甲醇-汽油復合噴射發(fā)動機燃燒排放性能研究

王睿鑫，蔣炎坤，何都

(華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

能源危機和環(huán)境保護已是我國所面臨的最大挑戰(zhàn)之一[1-2]。甲醇燃料作為最接近理想替代燃料的能源，具有資源豐富、穩(wěn)定、可再生、辛烷值高、燃燒速度快、著火極限范圍大、污染物生成量少等優(yōu)點[3-4]。國內外對甲醇燃料在內燃機上的應用開始于二十世紀七八十年代。楊名華等[5]采取了提高壓縮比并且加熱進氣空氣的方法成功起動壓燃式甲醇發(fā)動機，并與柴油機做了對比，結果表明，甲醇壓燃能夠有效地降低NOx排放量，能耗則與柴油機基本持平。姜立勇等[6]在1臺點燃式發(fā)動機上進行燃用純甲醇的性能、效率、燃燒、排放試驗，結果表明，稀燃和提高壓縮比有利于提高甲醇發(fā)動機的性能和效率，通過進氣加熱的措施能夠實現稀燃和高壓縮比的結合。李本正等[7]將1臺柴油機改裝為甲醇直噴點燃式發(fā)動機，在低負荷下采用稀燃保證經濟性，在高負荷下采用均質混合氣保證動力性。張霞等[8]利用發(fā)動機模擬軟件boost耦合化學動力學軟件Chemkin，分析了不同比例甲醇汽油的甲醛排放與NOx排放情況，結果表明，甲醛排放隨甲醇含量的增加線性增大，NOx排放受到空燃比和燃燒溫度的影響。蔣炎坤等[9-10]在汽油摻燒甲醇裂解氣發(fā)動機上做了試驗與數值模擬，在較小的替代比下，隨著甲醇裂解氣的增加，發(fā)動機動力性有所下降，但是燃燒速度加快，發(fā)動機經濟性有所提升，另外，CO排放呈先降低后增加的趨勢，HC排放下降，而NOx排放增加。宮長明等[11]通過數值模擬的方法研究了點火時刻對純甲醇發(fā)動機非常規(guī)排放物的影響規(guī)律，結果表明，適當提前點火能夠有效降低非常規(guī)排放。上述研究主要集中于純甲醇燃料，對于汽油和甲醇摻混燃料的研究則主要集中于小替代比下的摻混；另外，大部分研究是以體積計算替代率保證噴油期不延長，由于甲醇燃料質量熱值僅為汽油的45.2%左右，使得摻混甲醇燃料后動力性有所下降。有鑒于此，本研究采用熱值替代比并結合CFD仿真技術研究了復合噴射系統(tǒng)(MPI+GDI)下不同比例甲醇-汽油燃料的缸內物理特性及其對發(fā)動機燃燒排放性能的影響。

1 發(fā)動機建模與試驗驗證

以某直噴汽油發(fā)動機為研究對象，在其進氣道上設置低壓噴醇系統(tǒng)，實現進氣道噴射甲醇與缸內直接噴射汽油的MPI+GDI復合噴射系統(tǒng)。具體參數設置如表1所示，GDI噴油器各束油霧方向由30 mm豎直落點試驗數據確定。將其三維幾何模型保存為STL格式并導入CFD程序中，在程序中對發(fā)動機各部分進行定義。該模型采用Liu的56種物質、168種反應的骨架機理[12]，該機理加入了Li的甲醇氧化機理[13]，可應用于汽油-甲醇混合燃料發(fā)動機的數值模擬[14]。湍流模型采用了RNGk-ε湍流模型，噴霧模型采用KH-RT模型，蒸發(fā)模型采用Frossling模型，NOx排放模型為擴展的Zeldovich模型。發(fā)動機初始邊界條件由相關文獻和經驗數據獲得[15]，缸蓋溫度為600 K，活塞溫度為550 K，缸壁溫度為475 K。根據該機型燃用純汽油的試驗數據[16]對該仿真模型進行了標定，在1 750 r/min，進氣道壓力為190 kPa時,純汽油燃料在當量比為1情況下的模擬缸壓曲線與試驗缸壓曲線如圖1所示。可以看出：缸內壓力的整體趨勢相符，最大缸壓及其對應的曲軸轉角也基本一致，最大缸壓誤差為0.27%，所對應的曲軸轉角僅相差1.01°。由此可見，所建立的CFD模型能夠準確反映實際的缸內燃燒狀況，可以作為研究的基礎。計算工況：轉速為2 000 r/min，進氣道壓力為101.3 kPa，缸內噴射相位為400°ATDC，進氣道噴射中點為363°ATDC，點火提前角為-10°ATDC。利用熱值替代比計算甲醇與汽油的替代關系，例如：M0燃料代表純汽油燃料，M20燃料代表甲醇占燃料總熱值的20%，不同替代比下的燃料噴射質量如表2所示。

