高壓縮比甲醇發動機非常規排放影響分析

甄旭東,雷星星,田智,耿杰,李汝寧,李小燕

(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)

2016年頒布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》法規對汽車的減排提出了更高要求。隨著我國汽車保有量的增加,以及在環保及節能的雙重壓力下,尋找一種新的替代燃料已刻不容緩[1]。甲醇作為一種新型燃料,與汽油、柴油相比,它有著辛烷值高、沸點低、能量密度高、抗爆震性強等優勢,但其存在燃燒后易產生未燃甲醇及甲醛等非常規排放物等缺點[2]。對于非常規排放物的研究,孫景震等[3]研究發現,當燃空當量比由0.33增大到0.4時,缸內燃燒溫度大幅度升高,甲醛能夠得到氧化分解,甲醛濃度降低;Gong等[4]和吳繼盛等[5]通過進氣溫度的提高降低了甲醛及未燃甲醇排放;張超等[6]與彭樂高等[7]都發現富氧措施能使缸內燃燒溫度升高,缸內環境得到改善,有利于甲醛生成,導致缸內甲醛質量分數升高,同時未燃甲醇質量分數減少;Cheung等[8]研究發現了生物柴油甲醇混合燃料的非常規排放量更高,同時隨著混合燃料中甲醇含量的增加,醛類物質和未燃燒甲醇排放量增加。宮長明[9]和袁泉[10]等研究人員發現：增加點火角提前角有利于改善混合氣燃燒,提高缸內燃燒溫度,有效降低甲醛排放。關于甲醇發動機稀薄燃燒的大量研究表明,未燃甲醇及甲醛排放是點燃式缸內直噴甲醇發動機的首要問題[11-12]。有研究者通過對電控汽油機燃用中高低比例的摻醇燃料的燃燒、排放特性進行研究,得出了摻醇后燃料的一些醇醛排放變化規律[13-14]。目前國內外學者針對甲醇發動機的研究主要集中在小功率發動機上,對于大功率甲醇發動機的非常規排放特性的研究還較為薄弱。本研究通過使用三維CFD軟件耦合甲醇的詳細化學反應動力學機理,基于不同邊界條件,開展了高壓縮比甲醇發動機的非常規排放特性研究,以期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 模型的建立

本研究中發動機是基于某款柴油機改造而成,發動機主要參數見表1。

通過GT-Power仿真平臺,根據發動機結構及參數建立了一維仿真模型,其作用是模擬進氣過程,為三維CFD仿真計算提供初始條件和邊界條件。本研究運用三維CFD仿真軟件模擬了進氣門關閉 (136°BTDC)到排氣門開啟(107°ATDC)的壓縮與燃燒做功過程,其模型見圖1。通過三維仿真計算分析發動機燃燒過程中的非常規排放物的生成與演變過程。

表1 甲醇發動機的參數

圖1 甲醇發動機三維仿真模型

基于GT-Power仿真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。基于CFD軟件平臺開展三維仿真計算,計算過程中湍流模型采取RNG-k-ε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Shuojin Ren等[15]提出的包含了178種物質和758步基元反應的甲醇化學反應動力學機理。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[16]。

1.2 模型驗證

本研究所采用的發動機工作過程整機一維仿真模型已在文獻[17]中進行過試驗驗證。對于三維模型的驗證,由圖2a的網格無關性驗證可知,網格對計算結果沒有太大影響。圖2b示出三維模型與一維模型計算結果的對比,同時參考對比了Gong等[18]在相似機型的研究結果,可以看出壓力和放熱率的趨勢基本一致,最大誤差在5%以內。因此,本研究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2 計算模型驗證

2 結果與分析

2.1 點火角及負荷對非常規排放的影響

表2列出不同點火角及負荷下的非常規排放計算條件。圖3和圖4分別示出點火角在-12°ATDC和-6°ATDC條件下排氣門開啟時刻非常規排放物質未燃甲醇與甲醛的排放結果。由圖3可知,隨著負荷的增加,未燃甲醇與甲醛的排放都是呈現先減小后增大的趨勢。當負荷為50%時,未燃甲醇與甲醛的質量分數分別是9.19×10-6和0.934 4×10-6,都達到最小值。怠速條件下,為了達到減少失火率以及燃燒穩定的目的,過量空氣系數小于1,混合氣較濃,部分未燃燒甲醇來不及反應而直接被排出,因此這時的甲醇排放量較高;中等負荷時,為了獲得良好的燃油經濟性以及排放性,過量空氣系數約等于1,混合氣濃度較均勻,燃燒較為完全,甲醇排放有所減少;在大負荷時,為了獲得更好的動力性,發動機過量空氣系數也是小于1,混合氣較濃,導致甲醇排放增多。甲醛是燃燒過程的中間產物[19],在怠速及大負荷條件下,混合氣濃度較高,過量的甲醇燃料在缸內高溫高壓的條件下發生不完全氧化反應,生成主要產物甲醛。而在中等負荷下,過量空氣系數約等于1,燃燒較完全,甲醛生成較少。

