PODE/甲醇雙燃料發動機甲醛排放生成特性研究

莫瑞 談秉乾 胡亞輝 李盼

1.西南林業大學機械與交通學院 云南省昆明市 650224 2.無錫恒和環保科技有限公司 江蘇省無錫市 214174

1 引言

內燃機作為一種動力機械，廣泛應用于交通運輸、農業、發電、建筑工程等領域，但隨之帶來的環境污染問題日益加劇，因此，探索綠色清潔替代燃料勢在必行，如甲醇、生物柴油、氫氣、天然氣、聚甲氧基二甲醚等。其中，甲醇因其成本低、易于儲存和廣泛分布而成為廣泛研究的柴油機替代燃料[1]。然而，添加醇類燃料發動機的甲醛排放遠高于傳統燃料發動機。甲醛已被美國環境保護局列為可能致癌物，工作場所中甲醛濃度受到嚴格限制。甲醛在室溫下是一種無色、劇毒、易燃的氣體，具有強烈刺激性氣味。甲醛是眼睛、皮膚和呼吸道的刺激物，甲醛蒸氣會導致支氣管變窄，肺部積液。低劑量的甲醛暴露可導致急性頭痛、鼻炎和呼吸困難，高劑量可能會引起嚴重的粘膜刺激、流淚和下呼吸道影響，如支氣管炎、肺水腫或肺炎[2]，攝入30mL37%的甲醛溶液就會導致成年人死亡。

甲醇和PODE 這兩種含氧燃料具有廣闊的應用前景和研究基礎。但添加醇類燃料發動機比柴油機排出的甲醛更多，限制了其在汽車發動機上的應用[3]。因此，必須系統研究甲醛排放的生成影響因素，采取有效措施控制甲醛的排放。研究人員針對甲醇添加量對PODE/甲醇混合燃料在高壓共軌發動機上的燃燒和排放特性展開了研究，研究發現甲醇比例增加延長了點火遲滯時間，而甲醛和甲醇等非常規排放量也會有所增加[4]。此外，發動機負荷、噴油時刻和進氣溫度也是影響甲醛生成特性的重要因素[4]。因此，從污染物控制的角度上，有必要圍繞PODE/甲醇雙燃料發動機甲醛形成過程及其影響因素系統開展臺架試驗和數值模擬研究。

2 研究內容

2.1 試驗臺架及設備

試驗研究采用的基礎發動機是一臺4 缸增壓中冷高壓共軌柴油機，主要技術參數見表1。圖1 所示為雙燃料發動機試驗裝置示意圖。為了實現PODE/甲醇雙燃料燃燒模式，在發動機進氣系統增加了一套額外的甲醇控制系統。甲醇系統控制進氣道噴射甲醇燃料，噴射壓力固定為0.4MPa。原機共軌系統控制缸內直噴PODE 燃料，噴油壓力設定為150MPa。原機ECU 系統控制策略開放，可以通過INCA 軟件調整噴射參數。

表1 發動機主要技術參數

圖1 試驗裝置示意圖

在試驗研究中，測試設備主要包括由電力測功機、油耗儀、醇耗儀、壓力傳感器、電荷放大器以及傅里葉紅外光譜儀等，主要測試設備參數見表2。壓力傳感器用以測量雙燃料發動機的缸內壓力和放熱率，而傅里葉紅外光譜儀用來測量雙燃料發動機的甲醛排放。

表2 臺架試驗主要設備和測試儀器

2.2 仿真模型建立

本研究采用CFD軟件CONVERGE 建立PODE/甲醇雙燃料發動機缸內燃燒數值模型，探討不同甲醇比例下雙燃料燃燒中的缸內溫度場和甲醛的形成過程。采用了包含101 個組分和473 個反應的PODE/甲醇燃燒反應機理模型，采用RNG k-ε 模型模擬缸內湍流，采用LEM 模擬燃料噴射過程，采用KH-RT 模型模擬液滴破裂過程，采用O‘Rourke 模型模擬PODE 噴霧液滴的碰撞。

根據試驗發動機的相關結構參數，利用UG 軟件建立發動機燃燒室三維模型，試驗發動機的噴油器為8 孔且均勻分布，因此建立1/8 燃燒室模型。燃燒室計算網格劃分如圖2所示。該網格的基本網格尺寸為2.0mm，并采用3.0 的自適應網格細化尺度，生成的最小網格尺寸為0.25mm，以提高預測精度。

圖2 缸內燃燒仿真模擬的計算域

2.3 燃燒模型驗證

選擇2400r/min 和50%負荷工況，甲醇比例為30%，進行缸內壓力和放熱率的試驗與模擬結果對比驗證，其對比結果如圖3所示。從圖中可以看出，在雙燃料燃燒模式下的模擬與試驗測量結果基本一致，最大誤差小于5%。其仿真的點火延遲期、燃燒壓力峰值、放熱率峰值等主要燃燒特征參數也與試驗數據吻合較好。因此，該燃燒模型可用于預測PODE/甲醇雙燃料發動機缸內燃燒過程。