表1 MPI+GDI噴油參數設置

圖1 缸壓的計算值與試驗值對比

表2 不同替代比對應的每循環(huán)燃料噴射質量

2 計算結果分析

2.1 MPI+GDI對混合氣溫度的影響

圖2a示出了從進氣門開啟到點火之前不同甲醇替代比下的缸內平均溫度變化。圖2b示出了點火時刻不同甲醇替代比下的缸內溫度。圖2c示出了點火時刻缸內未蒸發(fā)燃料質量。由圖2a可以看出，隨著進氣量的逐漸增大，在390°ATDC～400°ATDC之間不同甲醇替代比下出現了最大溫差。這是因為，隨著甲醇替代比的增加，甲醇噴射時刻不斷提前，在未開閥前，甲醇在進氣道內已經汽化吸熱使得進氣道溫度變低，氣門開啟后溫度較低的進氣道空氣與缸內氣體混合使缸內平均溫度降低較大。除此之外，部分在進氣道內未汽化的甲醇與開閥噴射的甲醇在缸內進一步汽化，使得此時不同甲醇替代比的缸內溫度出現最大溫差。在400°ATDC之后，缸內溫差逐步縮小，這是因為此時汽油直噴進入缸內，甲醇替代比低的工況汽油直噴量較大，缸內溫度較高，汽油的大量汽化吸熱降低了缸內溫度導致溫差逐漸減小，但是由于燃料質量、汽化潛熱和飽和蒸氣壓的差距，甲醇替代比越高，缸內溫度越低。隨后的一段時間內缸內的溫度處于350 K以下，這使得之前未汽化的燃料汽化速率有所下降。在缸內處于壓縮行程之后溫度有所提升，此時部分未汽化的汽油燃料汽化速度加快，因此缸內溫差逐步縮小。由圖2b可知，在點火時刻，不同甲醇替代比下的溫度變化出現了不同的趨勢。替代比由0%增大到20%，缸內溫度下降了6 K左右，這是甲醇冷卻特性的一個充分體現。但是隨著甲醇替代比的增加，由20%增大到60%時，缸內溫度只下降了4 K左右，此時的甲醇冷卻性能已經無法完全體現。在60%以后，隨著甲醇替代比的增加，缸內溫度甚至出現了上升的情況，這說明此時缸內已經出現了部分過冷區(qū)，無法使燃料充分汽化，甲醇的冷卻性能已經無法體現。圖2c進一步驗證了上述結論。在0%～40%甲醇替代比變化情況下，缸內燃料未蒸發(fā)質量較低，在0%替代比時燃料蒸發(fā)較為完全，在20%～40%范圍內，缸內未蒸發(fā)質量不斷提高，缸內溫度下降范圍有限；在替代比為60%以上時，缸內出現部分過冷區(qū)使得更多燃料在點火時刻還未蒸發(fā)，有可能形成懸浮的液滴或者缸壁上的油膜，這將影響燃燒排放特性。