表2 不同點火角及負荷下的非常規排放計算條件

圖3 -12°ATDC點火角、不同負荷下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

圖4 -6°ATDC點火角、不同負荷下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

由圖4可知,未燃甲醇與甲醛排放特性與圖3較為相似,都是隨著負荷的增大呈現先減小后增大的趨勢,但排放量大幅上升：怠速條件下未燃甲醇的質量分數達到4 100×10-6,甲醛質量分數達到490×10-6;50%負荷時未燃甲醇的質量分數達到640×10-6,甲醛質量分數達到96.9×10-6。通過對比圖3和圖4可知,增加點火提前角能顯著降低未燃甲醇以及甲醛排放,且在小負荷時減小幅度較為明顯。其原因是隨著點火提前角的增加,缸內壓力、溫度和放熱率等都得到顯著改善,燃燒較為完全,從而甲醇和甲醛排放量有所減少[9]。

圖5示出未燃甲醇與甲醛的濃度分布。由圖5可知,未燃甲醇主要集中在缸壁附近的小范圍區域,其原因是混合氣濃度分布不均勻,遠離火花塞位置溫度低,燃燒不完全,過量的甲醇在這里得不到充分燃燒,導致吸附殘留在此,隨后排出,從而導致未燃甲醇濃度較高。當發動機負荷較小時,隨著負荷的增加,未燃甲醇生成的區域逐漸縮減,隨著負荷進一步增加,未燃甲醇的生成區域又呈現增加的趨勢。對于甲醛,其主要產生位置首先是缸壁附近的小范圍區域,其原因則是缸壁附近溫度低,燃油碰壁造成霧化不良,加之壁面冷激作用共同導致壁面附近區域的甲醛濃度較高。小負荷工作時,其生成的質量分數較高,甲醛生成的區域也是由幾乎充滿整個氣缸,到最后集中在缸壁小范圍區域。相比于中等負荷,當發動機接近高負荷工作時,其生成的質量分數也偏高,甲醛生成區域有向中心擴散的趨勢。

圖5 -12°ATDC、不同負荷下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

圖6示出在怠速工況不同點火角條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖6可知,當點火角從-6°ATDC增加到-12°ATDC時,未燃甲醇與甲醛濃度都會減少,且都集中在缸壁以及缸壁附近小范圍區域,靠近火花塞區域濃度較低。原因是增加點火提前角能使缸內燃燒質量變好,燃燒穩定,未燃甲醇與甲醛的生成量都有所減少。

圖6 怠速工況不同點火角下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

2.2 EGR率及轉速對非常規排放的影響

表3列出不同EGR率及轉速下的非常規排放計算條件。圖7示出在10%EGR率、不同轉速條件下,未燃甲醇與甲醛的質量分數變化曲線。由圖7可知,隨著轉速的增加,未燃甲醇的排放不斷增加,原因是轉速增加導致發動機每循環工作所占的時間減少,燃燒時間變短,甲醇氧化反應時間減少,部分甲醇無法完全反應而殘留下來并最終排出缸外。由圖7可知,隨著轉速的增加,甲醛排放則呈現先增加后減小的趨勢。低轉速下,燃燒時間較長,甲醛有較為充足的時間進一步氧化,導致甲醛生成量較少。高轉速下,燃燒時間縮短,缸內氣流運動加快,燃燒速度加快,導致甲醛生成量較少。除此之外,發動機在怠速工況下,每次進入缸內進行反應的燃料較少,燃燒室內的空氣流動隨著轉速的升高而加強,這樣就使燃料更加的分散從而產生過稀混合氣,這部分混合氣燃燒延緩,從而導致一部分甲醇會堆積殘留,最后以不完全燃燒狀態而排出。當轉速由1 400 r/min升高至1 800 r/min時,缸內溫度占據了主導地位,從而導致甲醛排放量會有所降低[20]。

由圖8可知,未燃甲醇與甲醛的排放與圖7中的趨勢較為一致,都是隨著轉速的增加,未然甲醇的排放不斷增加,甲醛排放則呈現先增加后減小的趨勢。由圖7和圖8中可以看出,相比于EGR率為0%,當EGR率為10%時,未燃甲醇和甲醛的排放量都有明顯的下降。由于EGR廢氣對氣體具有加熱作用,有利于改善甲醇的蒸發及擴散,因而可進一步提高甲醇與空氣的混合質量,促進化學反應速率的增加,導致缸內燃燒質量明顯改善,從而有利于降低未燃甲醇和甲醛的排放。因此,采用EGR技術能夠有效降低未燃甲醇及甲醛的排放。

