高壓縮比甲醇燃料發(fā)動機整機性能仿真研究*

徐磊， 程前， 劉延， 曾建， 徐進

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401122；2.三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；3.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院， 重慶 400074 )

為應(yīng)對石油資源短缺、環(huán)境污染等問題，車用汽油替代燃料成為研究熱點。易點燃、不易壓燃、易制取、成本低、抗爆性好、燃燒完全的甲醇發(fā)動機具有好的發(fā)展前景。Pearson R. J.、Yuen P. K. P.等對點燃式甲醇發(fā)動機進行研究，發(fā)現(xiàn)熱效率、整機性能和性能改善程度與甲醇燃料比例相關(guān)。Nakata K.將汽油機改進為壓縮比為13的純甲醇發(fā)動機，研究發(fā)現(xiàn)在2 800 r/min全負荷工況下甲醇發(fā)動機的熱效率和轉(zhuǎn)矩有所提高。Vancoillie J.等將某汽油機改進為甲醇發(fā)動機，發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動機的動力輸出功率和熱效率均得到提升，而CO2和NOx排放量降低。Ji C.W.等研究發(fā)現(xiàn)隨著氫含量的增多，點燃式富氫甲烷發(fā)動機的排氣損失減少，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，有效熱效率提高。?dāng)前研究已取得一定成果，但為提高甲醇發(fā)動機的熱效率，對高壓縮比技術(shù)和發(fā)動機工作性能協(xié)同優(yōu)化等需進一步完善。該文基于GT-Power發(fā)動機仿真模型，分析經(jīng)濟工況[(轉(zhuǎn)速2 000 r/min、60%負荷、理論空燃比、點火提前角為-16 °CA ATDC(進氣上止點后)]下甲醇發(fā)動機性能與汽油機的差別，探究壓縮比、點火提前角和空燃比對甲醇發(fā)動機性能的影響，通過優(yōu)化匹配這些參數(shù)提升甲醇發(fā)動機的工作性能。

1 研究方案

建模分析路線與方法見圖1。

圖1 建模路線和方法

2 性能參數(shù)對甲醇發(fā)動機性能的影響

參考文獻[7-8]，以仿真計算、理論分析為主，依托GT-Power仿真軟件，基于樣機參數(shù)建立汽油機仿真模型，通過改變?nèi)剂稀嚎s比和負荷控制方式將原模型改進為高壓縮比甲醇發(fā)動機模型。在經(jīng)濟工況(轉(zhuǎn)速2 000 r/min，60%負荷)下對比分析甲醇發(fā)動機和汽油機的運行特性、進氣特性、排氣特性、缸內(nèi)每循環(huán)進氣量及泵氣損失，研究甲醇發(fā)動機和汽油機缸內(nèi)環(huán)境、燃燒過程及放熱規(guī)律的區(qū)別。結(jié)果顯示：

(1) 在中小負荷時，甲醇發(fā)動機進氣壓力、進氣溫度均大于汽油機。但在進氣開始后，甲醇發(fā)動機的進氣溫度低于汽油機。

(2) 甲醇發(fā)動機的泵氣損失比汽油機小，且在整個工作循環(huán)中甲醇發(fā)動機排氣歧管中廢氣溫度都低于汽油機排氣溫度。

(3) 甲醇發(fā)動機在進氣門開啟后新鮮混合氣進入缸內(nèi)的速度較快，在進氣下止點時進入缸內(nèi)的最大進氣量比汽油機多138.9 mg。在進氣門關(guān)閉后，甲醇發(fā)動機進入氣缸的混合氣質(zhì)量僅比汽油機多18.1 mg。

(4) 在燃燒過程中，甲醇發(fā)動機的缸壓水平高于汽油機，缸溫低于汽油機，缸內(nèi)熱負荷降低。

(5) 在經(jīng)濟工況和外特性工況下，甲醇發(fā)動機的整機有效燃油消耗率高于汽油機，散熱能量比例比汽油機略高1.7%。在經(jīng)濟工況下，甲醇發(fā)動機的排氣能量比例比汽油機下降11.6%，指示熱效率提高11.5%，輸出轉(zhuǎn)矩提高21.8%。在外特性工況下，甲醇發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和指示熱效率也都優(yōu)于汽油機。

