫度、甲醇、甲醛、CO、NOx和CO2的演變圖

從圖中可以看出，隨著火花塞附近區域溫度增加，聚集在火花塞附近的甲醇、甲醛的量減少，通過觀察它們的位置，可推測在冷啟動或者怠速下，未燃甲醇與甲醛殘留很多時，主要聚集在溫度比較低的氣缸壁附近，溫度是影響這兩種排放物的主要原因。隨著燃燒反應的進行，溫度逐漸增加，火花塞附近的氧含量逐漸降低，導致CO，NO，CO的排放量增加,并且它們的生成趨勢都是從火花塞附近向缸壁擴展。當排氣門開啟時，除了NO和CO，其余物質的排放量近乎于0，由此可得出此時的排放物主要為CO和NO。

3 結論

a)隨著點火時刻的推遲，CO排放有所降低，當點火角為-10°ATDC時，CO排放最少；隨著當量比和EGR率的增加，CO排放有所增加，其中當量比的影響更為顯著；

b)當排氣門打開時，缸內未燃甲醇和甲醛的排放量幾乎都為0，可推斷出甲醛與未燃甲醇是在排氣管內產生的；隨著點火時刻推遲、當量比增大、EGR率減小，甲醇的反應持續時間都會縮短；隨著點火時刻的推遲和EGR率的增加，甲醛峰值的出現時刻有所推遲，此外，增大EGR率還會使甲醛峰值減小；

c)當缸內未燃甲醇與甲醛濃度較高時，缸內的溫度相對較低，由此推斷在低溫的氣缸壁區域能產生大量的未燃甲醇和甲醛；

d)隨著點火時刻的推遲，當量比和EGR率的增加都會使NO的排放減少；

e)隨著點火角的推遲和EGR率的增加，CO排放減少，當量比為1時，CO的排放量達到最大。