影響汽車甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的敏感因素分析

王琳皓，何鋒，李惠林，趙建峰

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

甲醇作為一種清潔可持續(xù)發(fā)展的代用燃料被逐漸應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。甲醇燃料具有高含氧量、高辛烷值且燃燒速度快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性分析中必不可少的指標(biāo)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱規(guī)律等[4]；影響甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的因素有：發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火提前角、噴油提前角、進(jìn)氣溫度和過量空氣系數(shù)等[5]。Zhang Chunhua[6]等對(duì)比研究了均質(zhì)充量壓燃方式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度和燃空當(dāng)量比對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，得出進(jìn)氣溫度對(duì)其燃燒特性影響最大的結(jié)論；宮長(zhǎng)明[7]等通過試驗(yàn)，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程和性能的影響；宮寶利[8]等利用AVL-Fire軟件，仿真分析了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，不同進(jìn)氣溫度對(duì)其燃燒和醇醛類排放的影響，得出提高進(jìn)氣溫度能夠改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)燃燒，降低甲醛和未燃甲醇排放的結(jié)論；吳繼盛[9]等則研究了進(jìn)氣溫度對(duì)電熱塞助燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和非常規(guī)排放的影響；張自雷[10]等利用AVLFire 軟件，仿真分析了不同過量空氣系數(shù)對(duì)氣缸內(nèi)混合氣濃度、氣缸壓力和缸內(nèi)溫度的影響。

本文以某型單缸四沖程火花塞點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，利用AVL-Fire 仿真軟件分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度和過量空氣系數(shù)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，對(duì)比不同因素下最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值的變化程度。

1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立

1.1 幾何模型建立

甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的部分參數(shù)見表1。采用UG 與Fire ESE Diesel 相結(jié)合的方式，建立發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室模型。噴油器噴孔采用10 孔對(duì)稱分布，噴油器噴孔分布及火花塞布置如圖1 所示。

表1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)Tab.1 Partial parameters of methanol engine

圖1 噴油器噴孔分布及火花塞布置Fig.1 Distribution of injector holes and spark plug arrangement

1.2 計(jì)算模型建立

仿真過程中，選取由進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻-160°CA 曲軸轉(zhuǎn)角到排氣門打開時(shí)刻130°CA曲軸轉(zhuǎn)角，通過軟件自帶的FEP 模塊對(duì)其進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，生成-160，0，130°CA 曲軸轉(zhuǎn)角的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格，如圖2 所示。

圖2 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的計(jì)算動(dòng)網(wǎng)格模型Fig.2 Computational dynamic mesh model with different crankshaft angles

仿真過程中選擇的計(jì)算模型見表2。仿真過程中溫度邊界條件采用恒溫邊界條件，邊界條件確定見表3。

表2 計(jì)算模型選擇Tab.2 Calculation model selection

表3 邊界條件Tab.3 Boundary conditions

1.3 仿真工況選定

對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在3 種不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度和過量空氣系數(shù)下的燃燒特性進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真工況見表4。

表4 仿真工況Tab.4 Simulation conditions

2 仿真結(jié)果分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

如圖3 所示，隨著轉(zhuǎn)速的增大，缸內(nèi)混合氣濃度逐漸變均勻。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min 時(shí)火花塞附近區(qū)域混合氣濃度最大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，缸內(nèi)混合氣分布最均勻，但是火花塞附近區(qū)域混合氣濃度變小。

圖3 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)濃度場(chǎng)Fig.3 Concentration field in cylinder at different engine speeds

如圖4 所示，最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值均隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速由1 400 r/min 提高到1 800 r/min 時(shí)，雖然缸內(nèi)混合氣濃度變得更加均勻，但是火花塞附近混合氣濃度降低，最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值都減小。

圖4 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率Fig.4 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate at different engine speeds

2.2 進(jìn)氣溫度的影響

如圖5 所示，缸內(nèi)混合氣濃度變大。當(dāng)進(jìn)氣溫度為340 K 時(shí)，缸內(nèi)混合氣濃度低；當(dāng)進(jìn)氣溫度上升到380 K 時(shí)，缸內(nèi)混合氣濃度最大。

圖5 不同進(jìn)氣溫度下的缸內(nèi)濃度場(chǎng)Fig.5 Concentration field in cylinder at different intake temperature

如圖6 所示，最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值均隨著進(jìn)氣溫度的升高而增大。當(dāng)進(jìn)氣溫度由340 K 提高到380 K 時(shí)，缸內(nèi)溫度上升，缸內(nèi)混合氣濃度變大，最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值都增大。

圖6 不同進(jìn)氣溫度下的氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率Fig.6 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate at different intake temperatures

2.3 過量空氣系數(shù)的影響

如圖7 所示，隨著過量空氣系數(shù)的減小，缸內(nèi)混合氣濃度變大。過量空氣系數(shù)為4 時(shí)，缸內(nèi)存在大面積混合氣稀薄區(qū)域；過量空氣系數(shù)為3時(shí)，火花塞附近區(qū)域混合氣濃度變大；當(dāng)過量空系數(shù)減小為2 時(shí)，遠(yuǎn)離火花塞邊緣位置混合氣濃度也增大。

圖7 不同過量空氣系數(shù)下的缸內(nèi)濃度場(chǎng)Fig.7 Concentration fields in cylinder under different excess air coefficients

如圖8 所示，最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值均隨著過量空氣系數(shù)的減小而明顯增大。當(dāng)過量空氣系數(shù)由4 減小到2 時(shí)，甲醇噴射量增多，缸內(nèi)混合氣濃度增大，易于點(diǎn)燃且燃燒速度變快，燃燒加劇，最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值都增大。

圖8 不同過量空氣系數(shù)下的氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率Fig.8 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate under different excess air coefficients

3 敏感因素分析

3.1 不同因素下放熱率峰值的變化

如圖9 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由1 800 r/min 降低到1 400 r/min 時(shí)，放熱率峰值上升39.807 J/°CA；進(jìn)氣溫度由340 K 升高到380 K 時(shí)，放熱率峰值上升38.513 J/°CA；過量空氣系數(shù)由4減小為2時(shí)，放熱率峰值上升121.79 J/°CA?？梢?，過量空氣系數(shù)對(duì)放熱率峰值的影響程度最大。

圖9 不同因素下的放熱率峰值Fig.9 Peak heat release rate under different factors

3.2 不同因素下最高氣缸壓力和缸內(nèi)溫度的變化

如圖10 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由1 800 r/min 降低到1 400 r/min 時(shí)，最高氣缸壓力增大0.81 MPa，最高缸內(nèi)溫度上升65.85 K；進(jìn)氣溫度由340 K升高到380 K 時(shí)，最高氣缸壓力增大0.85 MPa，最高缸內(nèi)溫度上升252.23 K；過量空氣系數(shù)由4減小為2 時(shí)，最高氣缸壓力增大1.96 MPa，最高缸內(nèi)溫度上升385.56 K?？梢姡^量空氣系數(shù)對(duì)最高氣缸壓力和缸內(nèi)溫度的影響程度最大。

圖10 不同因素下的最高氣缸壓力和缸內(nèi)溫度Fig.10 Maximum cylinder pressure and temperature in cylinder under different factors

4 結(jié)論

通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度和過量空氣系數(shù)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，得出如下結(jié)論：

（1）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低、進(jìn)氣溫度的升高和過量空氣系數(shù)的減小，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率均增大。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值的變化影響較小。

（3）過量空氣系數(shù)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)最高氣缸壓力、缸內(nèi)溫度和放熱率峰值的變化有顯著影響，是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性3 個(gè)分析因素中最敏感的因素。