3 壓縮比對甲醇發(fā)動機性能的影響

探究壓縮比為9～13時壓縮比對甲醇發(fā)動機泵氣特性、燃燒特性、整機性能的影響。

3.1 壓縮比對泵氣特性的影響

壓縮比對發(fā)動機進氣歧管、排氣歧管、氣體壓力的影響不大，不同壓縮比下每循環(huán)缸內(nèi)泵氣壓力損失都很少且變化不大。但不同壓縮比下進氣歧管溫度、排氣歧管溫度及每循環(huán)缸內(nèi)進氣量有所差別，進而影響發(fā)動機的燃燒放熱、動力輸出、油耗、熱效率(見圖2)。

由圖2可知：1) 進、排氣溫度都隨著壓縮比的增大而降低，但壓縮比對排氣溫度的影響大于對進氣溫度的影響。壓縮比每提高1，進氣溫度僅下降0.1%～0.2%，而排氣溫度下降約2.5%。進氣溫度的略微下降對每循環(huán)進氣過程的影響不大，而排氣溫度的大幅下降有利于降低催化器等尾氣后處理裝置的熱負荷，提高其工作穩(wěn)定性。2) 進氣正時缸溫隨著壓縮比的增大逐漸降低，壓縮比每增大1，進氣正時缸溫降低2.2%～2.7%，且缸內(nèi)最終進氣量減少程度低于1%。

3.2 壓縮比對燃燒特性的影響

通過改變活塞頂隙改變壓縮比后，燃燒室容積減小、面容比增大，燃燒室內(nèi)混合氣的氣流運動和火焰?zhèn)鞑ミ^程有所改變。燃燒過程的變化同時使不同壓縮比下缸內(nèi)環(huán)境有所不同，整機的動力性、經(jīng)濟性及能量分布特點也有所變化(見圖3、圖4)。

由圖3可知：壓縮比越大，點火后混合氣更快形成火核，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，瞬時放熱率越大；壓縮比較大時，不僅放熱率峰值較大，且峰值時刻更接近上止點，燃燒等容度越大，與CA50隨壓縮比的變化趨勢一致；壓縮比較大時，整個放熱率曲線重心靠近上止點，放熱率達到峰值后更快下降，燃燒后期放熱速率低于壓縮比較小時燃燒后期放熱速率。

圖2 壓縮比對泵氣特性的影響

圖3 壓縮比對瞬時放熱率和CA50的影響

圖4 壓縮比對燃燒特性的影響

由圖4可知：1) 隨著壓縮比的增大，著火落后期、速燃期和后燃期均縮短，即燃燒持續(xù)期縮短。壓縮比每增長1，著火落后期縮短3.3%～4.1%，速燃期縮短3.4%～5%，后燃期縮短2.3%～9.5%。著火落后期的縮短使燃燒發(fā)生更早，速燃期的縮短使放熱率曲線重心離壓縮上止點更近，后燃期的縮短有利于降低排氣溫度。2) 隨著壓縮比的增大，燃燒等容度增大、燃燒放熱速率增快，壓縮比較大時缸壓、缸溫水平較高且峰值時刻有所提前。與瞬時放熱速率的變化趨勢相似，壓縮比較大時，缸壓、缸溫達到峰值后較快下降到較低水平。這與不同壓縮比時燃燒過程相關(guān)，較短的后燃期使壓縮比較大時燃燒結(jié)束后缸溫較低，排氣溫度較低。

3.3 壓縮比對整機性能的影響

進氣特性和燃燒特性的不同使不同壓縮比下甲醇發(fā)動機表現(xiàn)出不同的動力水平、油耗水平和能量分布特點。輸出轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、能量分布隨壓縮比的變化見圖5。

