進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及非常規(guī)排放的影響研究

吳繼盛

摘要：通過(guò)模擬軟件CONVERGE耦合甲醇氧化詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，在1臺(tái)由DH1115單缸柴油機(jī)改裝而成的電熱塞助燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究了進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及非常規(guī)排放的影響。結(jié)果表明，提高進(jìn)氣溫度，有利于改善甲醇的蒸發(fā)及擴(kuò)散，提高甲醇與空氣混合質(zhì)量，改善燃燒質(zhì)量、降低非常規(guī)排放。當(dāng)進(jìn)氣溫度從300K提高到360K時(shí)，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(guān)鍵詞：直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī);進(jìn)氣溫度;燃燒;非常規(guī)排放

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

0 ?引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，為了解決能源安全及環(huán)境污染問(wèn)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(lái)源廣泛、用途多樣的特點(diǎn)在近年來(lái)吸引了大量的關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒時(shí)溫度更低，有利于減少熱損失和降低NOX排放[2]，因此在內(nèi)燃機(jī)上燃用甲醇逐漸成為了一個(gè)熱門(mén)研究領(lǐng)域。

考慮到甲醇理化性質(zhì)與汽油相近，我國(guó)在甲醇作車(chē)用替代燃料的研究方面，多傾向于將甲醇應(yīng)用到汽油機(jī)上，比如近幾年吉利汽車(chē)公司研發(fā)的甲醇出租汽車(chē)在國(guó)內(nèi)五省一市以及歐洲冰島開(kāi)展試點(diǎn)運(yùn)營(yíng)，發(fā)現(xiàn)甲醇出租車(chē)在動(dòng)力性方面與汽油車(chē)相當(dāng)，并且在經(jīng)濟(jì)型及排放性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。而與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)因其高壓縮比的特點(diǎn)，在動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和污染物排放上均優(yōu)于汽油機(jī)，因此在柴油機(jī)上燃用甲醇更有利于緩解我國(guó)能源及環(huán)境壓力。

柴油機(jī)燃用甲醇存在諸多技術(shù)難點(diǎn)亟需克服，比如甲醇十六烷值低，在柴油機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難，容易產(chǎn)生甲醛及未燃甲醇排放[5]。由此，相繼出現(xiàn)柴油甲醇雙直噴技術(shù)[6]、甲醇柴油摻混燃燒技術(shù)[7]、柴油甲醇組合燃燒技術(shù)[8]、火花塞或電熱塞助燃式直噴甲醇技術(shù)[9，10]等方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)在柴油機(jī)上燃用甲醇。

其中，電熱塞助燃式直噴技術(shù)能解決柴油燃用純甲醇時(shí)的著火困難問(wèn)題，是目前柴油機(jī)燃用甲醇技術(shù)中較有前途的方法之一，但這一技術(shù)仍然有其他問(wèn)題亟需解決，比如電熱塞只對(duì)電熱塞附近局部區(qū)域內(nèi)的氣體有較為明顯的升溫作用，對(duì)整個(gè)氣缸內(nèi)的氣體影響十分有限[11]，當(dāng)面對(duì)極端情況，比如進(jìn)氣溫度過(guò)低，可能仍然需要采取其他輔助手段來(lái)幫助甲醇著火燃燒，包括采取進(jìn)氣加熱、廢棄再循環(huán)等方式來(lái)提高進(jìn)氣溫度。宮長(zhǎng)明等[12]在一臺(tái)火花塞點(diǎn)燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了冷啟動(dòng)階段下進(jìn)氣溫度對(duì)混合氣形成、燃燒過(guò)程及非常規(guī)排放的影響，發(fā)現(xiàn)提高進(jìn)氣溫度到293K有利于改善甲醇燃燒，但進(jìn)一步提高進(jìn)氣溫度并不能達(dá)到更佳的效果。而對(duì)于電熱塞助燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，目前還沒(méi)有關(guān)于進(jìn)氣溫度這方面的研究，因此本文研究進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)著火燃燒的影響十分必要。

除上述問(wèn)題之外，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放問(wèn)題也得到了廣泛關(guān)注，在2019年工業(yè)和信息化部等八部門(mén)發(fā)布的《關(guān)于在部分地區(qū)開(kāi)展甲醇汽車(chē)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》[13]，建議甲醇汽車(chē)的甲醛及未燃甲醇排放在20mg·kWh-1以?xún)?nèi)，因此研究甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放問(wèn)題具有重要意義。目前，關(guān)于電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和模擬研究都十分有限，本研究旨在利用數(shù)值模擬軟件CONVERGE探索進(jìn)氣溫度對(duì)電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及非常規(guī)排放的影響，對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。