圖2 不同摻燒比下的缸內溫度變化和未蒸發(fā)燃料質量

2.2 MPI+GDI對燃燒過程的影響

圖3示出了不同甲醇替代比下的缸內壓力和放熱率隨曲軸轉角的變化?？傮w來看，隨著甲醇替代比的逐漸增加，缸內峰值壓力逐漸增加，主要原因是甲醇燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，整體燃燒放熱過程更加集中。但是隨著甲醇替代比的增加，峰值缸壓增長率有所放緩，M20燃料最大峰值相比于M0燃料最大峰值增加了19.84%，但是M100燃料最大峰值相比于M80燃料最大峰值僅增加了1.65%，這與點火前缸內溫度較低且燃料蒸發(fā)不完全有關。除此之外，隨著甲醇替代比的增加，峰值缸壓所對應的曲軸轉角不斷提前，這也是因為甲醇燃料的層流火焰速度較高，整個燃燒放熱過程更加提前。由缸內燃燒放熱率曲線可見，隨著甲醇替代比的提高，燃燒放熱率峰值不斷增加，仍然是在較小甲醇替代比時放熱率峰值增長較快，M60以后增長趨勢較為平緩。主要原因是甲醇替代比較高時燃燒前缸內溫度較低，部分燃料未蒸發(fā)形成可燃混合氣，這對燃燒放熱速率有所影響。隨著甲醇替代比的提高，放熱率峰值所對應的曲軸轉角不斷提前，使得燃燒放熱更加接近于燃燒上止點，發(fā)動機等容度有所提高，但是較高甲醇替代比使得部分燃料在燃燒上止點前就已經燃燒放熱，這將惡化發(fā)動機動力性和經濟性。

圖3 不同甲醇替代比下的缸內壓力和放熱率曲線

由圖4看出，在-5°ATDC之后，不同替代比下缸內的溫度出現了較大的差別，大甲醇替代比使得缸內溫度快速提升。在0°ATDC時，M0才有了明顯的溫度提升，這也表明了甲醇火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂谄?。在之后的燃燒過程中，甲醇替代比越高，缸內火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇欤瑴囟忍嵘俣仍娇?，但是?°ATDC時，M100火焰?zhèn)鞑サ搅烁妆诟浇?，大部分燃料已經燃燒，缸內平均溫度此時達到峰值之后開始下降，而此時較小的甲醇替代比燃料還處在主要燃燒階段，缸內溫度處于上升期。在20°ATDC時，M0火焰?zhèn)鞑サ搅私咏妆诘奈恢?。M20缸內溫度峰值較M0提升了101 K，但是繼續(xù)提升甲醇替代比，缸內溫度峰值并沒有較大的提升。排氣溫度隨著甲醇替代比的提升有所下降，這主要是因為甲醇替代比越高燃燒相位越靠前，低甲醇替代比燃燒等容度差，后燃嚴重。

圖4 不同甲醇替代比下的缸內溫度曲線

圖5示出了不同甲醇替代比下的燃燒持續(xù)期、滯燃期和燃燒中心(θCA50)。滯燃期定義為從點火開始到累計放熱量達到10%所經過的曲軸轉角。燃燒持續(xù)期定義為從累計放熱量達到10%到累計放熱量達到90%所對應的曲軸轉角。θCA50定義為累計放熱量達到50%所對應的曲軸轉角。隨著甲醇替代比的提高，滯燃期不斷縮短，燃燒持續(xù)期也不斷縮短，這主要與甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂谄陀嘘P，燃燒更為充分，整體燃燒速度較快。但是在較大甲醇替代比之后(M60以后)燃燒持續(xù)期縮短趨勢有所減弱，這主要是因為甲醇汽化潛熱高，使得缸內燃燒溫度在較大甲醇替代比時溫度峰值已經達到極限。隨著甲醇替代比的提高，θCA50逐漸提前靠近上止點，主要原因還是因為甲醇燃料較短的滯燃期和較大的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁沟谜麄€燃燒中心提前。

圖5 不同甲醇替代比下的滯燃期、燃燒持續(xù)期和θCA50

2.3 MPI+GDI對排放的影響

2.3.1對NOx排放的影響

圖6示出了不同甲醇替代比下缸內NOx質量的變化。缸內NOx質量在火焰開始傳播之后經歷了一個迅速上升然后略有下降最后平穩(wěn)的過程。隨著甲醇替代比的提高，NOx的生成量不斷變大。這可以用Extended Zeldovich model解釋，其中最重要的反應如式(1)所示：

