甲醇噴射正時對柴油/甲醇雙燃料HCCI發(fā)動機燃燒及排放特性的影響研究

王柯瑩，朱建軍，張翠平，米一銘，劉 鵬，張步勇，楊 濤

（太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

由于世界各國對內(nèi)燃機污染排放的監(jiān)管日漸嚴格以及燃油價格的大幅提高，尋找發(fā)動機清潔替代燃料和轉(zhuǎn)變?nèi)紵Ｊ揭殉蔀榻煌ㄟ\輸行業(yè)的重中之重。甲醇是一種無色透明的液體燃料，具有含氧量和辛烷值高、汽化潛熱高、燃燒速度快、抗爆性好、來源廣泛等優(yōu)點，擁有與汽油和柴油相同的儲存和運輸特性，被認為是極有發(fā)展前景的替代燃料之一[1]。

甲醇本身的理化特性使其難以在柴油發(fā)動機上應(yīng)用，但均質(zhì)充量壓縮點火（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）燃 燒 模 式 的 提出很好地解決了甲醇在柴油機上的應(yīng)用難題。HCCI燃燒模式結(jié)合了火花點火發(fā)動機和壓縮點火發(fā)動機的優(yōu)點，在HCCI燃燒模式下，燃燒室內(nèi)局部燃燒溫度較低，燃料和空氣預(yù)先混合所形成的稀薄混合物分布均勻，因此，氮氧化物（NOx）和煙 塵 的 排 放 量 較 低[2]～[5]。此 外，HCCI燃 燒 模 式 所 具有的壓縮點火和進氣過程中進氣門損失少的特點提高了發(fā)動機的熱效率[6]。發(fā)動機中混合氣濃度和溫度的均勻程度對HCCI燃燒模式的燃燒特性有重要影響。

研究表明，噴油參數(shù)可通過影響燃料霧化、混合氣形成和燃料燃燒等，間接調(diào)節(jié)發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。文獻[7]研究了低溫冷啟動環(huán)境下，噴射正時對甲醇發(fā)動機燃燒與排放特性的影響，研究結(jié)果表明，推遲噴射正時可以提高燃燒質(zhì)量，減少甲醛和未燃甲醇的排放量。文獻[8]研究了甲醇噴射正時對壓燃式發(fā)動機性能的影響，研究結(jié)果表明：當負荷較小時，缸內(nèi)壓力隨著甲醇噴射正時提前而降低；當負荷較大時，缸內(nèi)壓力隨著甲醇噴射正時提前而升高。文獻[9]研究了甲醇噴射正時對柴油/甲醇缸內(nèi)雙噴發(fā)動機燃燒與排放特性的影響，研究結(jié)果表明，甲醇噴射正時較早或較晚均不利于缸內(nèi)燃燒，當甲醇噴油正時為70°CA BTDC時，發(fā)動機的污染物排放得到改善。

目前，有關(guān)甲醇噴油正時對柴油/甲醇雙燃料HCCI發(fā)動機燃燒和排放特性的影響研究較少。因此，本文使用CFD仿真軟件Converge分析了甲醇噴射正時對柴油/甲醇雙燃料HCCI發(fā)動機燃燒和排放特性的影響，揭示了燃料與空氣混合質(zhì)量和缸內(nèi)溫度分布隨甲醇噴射正時的變化規(guī)律，為柴油/甲醇雙燃料HCCI發(fā)動機的優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 發(fā)動機模型的建立與實驗驗證

1.1 仿真模型建立與初始條件的確定

仿真計算所用發(fā)動機為一款由常柴3M78型多缸水冷發(fā)動機改裝的柴油/甲醇缸內(nèi)雙直噴壓燃式發(fā)動機，該發(fā)動機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機的主要參數(shù)Table1 Main parameters of engine

本研究利用CFD仿真軟件Converge進行缸內(nèi)燃燒仿真計算。圖1為油束分布位置。從圖1可以看出，甲醇噴油器布置在偏離氣缸中心處，為使甲醇油束與 ω型燃燒室更好地配合，甲醇噴油器傾斜布置。仿真過程中的初始條件如下：缸內(nèi)溫度為600K，缸內(nèi)壓力為101325Pa，進氣道和排氣道內(nèi)溫度分別為330K和650K，壓力均為101325Pa。仿真計算從進氣門開啟時刻開始，到排氣門關(guān)閉時刻結(jié)束，定義0°CA為壓縮沖程上止點。為保證計算結(jié)果的精準，仿真模型的基礎(chǔ)網(wǎng)格大小為2mm，最小的網(wǎng)格大小為0.2mm。