1 ?數(shù)值模型建立與驗(yàn)證

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

以一臺(tái)由型號(hào)為DH1115的單缸柴油機(jī)改造而成的電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，噴油器噴孔分布及電熱塞布置參見(jiàn)圖1。燃料為純甲醇，甲醇的理化性質(zhì)如表2所示。

采用Solidworks與CONVERGE相結(jié)合的方式，建立了柴油機(jī)燃燒室模型，為了減少計(jì)算工作量，模擬過(guò)程選取從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻142°CA BTDC（°或deg，degree，度;CA，crank angle，曲軸轉(zhuǎn)角;BTDC，before top dead center，上止點(diǎn)前）開(kāi)始到排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻125°CA ATDC（ATDC，after top dead center，上止點(diǎn)后），因此模型上不包含進(jìn)氣和排氣過(guò)程和結(jié)構(gòu)，模型見(jiàn)圖2。CONVERGE可以自動(dòng)劃分網(wǎng)格，并有網(wǎng)格自適應(yīng)功能，可以在計(jì)算過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密，減小計(jì)算量。基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸選定為1.6mm，并對(duì)噴油區(qū)域、電熱塞表面、缸蓋及活塞頂近壁面進(jìn)行了網(wǎng)格加密，并且網(wǎng)格經(jīng)過(guò)了獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)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(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)變化小于0.2°CA，可以認(rèn)為1.6mm的網(wǎng)格基本尺寸能夠滿足計(jì)算需求，繼續(xù)縮小網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大。

1.2 計(jì)算模型

模擬用到了主要物理模型和化學(xué)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(xì)化學(xué)求解器;蒸發(fā)模型，F(xiàn)rossling model。其中，燃燒模型耦合了甲醇氧化詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，該機(jī)理包含了21種物質(zhì)、93步反應(yīng)，并且得到了Zhen[2]的驗(yàn)證。表3展示了初始環(huán)境參數(shù)、壁面邊界參數(shù)及噴油參數(shù)設(shè)置?；钊敗飧妆?、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(guān)文獻(xiàn)并取了經(jīng)驗(yàn)值[14，15]。

1.3 模型驗(yàn)證

參考了太原理工大學(xué)的王晉[16]在一臺(tái)DH1115單缸柴油機(jī)上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用了轉(zhuǎn)速為1400rpm、負(fù)荷為80%的工況下對(duì)應(yīng)的壓力曲線和放熱率曲線，調(diào)整模擬參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)一致，驗(yàn)證結(jié)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(yàn)值吻合情況良好，可以認(rèn)為本研究建立的計(jì)算模型對(duì)電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放情況的預(yù)測(cè)是可信的，為了保證后文計(jì)算結(jié)果的合理性，模擬轉(zhuǎn)速也設(shè)定在1400rpm。

2 ?結(jié)果與分析

針對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，提高進(jìn)氣溫度既可以改善甲醇高自燃溫度、高汽化潛熱帶來(lái)的著火困難問(wèn)題，也可以進(jìn)一步提高缸內(nèi)燃燒質(zhì)量、促進(jìn)甲醇完全燃燒，達(dá)到降低污染物排放的效果，而目前提高進(jìn)氣溫度可以通過(guò)廢氣循環(huán)、熱交換器等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文選取280K、300K、320K、340K、360K及380K這6種進(jìn)氣溫度，在轉(zhuǎn)速1400rpm、油耗量4.68kg/h的模擬工況下探究進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及非常規(guī)排放的影響。

2.1 進(jìn)氣溫度對(duì)滯燃期的影響

圖5展示了進(jìn)氣溫度對(duì)滯燃期的影響，進(jìn)氣溫度為280K時(shí)甲醇未能著火，故圖中無(wú)280K工況對(duì)應(yīng)滯燃期。從圖中可以明顯看出，隨著進(jìn)氣溫度的提高，滯燃期逐漸縮短，當(dāng)進(jìn)氣溫度從300K提高到380K時(shí)，滯燃期從22.4deg縮短到了15.6deg。可以認(rèn)為，對(duì)于電熱塞引燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，提高進(jìn)氣溫度能有效改善甲醇著火困難和冷啟動(dòng)的問(wèn)題。