表3 不同EGR率及轉速下的非常規排放計算條件

圖7 10%EGR率、不同轉速下未燃甲醇與甲醛的質量分數變化曲線

圖8 0%EGR率、不同轉速下未燃甲醇與甲醛的質量分數變化曲線

圖9示出在10%EGR率及不同轉速條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖9可知,未燃甲醇的濃度隨著轉速的增大都是由缸壁向中心區域擴散,整體濃度趨勢有所上升,都是最先出現在缸壁區域,且集中在缸壁及附近小范圍區域。其原因是隨著轉速的增加,甲醇后期參與反應的時間縮短,導致甲醇殘留、濃度增大。隨著轉速的增加,甲醛的濃度有所增加,當轉速為1 400 r/min時達到最大,之后隨著轉速的增加會有所減小。出現的位置也主要集中在缸壁及附近小范圍區域,趨勢也是從缸壁附近向中心區域擴散。其原因是該負荷條件下,缸內溫度暫時還沒有達到甲醛進一步氧化的條件,導致甲醛濃度會越來越高;隨著缸內溫度上升,甲醛在高溫高壓的缸內環境下進行下一步氧化,濃度降低。集中在缸壁及附近小范圍區域的原因是該區域溫度低,燃油碰壁造成霧化不良以及壁面冷激作用等[21]。

圖10示出在1 600 r/min轉速、兩種EGR率條件下,排氣門開啟時刻的未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖10可知,隨著EGR率的增加,未燃甲醇和甲醛濃度明顯減小,靠近缸壁區域的濃度較高。其原因是隨著EGR率的增加,進入氣缸的廢氣增加,缸內混合氣的濃度被稀釋,導致甲醇參與反應的量變少,未燃甲醇與甲醛有減少趨勢。火花塞位置溫度較缸壁位置偏高,混合氣濃度條件也有利于降低未燃甲醇與甲醛的生成,而缸壁附近溫度較低,燃油碰壁造成霧化不良以及壁面冷激作用導致壁面附近區域的未燃甲醇和甲醛濃度較高。

高職公共英語教學歷經改革雖有一定程度的優化和發展，但重復性研究居多。近年來，行業英語這一高職公共英語教學新術語逐漸得到關注。劉黛琳提出高職公共英語教學應包含行業主要崗位工作過程相關的英語內容，趙芝英、簡劍芬指出高職公共英語教學應與行業知識相結合，均只限于教學內容的探討。安曉燦試圖優化高職英語課程內容，研究行業英語教學，但相關的師資建設、評價體系、教學方法未予探究。

圖10 1 600 r/min、兩種EGR率下排氣門開啟時刻的未燃甲醇與甲醛濃度分布

2.3 當量比及壓縮比對非常規排放的影響

表4列出不同當量比及壓縮比下的非常規排放計算條件。圖11示出在當量比為0.7、不同壓縮比條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放。由圖11可知,隨著壓縮比的增加,未燃甲醇與甲醛排放逐漸減小,且未燃甲醇及甲醛減小幅度越來越小,在壓縮比達到17.5之后,未燃甲醇與甲醛的生成幾乎接近于0。具體原因是增大壓縮比能增加缸內的溫度和壓力,有利于甲醇的燃燒,未燃甲醇與甲醛的質量分數會減小[22]。

表4 不同當量比及壓縮比下的非常規排放計算條件

圖11 當量比為0.7、不同壓縮比下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

圖12 當量比為0.5、不同壓縮比下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

圖13示出在當量比為0.7、不同壓縮比條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖13可知,當壓縮比較低時,未燃甲醇與甲醛幾乎都集中分布在缸壁和缸壁附近小范圍區域以及活塞與缸蓋的縫隙區域。主要原因則是低壓縮比時,缸內燃燒環境較差,壓力、溫度都較低,燃燒不完全,導致未燃甲醇與甲醛的排放較多。同時甲醇的霧化速度受到缸內環境的影響從而變得緩慢,因此容易附著在活塞上表面與氣缸蓋之間的狹縫壁面上,導致未能及時燃燒。隨著活塞下行,這些未燃甲醇才開始與火焰接觸燃燒。當壓縮比較高時,缸內溫度、壓力增加,缸內燃燒較完全,未燃甲醇與甲醛排放減少。

圖13 當量比為0.7、不同壓縮比下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

圖14示出在壓縮比為15.5、兩種當量比條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖14可知,隨著當量比的增加,未燃甲醇及甲醛排放有所減少,且未燃甲醇及甲醛主要集中在缸內溫度較低的缸壁附近小范圍區域,靠近火花塞附近位置其濃度普遍較低。在靠近氣缸壁附近,混合氣濃度偏低,加上缸壁的壁面冷激效應,導致在缸壁及附近小范圍的低溫區域產生大量的未燃甲醇與甲醛。

圖14 壓縮比為15.5、兩種當量比下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

3 結論

a) 隨著負荷的增加,未燃甲醇與甲醛的排放呈現先減小后增大的趨勢;

b) 點火提前角的增加能有效降低未燃甲醇以及甲醛排放,且在小負荷時減小幅度更為明顯;

c) 隨著轉速的增加,未燃甲醇的排放有所增加,而甲醛排放則是呈現先增加后減小的趨勢;

d) EGR能明顯降低未燃甲醇及甲醛的排放,且在高轉速時較為明顯;

e) 增加壓縮比能減少未燃甲醇與甲醛排放,當壓縮比增加到17.5時,未燃甲醇與甲醛排放接近于0;

f) 當量比的增大能有效減小未燃甲醇與甲醛的排放,當壓縮比較小時,減小幅度較為明顯;

g) 未燃甲醇與甲醛主要分布在缸壁、缸蓋底面與活塞頂面的部分縫隙區域。