圖1 油束分布位置圖Fig.1 Oil beam distribution position

1.2 數(shù)學(xué)模型

湍流模型選用雷諾平均（RANS）的重整化群RNG k-ε模型。燃燒模型選用SAGE模型，以更好地模擬出HCCI燃燒模式的著火和燃燒情況。排放模型中，NOx排放模型選取Extended Zeldovich NOx模型，碳煙模型采用修正的Hiroyasu模型。噴霧模型中，液滴破碎模型采用KH-RT（Kelvin Helmholtz-Rayleigh Taylor）組 合 模 型，KH-RT組合模型得到的油束貫穿距和平均索特直徑仿真結(jié)果更貼合試驗結(jié)果[10]；液滴碰撞模型選用Wall film模型；液滴碰撞和聚合模型選用NTC模型；燃油蒸發(fā)模型選用Frossling模型。反應(yīng)機理采用正庚烷/甲醇反應(yīng)氧化機理，包含43種組分，65步化學(xué)反應(yīng)[11]。

1.3 模型驗證

選取轉(zhuǎn)速為1200r/min的滿負荷工況進行模型驗證。甲醇占能比為70%，柴油的噴射壓力為88MPa，噴射正時為8°CA BTDC，甲醇的噴射壓 力 為50MPa，噴 射 正 時 分 別 設(shè) 為320，237，150，60，10°CA BTDC，研究甲醇噴射正時對HCCI模式的燃燒和排放特性的影響。

試驗過程中，使用四川誠邦公司的ET2000型測控輔助系統(tǒng)，采用Kistler公司的6052C型缸壓傳感器測量缸壓數(shù)據(jù)，使用德維公司的DEWE-800-CA-SE燃燒分析儀采集與分析缸壓數(shù)據(jù)，曲軸轉(zhuǎn)角分辨率設(shè)定為0.1°CA。

在臺架試驗中測得的缸內(nèi)壓力和放熱率與純柴油模式下的仿真計算結(jié)果的對比如圖2所示。從圖2可以看出，缸內(nèi)壓力和放熱率的試驗值與仿真值吻合良好，缸壓峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相差0.4°CA，缸壓峰值的誤差為1.8%，誤差在5%之內(nèi)，表明所搭建的仿真模型是合理的。

圖2 仿真值與臺架試驗值對比Fig.2 Comparison of simulation value and test value

2 結(jié)果與分析

2.1 甲醇噴射正時對缸內(nèi)混合氣分布的影響

甲醇在低溫環(huán)境下很難蒸發(fā)，其在缸內(nèi)的蒸發(fā) 速 率（φ）和 蒸 發(fā) 量（Q）的 計 算 式[7]分 別 為式 中：p為 缸 內(nèi) 壓 力，Pa；T為 缸 內(nèi) 溫 度，K；ω為 缸內(nèi)渦流強度；S為甲醇液滴與空氣接觸的面積，mm2；t為 甲 醇 在 缸 內(nèi) 存 留 的 時 間，s。

甲醇噴射正時對缸內(nèi)混合氣分布的影響如圖3所示。從圖3可以看出，當甲醇噴射正時為320～237°CA BTDC時，甲醇-空氣混合氣在整個氣缸內(nèi)的分布更均勻。這是因為，此時缸內(nèi)壓力、溫度和渦流強度均比較小，甲醇的蒸發(fā)速率偏小，但甲醇在缸內(nèi)的存留時間長，蒸發(fā)的甲醇總量大，所以缸內(nèi)混合氣的平均濃度較大，且混合氣在長時間渦流作用下可進行充分擴散，因此缸內(nèi)混合氣分布得相對均勻。隨著甲醇噴射正時推遲，混合氣分層現(xiàn)象逐漸明顯，當甲醇噴射正時為10°CA BTDC時，甲醇-空氣混合氣在燃燒室凹坑處較濃。這是由于噴射提前角較小時，缸內(nèi)渦流對甲醇與空氣混合的作用時間短，甲醇蒸氣得不到有效擴散，混合氣容易在燃燒室凹坑積聚，使得甲醇-空氣混合氣分層嚴重，不利于火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

圖3 甲醇噴射正時對缸內(nèi)混合氣分布的影響Fig.3 Mixture distribution in the cylinder under different injection timings

2.2 甲醇噴射正時對缸內(nèi)燃燒的影響

甲醇噴射正時對缸內(nèi)壓力、壓力升高率和缸內(nèi)溫度的影響如圖4所示。由圖4（a）可知：隨著甲醇噴射正時提前，缸內(nèi)壓力峰值逐漸升高；當甲醇噴射正時由10°CA BTDC提前到60°CA BTDC時，缸內(nèi)壓力峰值由8.65MPa升高到10.11MPa,增幅為16.8%；當甲醇噴射正時由60°CA BTDC繼續(xù)提前時，缸內(nèi)壓力峰值的增量變小。當甲醇噴射正時提前到237，320°CA BTDC時，缸內(nèi)壓力峰值的大小基本一致。這是因為，甲醇越早噴入缸內(nèi)，在燃燒始點前與空氣混合的時間會更充足，容易在缸內(nèi)形成更為均質(zhì)的可燃混合氣，爆發(fā)出的峰值壓力就會越高，但是，當甲醇噴射正時提前到60°CA BTDC時，甲醇已有足夠的時間在缸內(nèi)形成均質(zhì)混合氣，此時繼續(xù)提前甲醇噴射正時對可燃混合氣的混合程度影響很小，所以缸內(nèi)壓力峰值的大小基本一致。