2.2 進(jìn)氣溫度對(duì)混合氣均勻性的影響

圖6展示了進(jìn)氣溫度為300K至380K時(shí)活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的燃空當(dāng)量比分布情況。從圖中可以看出，當(dāng)進(jìn)氣溫度為300K時(shí)，當(dāng)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)混合氣濃度分布仍較稀薄，雖然電熱塞附近燃料濃度相對(duì)高于其他區(qū)域，但其燃空當(dāng)量比低于1，不利于甲醇著火，造成滯燃期延長(zhǎng)。當(dāng)進(jìn)氣溫度進(jìn)一步提高至320K、340K、360K時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度整體明顯上升，低濃度區(qū)域面積明顯減少，并且電熱塞附近燃空當(dāng)量比顯著提升，但是混合氣均勻性仍較差。當(dāng)進(jìn)氣溫度提高到380K時(shí)，缸內(nèi)混合氣均勻性有所改善，燃燒室電熱塞一側(cè)的高濃度區(qū)域面積進(jìn)一步擴(kuò)大，而遠(yuǎn)離電熱塞一側(cè)的低濃度區(qū)域面積明顯減少，燃燒室內(nèi)燃空當(dāng)量比趨于平均。當(dāng)進(jìn)氣溫度時(shí)300K時(shí)，缸內(nèi)氣體溫度較低，不利于甲醇的蒸發(fā)，因此甲醇蒸發(fā)量少，缸內(nèi)甲醇混合氣濃度上升緩慢，當(dāng)進(jìn)氣溫度提高過(guò)后，甲醇蒸發(fā)速率得到提升，所以能迅速在電熱塞附近產(chǎn)生較濃的甲醇混合氣，這有助改善甲醇著火困難的問(wèn)題，同時(shí)缸內(nèi)溫度的提升也有助于甲醇混合氣的擴(kuò)散，使得缸內(nèi)混合氣濃度趨向平均，有利于促進(jìn)甲醇完全燃燒。

2.3 進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒過(guò)程的影響

圖7、圖8和圖9分別展示了不同進(jìn)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(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣溫度為280K時(shí)甲醇未能著火燃燒，進(jìn)氣溫度為300K時(shí)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(dāng)進(jìn)氣溫度提高到360K時(shí)，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(dāng)進(jìn)氣溫度提升到380K時(shí)溫度、放熱率峰值有所上升，但壓力峰值有所下降。當(dāng)進(jìn)氣溫度為300K時(shí)，缸內(nèi)氣體溫度低，甲醇蒸發(fā)緩慢，缸內(nèi)混合氣濃度上升緩慢，混合氣分布整體較稀薄，燃燒室內(nèi)電熱塞一側(cè)混合濃度低，造成了著火困難、滯燃期延長(zhǎng)，燃燒質(zhì)量較差。當(dāng)進(jìn)氣溫度提高后，缸內(nèi)氣體溫度上升，甲醇蒸發(fā)速率加快，缸內(nèi)混合氣分布質(zhì)量得到改善，整體濃度上升，電熱塞一側(cè)濃度顯著提高，有利于甲醇著火燃燒，缸內(nèi)壓力、放熱率和溫度均提升明顯，燃燒質(zhì)量較好，并且缸內(nèi)混合氣分布趨向均勻化，缸內(nèi)整體燃燒質(zhì)量得到提高，有利于降低不完全燃燒污染物的產(chǎn)生。

2.4 進(jìn)氣溫度對(duì)非常規(guī)污染物排放的影響

圖10和圖11分別展示了排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻不同進(jìn)氣溫度下的甲醛和未燃甲醇排放。從圖中可以看出，隨著進(jìn)氣溫度的提高，甲醛和未燃甲醇排放逐漸降低，當(dāng)進(jìn)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(guī)定的20mg·kWh-1[13]。當(dāng)進(jìn)氣溫度進(jìn)一步提高到380K時(shí)，由于甲醛及未燃甲醇排放量已經(jīng)處于非常低的水平，對(duì)甲醛及未燃甲醇的排放改善效果有限，因此從非常規(guī)排放的角度來(lái)考慮，模擬工況下進(jìn)氣溫度為360K較為適宜。

圖12和圖13分別展示了排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻不同進(jìn)氣溫度下的甲醛及未燃甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(rèn)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(dāng)進(jìn)氣溫度為300K時(shí)，由于缸內(nèi)溫度較低，噴入氣缸的甲醇噴霧蒸發(fā)緩慢，使得部分甲醇保持著液態(tài)附著在活塞頂、氣缸壁等壁面上，隨著燃燒過(guò)程的結(jié)束，壁面上的甲醇從缸內(nèi)高溫?zé)煔馕鼰嵴舭l(fā)，并發(fā)生不完全燃燒，產(chǎn)生了大量甲醛，同時(shí)由于缸內(nèi)燃燒溫度較低，甲醛未能進(jìn)一步氧化，使得甲醛的排放顯著增加。當(dāng)進(jìn)氣溫度提高后，缸內(nèi)溫度得到提高，有利于甲醇蒸發(fā)及擴(kuò)散，使得缸內(nèi)殘留的液態(tài)甲醇含量降低，同時(shí)進(jìn)氣溫度提高后，進(jìn)一步改善了甲醇的燃燒質(zhì)量，缸內(nèi)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(jié)論