圖3 缸內壓力和放熱率的試驗值與模擬值對比

2.4 研究方法

在試驗研究中，首先選定額定轉速2400r/min 的30%、50%、70%負荷，在PODE的噴油正時為-7CA ATDC（上 止點后）和進氣溫度為50C 條件下，研究不同負荷下甲醇比例（M0、M10、M20、M30、M30、M40、M50）對雙燃料發動機甲醛排放的影響。其次，在50%負荷和50C進氣溫度下，研究M0 和M30 模式的甲醛排放隨著噴油正時（-10、-7、-4、-1 和 -2CA ATDC）的變化規律。最后，在50%負荷和噴油正時為-7CA ATDC 下，研究了進氣溫度（30、40、50 和60C）對M0 和M30 模式甲醛排放的影響規律。

3 研究結果及分析

3.1 仿真研究結果

圖4（a）為在轉速2400r/min 和50%負荷工況下，雙燃料發動機在不同甲醇比例條件下的缸內溫度場的分布特性。可以發現，隨著甲醇比例的增加，缸內高溫區域面積減小，缸內最高溫度下降，溫度場分布更加均勻。這是因為甲醇燃料的揮發性和汽化潛熱較大，在一定程度上延長了著火滯燃期；同時，PODE 有良好的蒸發氧化特性，減少了缸內的貧氧區域，使得缸內混合氣分布更加均勻。因此，在燃燒后期，缸內高溫區域面積減小，缸內溫度場分布變得均勻。

圖4 甲醇比例對缸內溫度場和甲醛濃度場分布的影響

圖4（b）為在轉速2400r/min 和50%負荷工況下，不同甲醇比例下雙燃料發動機缸內甲醛濃度場的分布特性。可以看出，雙燃料燃燒模式的甲醛排放隨著甲醇比例的增加呈現增加的趨勢。結合圖4（a）缸內溫度場的分布情況可以看出，甲醛濃度最高的區域出現在火焰前鋒面之后。此外，可以發現2000～2500K的溫度范圍內的甲醛生成速率較快，這是由于該溫度范圍內容易發生甲醇的脫氫反應生成甲醛。

3.2 試驗研究結果

圖5 為不同負荷下甲醇比例對PODE/甲醇雙燃料發動機甲醛排放的影響。可以看出，隨著甲醇比例的增加，甲醛排放增加。在50% 負荷下，與M0 模式相比，M10、M30、M20、M40 和M50 的甲醛排放分別提高了129.6%、203.8%、289.0%、376.0%和385.0%。這是因為甲醛是甲醇燃燒的中間產物，與甲醇燃料的不完全燃燒是直接相關的，因此隨著甲醇比例增加而增加。隨著負荷的增加，雙燃料模式的缸內溫度和燃燒效率增加，因而降低了甲醛排放。

圖5 甲醇比例對雙燃料發動機甲醛排放的影響

圖5 為在轉速2400r/min 和50%負荷下雙燃料發動機甲醛排放隨噴油正時的變化規律。可以看出，隨著噴油正時的延遲，甲醛排放增加。與M0 模式相比，M30 模式甲醇排放明顯增加。當噴油正時從-10°CA ATDC推遲至2° CA ATDC時，M30 模式的甲醛排放增加了72.0%。這是因為噴油正時的延遲導致缸內甲醇燃料不能完全氧化和燃燒，缸內壓力和溫度也開始降低，且在較低溫度下甲醇非常容易生成甲醛排放。

圖6 為轉速2400r/min 和50%負荷下，進氣溫度對雙燃料發動機甲醛排放的影響。從圖中可以看出，M30 模式的甲醛排放隨著進氣溫度的增加而減少，而M0 模式甲醛排放先上升后降低，但均維持在較低水平。當進氣溫度從30°C 依次上升至40°C、50°C和60°C 時，M30 模式的甲醛排放分別降低了1.5%、10.6%和11.2%。缸內溫度在很大程度上決定了甲醛和未燃甲醇的生成和氧化進程。較高的缸內溫度減少未燃甲醇的形成，進而促進甲醛的氧化。這表明缸內燃燒反應過程變得更加激烈，有利于提高雙燃料燃燒效率，從而降低不完全燃燒產物甲醛生成。

圖6 噴油正時對雙燃料發動機甲醛排放的影響

圖7 進氣溫度對雙燃料發動機甲醛排放的影響

4 結論

本研究通過臺架試驗和數值模擬相結合的方法，分析了缸內燃燒中甲醛分布特性與演變過程，并系統研究甲醇比例、噴油時刻和進氣溫度對PODE/甲醇雙燃料燃燒模式甲醛排放特性的影響規律。主要結論如下：

（1）隨著甲醇比例的增加，雙燃料燃燒模式的缸內溫度場分布變的更加均勻，缸內最高溫度值下降。隨著甲醇比例的增加，雙燃料燃燒的甲醛排放增加，而發動機負荷增加會使得甲醛排放減少。

（2）隨著噴油正時的推遲，雙燃料燃燒的甲醛排放呈上升趨勢。當噴油正時從-10° CA ATDC推遲至2° CA ATDC 時，M30 模式的甲醛排放增加了72.0%。進氣溫度的增加將導致雙燃料燃燒的缸內氧化反應提前，降低甲醛排放。當進氣溫度從30°C升高至60°C 時，M30 模式的甲醛排放降低了11.2%。