圖4 甲醇噴射正時對缸內(nèi)壓力、壓力升高率和缸內(nèi)溫度的影響Fig.4 Effect of methanol injection timing on in-cylinder pressure，pressure rise rate and in-cylinder temperature

由圖4（b）可知：隨著甲醇噴射正時提前，壓力升高率峰值逐漸上升；當甲醇噴射正時由10°CA BTDC提前到60°CA BTDC時，壓力升高率峰值顯著增加，當甲醇噴射正時繼續(xù)提前，壓力升高率峰值的增加幅度減小。這是因為，當甲醇在10°CA BTDC噴射時，缸內(nèi)混合氣進行擴散燃燒，所以壓力升高率峰值最低，此時缸內(nèi)燃燒最為粗暴；隨著甲醇噴射正時提前，甲醇在缸內(nèi)與空氣混合程度變好，燃燒質(zhì)量提高，因此壓力升高率峰值升高。當甲醇噴射正時為320～150°CA BTDC時，甲醇在缸內(nèi)的混合程度基本一致，壓力升高率的變化情況也基本相同。

由圖4（c）可知：隨著甲醇噴射正時提前，缸內(nèi)最高燃燒溫度升高，當甲醇噴射正時由10°CA BTDC提前到60°CA BTDC時，最高燃燒溫度大幅增加；隨著甲醇噴射正時繼續(xù)提前，缸內(nèi)最高燃燒溫度的增勢變緩，當甲醇噴射正時為237～320°CA BTDC時，缸內(nèi)燃燒溫度的大小趨于一致。

甲醇噴射正時對缸內(nèi)溫度場分布的影響如圖5所示。從圖5可以看出：在2°CA ATDC時，當甲醇噴射正時為320，237°CA BTDC時，燃燒處在初始階段，自燃點出現(xiàn)在燃燒室凹坑處；當甲醇噴射正時為150，10°CA BTDC時，火焰已在燃燒室內(nèi)擴散和傳播；當甲醇噴射正時為60°CA BTDC時，燃燒室還未有明顯的著火跡象。這說明燃燒始點會隨著甲醇噴射正時的提前而推遲。當甲醇噴射正時為10°CA BTDC時，甲醇在缸內(nèi)與空氣混合的時間明顯短于其余噴射正時，從而使噴入缸內(nèi)的甲醇未與空氣充分混合就隨著噴入缸內(nèi)的柴油壓燃，使火焰聚集在燃燒室的局部區(qū)域，未能充分傳播。當甲醇噴射正時為320，237，60°CA BTDC時，活塞運動到壓縮上止點后，缸內(nèi)溫度逐漸上升。當甲醇噴射正時為150，10°CA BTDC時，缸內(nèi)溫度在壓縮上止點后迅速上升。隨著甲醇噴射正時的提前角度增大，會得到更為均質(zhì)的甲醇-空氣混合氣，但由于缸內(nèi)沒有明顯的燃料濃度梯度，且過量空氣系數(shù)較大，所以燃料的著火界限提高，引起燃燒相位推遲，燃燒等容度降低。甲醇 噴 射 正 時 為320，237，150°CA BTDC時 的 滯 燃期逐漸縮短，雖然甲醇噴射正時為60°CA BTDC時的著火界限較低，但混合氣的均勻程度不如甲醇噴射正時為150°CA BTDC時，因此，當甲醇噴射正時為60°CA BTDC時，滯燃期更長。當甲醇噴射正時為10°CA BTDC時，雖然缸內(nèi)混合氣的均勻程度最差，但較低的著火界限和較高的缸內(nèi)溫度使得此時的滯燃期最短。

圖5 甲醇噴射正時對缸內(nèi)溫度場分布的影響Fig.5 Effect of methanol injection timing on in-cylinder temperature field distribution