通過(guò)分析進(jìn)氣溫度對(duì)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的滯燃期、甲醇空氣混合過(guò)程、燃燒及排放的影響，得到了以下結(jié)論：

①提高進(jìn)氣溫度，有利于改善甲醇的蒸發(fā)及擴(kuò)散，可以提高甲醇于空氣的混合質(zhì)量，縮短滯燃期，提高甲醇著火穩(wěn)定性，當(dāng)進(jìn)氣溫度為280K時(shí)甲醇無(wú)法著火，當(dāng)進(jìn)氣溫度從300K提高到380K時(shí)，滯燃期從22.4deg縮短到了15.6deg。

②提高進(jìn)氣溫度可以改善甲醇燃燒質(zhì)量，當(dāng)進(jìn)氣溫度從300K提高到360K時(shí)壓力、放熱率和溫度峰值提升顯著，當(dāng)進(jìn)氣溫度進(jìn)一步提高到380K時(shí)，改善效果不明顯。

③提高進(jìn)氣溫度有利于促進(jìn)甲醇完全燃燒，降低甲醛及未燃甲醇排放，當(dāng)進(jìn)氣溫度從300K提高到360K時(shí)，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。

參考文獻(xiàn)：

[1]Verhelst S，Turner J W G，Sileghem L，et al. Methanol as a fuel for internal combustion engines [J]. Progress in Energy and Combustion Science， 2019， 70：43-88.

[2]Zhen X，Wang Y，Zhu Y. Study of knock in a high compression ratio SI methanol engine using les with detailed chemical kinetics [J]. Energy Conversion and Management， 2013， 75：523-531.

[3]彭輝，蘇茂輝，張甲樂(lè)，等.重型M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)排放及燃燒熱效率分布研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2018，35（1）：18-23.

[4]Mueller C J，Musculus M P. Glow plug assisted ignition and combustion of methanol in an optical di diesel engine; proceedings of the International Spring Fuels and Lubricants Meeting and Exhibition， May 7， 2001 - May 9， 2001， Orlando， FL， United states， F， 2001 [C]. SAE International.

[5]Qu X，Gong C，Liu J，et al. Regulated and unregulated emissions from a DISI methanol engine under homogenous combustion and light load [J]. Fuel， 2015， 158：166-175.

[6]戚朋哲，劉高令，王雙波，等.柴油機(jī)燃用甲醇柴油的研究現(xiàn)狀[J].科技資訊，2014，12（11）：204-204.

[7]Soni D K，Gupta R. Optimization of methanol powered diesel engine： A CFD approach [J]. Applied Thermal Engineering， 2016， 106：390-398.

[8]陳超，王斌，姚安仁，等.提高DMCC發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷下甲醇替代率試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2018，36（3）：200-207.

[9]宮長(zhǎng)明，彭樂(lè)高，張自雷，等.DISI甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，6：45-50.

[10]王晉，朱建軍，王勇，等.高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放研究 [J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（9）：229-232.

[11]Li Q，Shayler P J，Mcghee M，et al. The initiation and development of combustion under cold idling conditions using a glow plug in diesel engines [J]. International Journal of Engine Research， 2017， 18（3）： 240-255.

[12]Gong C，Peng L，Chen Y，et al. Computational study of intake temperature effects on mixture formation， combustion and unregulated emissions of a DISI methanol engine during cold start [J]. Fuel， 2018， 234： 1269-1277.

[13]工業(yè)和信息化部等八部門(mén).關(guān)于在部分地區(qū)開(kāi)展甲醇汽車(chē)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn) [EB/OL].2019， http：//www.gov.cn/xinwen/2019-03/20/content_5375348.htm.

[14]張自雷.直噴柴油機(jī)燃用甲醇燃料燃燒與排放的仿真研究[D].吉林大學(xué)，2014.

[15]彭樂(lè)高.缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放仿真研究 [D].吉林大學(xué)，2015.

[16]王晉.電熱塞助燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究[D].太原理工大學(xué)，2014.