(1)

該式正方向的反應條件為溫度2 000～5 000 K，從反應式本身來看需要一定的氧濃度，6種不同燃料都是在當量比條件下進行燃燒的，因此，造成NOx生成量有所不同的主要原因在于燃燒溫度的不同。甲醇替代比越大，缸內燃燒速度越快，溫度上升速率越快，此時NOx生成速率也越快，因此，NOx峰值也隨甲醇替代比的增加而逐漸增加，并且出現時刻也越來越早。隨后NOx生成量有所下降，主要是因為燃燒過后氧氣濃度迅速下降，反應式負方向反應速率提高；其次，缸內整體溫度下降，正方向反應速率下降。在溫度下降到2 000 K以下之后，NOx生成量逐漸平穩(wěn)。

圖6 不同甲醇替代比下缸內NOx質量的變化

圖7示出了不同甲醇替代比燃料燃燒過程中NOx質量分數變化規(guī)律。普遍認為，NO的生成速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋虼?，NO主要生成于已燃區(qū)，在火焰前鋒面上只有少量NO生成。在-10°ATDC時，火花塞開始點火，在0°ATDC之后，火焰開始逐漸向外傳播，生成NOx的區(qū)域也隨著火焰的傳播逐漸擴大。在5°ATDC時，由于不同替代比燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?，替代比越大的燃料此時生成NOx的區(qū)域也越大，基本集中于已燃氣體區(qū)，在火焰前鋒面上能看到明顯的NOx梯度。隨后，在15°ATDC時，由于缸內燃料分布不均勻性，火焰?zhèn)鞑コ霈F靠近噴油器一側速度快、另一側速度慢的現象，因此，NOx生成區(qū)域也集中在氣缸中部與噴油器一側。在25°ATDC時，火焰也逐漸傳播到了遠離噴油器一側，但是由于該處當量空燃比較低，缸內溫度低于噴油器一側，所以，在遠離噴油器一側NOx生成量小于噴油器一側。整體來看，隨著甲醇替代比的提高，缸內火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，NOx生成區(qū)域擴大，NOx生成量有所提高。由于燃料分布的不均勻性，缸內遠離噴油器一側的NOx生成量小于噴油器一側。

圖7 不同甲醇替代比下缸內NOx質量分數變化云圖

2.3.2對CO排放的影響

圖8a示出了不同甲醇替代比下缸內CO質量變化趨勢。由圖中可以看出，在點火之后，CO在燃燒放熱過程中快速生成，之后由于燃燒放熱的結束，缸內CO開始被氧化而減少。最終，甲醇替代比越高，缸內CO質量越低。在燃燒放熱階段，甲醇替代比越高，CO生成速率越大。這主要是因為CO的生成是伴隨燃燒過程的，高甲醇替代比的燃燒放熱速度更快，但是由于高甲醇替代比整個燃燒放熱過程很短，使得CO生成反應時間減少，因此，從M20到M100缸內CO峰值量依次減少。但是M0燃料的CO峰值量卻小于M20，這主要是因為CO生成的主要基元反應為

(2)

而甲醇氧化過程經過了CH2O和HCO，即

(3)

圖8b示出了不同甲醇替代比下HCO質量的變化趨勢。由圖中可以看到，HCO質量先上升后下降，說明與上述HCO先生成后消耗的反應過程相符合。隨著甲醇替代比的升高，HCO峰值量有所提高，加快了CO在燃燒階段的生成速率。因此，甲醇的加入促進了CO生成，使得M20燃料CO的峰值量大于M0燃料。但高甲醇替代比燃料由于反應時間的限制，CO峰值量小于M20燃料。此后，CO還會在缸內進一步氧化為CO2，其基元反應為

(4)