圖5 壓縮比對整機性能的影響

由圖5可知：1) 壓縮比提高，甲醇發(fā)動機的有效轉(zhuǎn)矩增大，有效燃油消耗率降低。壓縮比由9增長至13，每增長1，有效轉(zhuǎn)矩分別提高2.4%、1.6%、1.1%、0.8%，有效燃油消耗率分別降低2.8%、2.1%、1.6%、1.2%。壓縮比增大，較快的燃燒放熱速度、較大的燃燒等容度既改善了甲醇發(fā)動機的動力性，又改善了整機燃油經(jīng)濟性。但隨著壓縮比的增大，轉(zhuǎn)矩和油耗的改善程度逐漸下降，加之壓縮比過大時較小的活塞頂隙容易造成活塞與氣門發(fā)生運動干涉，不可無限制地提高幾何壓縮比。因此，改進甲醇發(fā)動機幾何壓縮比時選擇13而沒有進一步提高壓縮比。2) 隨著壓縮比的增大，散熱能量比例逐漸增多，這是因為壓縮比較大時燃燒室面容較大，且燃燒過程中缸溫水平較高，增強了燃燒過程中缸內(nèi)混合氣與燃燒室壁面的對流換熱強度，散熱損失能量增多。燃燒等容度的增大使指示熱效率隨壓縮比的增大而增大，壓縮比每增長1，指示熱效率增長1.2%～2.6%，與增大壓縮比后轉(zhuǎn)矩和油耗的改善程度一樣。但隨著壓縮比的進一步提高，指示熱效率改善程度逐漸下降。壓縮比較大時指示熱效率和散熱能量比例的增大使相對較少的能量被排氣帶走，故排氣能量比例隨壓縮比增大而減小。

4 點火提前角對甲醇發(fā)動機性能的影響

點火提前角過大時，在遠離壓縮上止點時開始燃燒，阻礙活塞的上行運動，造成較多的壓縮負功；點火提前角過小時，較多的熱量在離上止點較遠處才釋放，造成燃燒等容度下降。車輛實際運行過程中，點火提前角需根據(jù)實際運行工況進行修正。下面在經(jīng)濟工況下探究不同點火提前角(-18、-16、-14、-12、-10 °CA ATDC)對甲醇發(fā)動機泵氣特性、燃燒特性、整機性能的影響。

4.1 點火提前角對泵氣特性的影響

根據(jù)5個點火提前角下甲醇發(fā)動機的仿真結(jié)果，點火提前角對進氣歧管、排氣歧管壓力及缸內(nèi)泵氣壓損的影響非常小，但對進排氣歧管平均溫度、每循環(huán)缸內(nèi)進氣量有所影響。點火提前角對泵氣特性的影響見圖6。

圖6 點火提前角對泵氣特性的影響

由圖6可知：1) 進、排氣溫度均隨點火提前角的減小而升高，但點火提前角對排氣溫度的影響更大。點火提前角每減小2 °CA，進氣溫度提高程度均小于0.1%，而點火提前角從-18 °CA每減小2 °CA，排氣歧管溫度分別升高2.4%、2.5%、2.6%和2.7%。排氣歧管溫度顯著升高與不同點火提前角下燃燒過程和缸內(nèi)環(huán)境變化有關(guān)，排氣溫度的升高將影響排放物后處理裝置的工作性能，若排氣溫度過高還需加濃混合氣。2) 點火提前角從-18 °CA每減小2 °CA，進氣門開啟時缸溫升高1.8%～2.2%。由于點火提前角較小時進氣溫度和進氣門正時缸內(nèi)溫度均較高，新鮮充量的密度減小，缸內(nèi)每循環(huán)進氣量較少。

4.2 點火提前角對燃燒特性的影響

點火提前角θig大小使燃燒始點、火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兴煌｜c火提前角對燃燒特性的影響見圖7。

圖7 點火提前角對燃燒特性的影響

由圖7可知：1) 點火提前角越小，火核形成越晚，放熱速度越慢，瞬時放熱率峰值越小，峰值時刻越遠離壓縮上止點；點火提前角較大時，放熱率曲線重心向上止點方向移動，在放熱率達到峰值后下降速度更快，燃燒終點也更早。2) 不同點火提前角時瞬時放熱率曲線的峰值時刻關(guān)系與不同點火提前角時CA50關(guān)系一致。3) 隨點火提前角減小，著火落后期、速燃期均有所延長，后燃期雖然在不同點火提前角下存在相同的情況，但總體上仍然呈現(xiàn)隨點火提前角減小而延長的趨勢，故燃燒持續(xù)期隨點火提前角減小而逐漸延長。點火提前角由-18 °CA減小至-10 °CA，著火落后期、速燃期、后燃期分別延長16%、16.8%、7.5%。