2.3甲醇噴射正時對污染物排放的影響

甲醇噴射正時對碳煙（SOOT）和NOx排放量的影響如圖6所示。由圖6可知，SOOT排放量隨著甲醇噴射正時的提前而減少，甲醇噴射正時為320～150°CA BTDC時，SOOT排 放 量 基 本 相 當。SOOT的生成可以歸結(jié)為甲醇燃料在高溫缺氧環(huán)境下的部分氧化和裂解，隨著甲醇噴射正時的提前，甲醇的汽化潛熱對于缸內(nèi)溫度的影響不再顯著，甲醇-空氣混合氣的濃度逐漸適合燃燒，從而導(dǎo)致SOOT排放量逐漸減少。當甲醇噴射正時為10°CA BTDC時，SOOT排放量急劇增加，這是因為，缸內(nèi)此時主要進行擴散燃燒，大量的甲醇未能完全燃燒便被排出發(fā)動機外。

圖6 甲醇噴射正時對SOOT和NOx排放量的影響Fig.6 Effect of methanol injection timing on SOOT and NOx emissions

當甲醇噴射正時為150～10°CA BTDC時，隨著甲醇噴射正時的提前，NOx排放量急劇升高，當甲 醇 噴 射 正 時 為320～150°CA BTDC時，NOx排放量變化不大。影響NOx生成的因素包括溫度、氧濃度以及反應(yīng)持續(xù)時間，不同噴射正時下進入缸內(nèi)的空氣量以及甲醇的噴射量是相同的，所以缸內(nèi)的氧濃度是相同的，且反應(yīng)持續(xù)時間對NOx的生成影響有限，因此，缸內(nèi)溫度是影響NOx排放量的主要因素。結(jié)合圖4（c）可知，隨著甲醇噴射正時的提前，較高的缸內(nèi)溫度為NOx的生成提供了大量能量，但相比于純柴油模式，HCCI模式的NOx排放量已大幅減少。當甲醇噴射正時為10°CA BTDC時，甲醇-空氣混合時間較短，混合氣質(zhì)量的下降以及缸內(nèi)最高溫度的降低導(dǎo)致NOx的生成量減少。

甲醇噴射正時對HC和CO排放量的影響如圖7所示。促使CO形成的因素較多，如缸內(nèi)混合氣過濃或過稀、O2濃度較低、燃燒溫度較低和反應(yīng)時間較短等。由圖7可知，隨著甲醇噴射正時的提前，CO排放量逐漸減少，這是由于當甲醇噴射正時提前時，甲醇與空氣在燃燒前有較長的時間充分混合，形成均質(zhì)混合氣，且甲醇噴射正時越提前，著火時甲醇汽化潛熱對缸內(nèi)溫度影響越小，因此，當甲醇噴射正時提前時，CO排放顯著減少。當甲醇噴射正時為10°CA BTDC時，甲醇噴射時刻距燃燒始點較近，缸內(nèi)的甲醇與空氣混合質(zhì)量較差，局部缺氧環(huán)境和甲醇的汽化潛熱導(dǎo)致燃料不能完全燃燒，使得CO排放量增加。

圖7 甲醇噴射正時對HC和CO排放量的影響Fig.7 Effect of methanol injection timing on HC and CO emissions

HC的生成是由于混合氣在缸內(nèi)溫度較低的環(huán)境下產(chǎn)生淬熄和部分燃料的完全氧化[6]，這表明HC排放量的多少可在一定程度上顯示燃燒進行得是否完全。由圖7可知，隨著甲醇噴射正時提前，HC排放量先大幅度降低后微弱增加。當甲醇噴射正時為150°CA BTDC時，HC排放量最少，說明此時缸內(nèi)的溫度、壓力和混合氣濃度最適宜燃燒，且未超出稀燃和富燃極限，此時缸內(nèi)燃燒質(zhì)量最好。當甲醇噴射正時為10°CA BTDC時，HC排放量最大，此時缸內(nèi)燃燒質(zhì)量最為惡劣。

3 結(jié)論

①在HCCI燃燒模式下，當甲醇噴射正時為320～237°CA BTDC時，甲 醇-空 氣 混 合 氣 的 混 合質(zhì)量較好且分布均勻；當甲醇噴射正時提前角度較小時，甲醇與空氣未能及時混合，導(dǎo)致局部燃油過濃，甲醇-空氣混合氣嚴重分層。

②隨著甲醇噴射正時的提前，缸內(nèi)壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，壓力峰值也逐漸增高；甲醇噴射正時的提前能夠提高缸內(nèi)混合氣的霧化質(zhì)量和燃燒質(zhì)量，使壓力升高率有所提高，缸內(nèi)溫度分布得更為均勻。

③隨著甲醇噴射正時的提前，甲醇具有足夠時間與空氣混合，在缸內(nèi)形成均勻的甲醇-空氣混合氣，使得缸內(nèi)燃燒情況較好，SOOT，CO和HC的排放量降低，當甲醇噴射正時為150°CA BTDC時，HC排放量最低。隨著甲醇噴射正時的提前，甲醇汽化潛熱對缸內(nèi)溫度的影響減弱，因此NOx的排放量增加。