可見，CO的生成與消耗在燃燒階段是同時進行的。在燃燒放熱結束后，CO氧化速率大于其生成速率，CO質量開始下降，最終高甲醇替代比燃料CO質量低于低甲醇替代比燃料，主要原因有兩個：首先，高甲醇替代比燃料的燃燒放熱階段結束早，其CO質量下降階段早于低甲醇替代比燃料，使得CO有更加充裕的時間進行氧化；其次，由圖8c可以看出，高甲醇替代比燃料缸內OH峰值量高于低甲醇替代比燃料，主要是因為甲醇燃料本身含有羥基，這有助于CO的氧化反應，OH質量穩(wěn)定之后，甲醇替代比越大缸內OH質量越低，說明隨著甲醇替代比的提高，缸內CO氧化反應更加充分。因此，隨著甲醇替代比的提高CO排放量不斷降低。

圖8 不同甲醇替代比燃料燃燒過程CO、HCO、OH的生成質量

2.3.3對未燃THC排放的影響

圖9示出了在100°ATDC時不同甲醇替代比下缸內THC質量和甲醇質量。由圖中THC質量可以看出，隨著甲醇替代比的提高，THC生成量顯著提升，其中甲醇占了THC的很大一部分。對于M20～M100，甲醇占THC總量都在95%以上，由此可見，加入甲醇之后THC排放的增加主要是因為未燃甲醇排放的增加。

圖9 不同替代比下THC生成量和甲醇生成量

圖10示出了不同甲醇替代比下缸內甲醇質量分數變化規(guī)律。在不摻燒甲醇的M0燃燒工況中，甲醇主要產生在遠離噴油器一側接近缸壁的位置，主要是因為該處的混合氣較稀，燃料在此處難以完全燃燒，另外，該處接近缸壁，在缸蓋壁面、噴油器附近壁面和火花塞縫隙中也看到少量甲醇的生成，這主要是因為低溫壁面的激冷作用和狹隙效應。在20°ATDC時，高甲醇替代比的燃料已經結束了火焰?zhèn)鞑ルA段，因此缸內甲醇質量分數較低，而低甲醇替代比的燃料火焰?zhèn)鞑サ搅私咏妆诘奈恢?，因此，在火焰前鋒面和缸壁附近存在部分甲醇。到40°ATDC時，火焰都已經傳播完畢，甲醇替代比越高缸內甲醇量越大，主要因為缸內燃燒不充分，仍有剩余甲醇聚積在火焰?zhèn)鞑ダщy的缸壁附近；另外，甲醇替代比越高缸內未蒸發(fā)甲醇液滴越多，在經過缸內高溫后，有部分未蒸發(fā)甲醇蒸發(fā)為氣體甲醇。隨著活塞的下行，未燃甲醇質量更多，范圍更大，主要是因為在甲醇進入缸內時，部分燃料在缸壁上形成液膜，隨著缸內高溫高壓過程以及經過一定的時間之后，缸內甲醇液膜蒸發(fā)為氣體甲醇，隨著活塞下行的缸內氣流逐漸擴散到缸內其他部分，由圖可以看到，缸內液膜主要分布在遠離噴油器一端的缸壁和活塞上，逐漸蒸發(fā)擴散到缸內其他范圍。

圖10 不同甲醇替代比下缸內甲醇質量分數云圖

3 結論

a) 不同甲醇替代比下缸內溫差經歷了先擴大后縮小、又擴大又縮小的過程，這主要是因為甲醇和汽油的噴射方式不同且飽和蒸氣壓存在區(qū)別；M60～M100燃料在點火時刻已經出現了過冷現象，由于過冷的原因，M60～M100燃料未蒸發(fā)液滴在缸內大幅增加，這將影響缸內燃燒排放狀況；

b) 隨著甲醇替代比的不斷提高，缸內壓力峰值不斷上升，燃燒放熱率峰值不斷上升，溫度峰值不斷上升，所對應的曲軸轉角不斷提前，滯燃期、燃燒持續(xù)期縮短，θCA50有所提前，但是進一步增大甲醇替代比后溫度峰值不再上升；

c) 隨著甲醇替代比的不斷提高，缸內NOx排放不斷提高并集中于噴油器一側，THC排放有所升高，主要成分為未燃甲醇。