不同點火提前角工況下，缸內(nèi)混合氣不同燃燒過程決定缸內(nèi)環(huán)境。點火提前角對缸壓、缸溫的影響見圖8。由圖8可知：隨著點火提前角的減小，缸壓峰值、缸溫峰值逐漸減小，且峰值時刻離壓縮上止點較遠。由于點火提前角較小時燃燒放熱速度較慢，后燃期較長，燃燒結(jié)束后，點火較晚時的缸壓、缸溫反而較高，排氣階段進入排氣門的廢氣溫度較高。

圖8 點火提前角對缸壓、缸溫的影響

4.3 點火提前角對整機性能的影響

雖然點火提前角較大時燃燒放熱速度較快、缸壓峰值較大，峰值時刻也更靠近壓縮上止點，但并不是點火提前角越大，發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性越好。點火提前角對整機性能的影響見圖9。

圖9 點火提前角對整機性能的影響

由圖9可知：1) 隨著點火提前角的減小，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩先有所增長，在點火提前角為-14和-12 °CA時輸出轉(zhuǎn)矩達到最大值84.5 N·m；點火提前角進一步減小時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩有所下降。有效燃料消耗率的變化趨勢與轉(zhuǎn)矩相反，隨著點火提前角的減小，有效燃油消耗率先降低后增長，點火提前角為-14 °CA時達到最低值507.7 g/(kW·h)。點火提前角為-14 °CA時動力性、經(jīng)濟性最佳，這與不同點火提前角時缸內(nèi)混合氣燃燒放熱后的能量分布特點有關(guān)。2) 隨點火提前角減小，燃燒等容度減小，后燃期延長，排氣溫度升高，排氣能量比例增大；點火提前角較大時，燃燒過程中缸溫水平較高，缸內(nèi)混合氣和燃燒室壁面對流換熱強度加強，散熱能量比例較大。而散熱能量比例和排氣能量比例隨點火提前角相反的變化趨勢使指示熱效率隨點火提前角的減小先降低后增高，在點火提前角為-14 °CA時指示熱效率達到41%。

5 空燃比對甲醇發(fā)動機性能的影響

針對不同行駛工況，需要不同濃度的燃油-空氣混合氣，如汽油機在起動工況、加速工況或高轉(zhuǎn)速、高速負荷工況，需要較濃的功率混合氣以滿足動力輸出；在中低轉(zhuǎn)速、中低負荷工況，則可選擇略稀的經(jīng)濟混合氣以降低油耗。甲醇燃料的物化性質(zhì)同樣使甲醇發(fā)動機在各運行工況時需采用合適的空燃比以優(yōu)化整機性能。下面研究不同空燃比(6～8.5，以0.5為間隔)對甲醇發(fā)動機泵氣特性、燃燒特性、整機性能的影響。

5.1 空燃比對泵氣特性的影響

根據(jù)不同空燃比下甲醇發(fā)動機的仿真計算結(jié)果，混合氣濃度對進氣歧管和排氣歧管壓力及因缸內(nèi)進排氣壓差造成的壓力損失影響都較小。另一方面，燃料噴入進氣歧管會降低氣體溫度，而混合氣濃度不同時進氣歧管所噴燃料質(zhì)量不同，故空燃比對進氣歧管溫度有所影響。不同濃度混合氣燃燒放熱規(guī)律的差別會使發(fā)動機缸內(nèi)廢氣溫度不同，排氣歧管溫度不同(見圖10)。

圖10 空燃比對泵氣特性的影響

由圖10可知：1) 隨著空燃比的增大，進氣溫度逐漸升高，空燃比由6增大至8時，進氣溫度提高2.4%。隨著空燃比的增大，排氣歧管溫度先增長后降低，空燃比為6.5時排氣溫度最高；空燃比大于6.5時，每增長0.5，排氣歧管溫度分別降低2.9%、2.6%、2.4%。2) 隨著空燃比的增大，進氣門開啟時刻缸溫先增長后降低。每循環(huán)缸內(nèi)進氣量隨著空燃比的增大逐漸下降，空燃比由6增長至8，進氣量降低5.1%。說明進氣正時缸溫對進入缸內(nèi)新鮮充量的影響不及不同濃度混合氣時燃油對進氣歧管混合氣溫度的影響。

5.2 空燃比對燃燒特性的影響

不同濃度混合氣進入缸內(nèi)后的氣流運動、火核發(fā)展、火焰?zhèn)鞑デ闆r見圖11。由圖11可知：1) 空燃比越小，混合氣越濃，為防止混合氣較早燃燒增大壓縮負功，點火提前角應(yīng)適當(dāng)減小?？杖急容^小時，點火時刻較晚，燃燒放熱率峰值時刻離壓縮上止點較遠，與表1中CA50與空燃比的關(guān)系一致?？杖急扔?提高到8，CA50提前7.1%。但較濃的混合氣意味著較多的燃料，故空燃比較小時放熱率峰值仍然較高。2) 隨著空燃比的增大，混合氣越稀，點火之后火核形成速度較慢，著火落后期越長，空燃比為8時的著火落后期比空燃比為6時延長15%。速燃期在空燃比為6.5時最短，相比理論空燃比，混合氣較濃時燃燒過程中氧氣不足，部分濃混合氣燃燒不完全，反而減緩了燃燒放熱速度；而混合氣濃度較稀時，由于燃料較少，燃燒放熱速度較慢，隨著空燃比的增大，速燃期呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，空燃比為7時后燃期最短；但過稀的混合氣由于甲醇燃料較少，燃燒放熱速度明顯下降，空燃比大于7時后燃期又有所延長。

圖11 空燃比對燃燒特性的影響

表1 甲醇發(fā)動機CA50與空燃比的關(guān)系

圖12為不同空燃比時缸壓和缸溫曲線。由圖12可知：空燃比較大時，由于混合氣較稀，缸壓、缸溫峰值都較低，峰值時刻出現(xiàn)較早；整個燃燒過程中，缸壓和缸溫水平在混合氣較稀時均處于較低水平?？梢?，甲醇發(fā)動機稀燃也可實現(xiàn)低溫燃燒，既降低缸內(nèi)熱負荷，又降低排氣溫度。

圖12 空燃比對缸壓和缸溫的影響

5.3 空燃比對整機性能的影響

針對不同運行工況，需根據(jù)實際需求匹配不同混合氣濃度?？杖急葘φ麢C性能的影響見圖13。

由圖13可知：混合氣變濃后，轉(zhuǎn)矩有所增長，有效燃油消耗率顯著增大?？杖急扔?.5減小至6時，轉(zhuǎn)矩提高2.9%，有效燃油消耗率增大6%。相對于理論混合氣，混合氣略稀(空燃比為7)時有效燃油消耗率變化不大，但混合氣進一步變稀時，不僅動力性越差，燃油消耗率有所增長。2) 相對于理論空燃比，混合氣較濃時，因燃料燃燒不完全，未完全燃燒的燃料隨廢氣排出，排氣能量比例較高，相對于空燃比6.5，空燃比為6時排氣能量提高11.8%。此外，混合氣較濃時，燃料燃燒不完全，放熱量減小，散熱能量比例較小。

圖13 空燃比對整機性能的影響

6 結(jié)論

(1) 甲醇發(fā)動機通過進氣晚關(guān)角調(diào)節(jié)負荷，可提高進氣壓力、減少泵氣損失；較好的抗爆性能匹配更高的幾何壓縮比以優(yōu)化性能。

(2) 高壓縮比甲醇發(fā)動機燃燒放熱速率更快，輸出轉(zhuǎn)矩和有效熱效率均優(yōu)于汽油機。

(3) 壓縮比、點火提前角、空燃比對甲醇發(fā)動機泵氣特性、燃燒特性和整機性能的影響較大，通過優(yōu)化匹配這些因素，可進一步優(yōu)化甲醇發(fā)動機的工作性能。