高壓縮比甲醇發(fā)動機非常規(guī)排放影響分析

甄旭東,雷星星,田智,耿杰,李汝寧,李小燕

(1.天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院,天津 300222;2.天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室,天津 300072;3.合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

2016年頒布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》法規(guī)對汽車的減排提出了更高要求。隨著我國汽車保有量的增加,以及在環(huán)保及節(jié)能的雙重壓力下,尋找一種新的替代燃料已刻不容緩[1]。甲醇作為一種新型燃料,與汽油、柴油相比,它有著辛烷值高、沸點低、能量密度高、抗爆震性強等優(yōu)勢,但其存在燃燒后易產(chǎn)生未燃甲醇及甲醛等非常規(guī)排放物等缺點[2]。對于非常規(guī)排放物的研究,孫景震等[3]研究發(fā)現(xiàn),當燃空當量比由0.33增大到0.4時,缸內(nèi)燃燒溫度大幅度升高,甲醛能夠得到氧化分解,甲醛濃度降低;Gong等[4]和吳繼盛等[5]通過進氣溫度的提高降低了甲醛及未燃甲醇排放;張超等[6]與彭樂高等[7]都發(fā)現(xiàn)富氧措施能使缸內(nèi)燃燒溫度升高,缸內(nèi)環(huán)境得到改善,有利于甲醛生成,導致缸內(nèi)甲醛質(zhì)量分數(shù)升高,同時未燃甲醇質(zhì)量分數(shù)減少;Cheung等[8]研究發(fā)現(xiàn)了生物柴油甲醇混合燃料的非常規(guī)排放量更高,同時隨著混合燃料中甲醇含量的增加,醛類物質(zhì)和未燃燒甲醇排放量增加。宮長明[9]和袁泉[10]等研究人員發(fā)現(xiàn)：增加點火角提前角有利于改善混合氣燃燒,提高缸內(nèi)燃燒溫度,有效降低甲醛排放。關于甲醇發(fā)動機稀薄燃燒的大量研究表明,未燃甲醇及甲醛排放是點燃式缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機的首要問題[11-12]。有研究者通過對電控汽油機燃用中高低比例的摻醇燃料的燃燒、排放特性進行研究,得出了摻醇后燃料的一些醇醛排放變化規(guī)律[13-14]。目前國內(nèi)外學者針對甲醇發(fā)動機的研究主要集中在小功率發(fā)動機上,對于大功率甲醇發(fā)動機的非常規(guī)排放特性的研究還較為薄弱。本研究通過使用三維CFD軟件耦合甲醇的詳細化學反應動力學機理,基于不同邊界條件,開展了高壓縮比甲醇發(fā)動機的非常規(guī)排放特性研究,以期為大功率甲醇發(fā)動機的開發(fā)提供借鑒。

1 模型建立及驗證

1.1 模型的建立

本研究中發(fā)動機是基于某款柴油機改造而成,發(fā)動機主要參數(shù)見表1。

通過GT-Power仿真平臺,根據(jù)發(fā)動機結構及參數(shù)建立了一維仿真模型,其作用是模擬進氣過程,為三維CFD仿真計算提供初始條件和邊界條件。本研究運用三維CFD仿真軟件模擬了進氣門關閉 (136°BTDC)到排氣門開啟(107°ATDC)的壓縮與燃燒做功過程,其模型見圖1。通過三維仿真計算分析發(fā)動機燃燒過程中的非常規(guī)排放物的生成與演變過程。

表1 甲醇發(fā)動機的參數(shù)

圖1 甲醇發(fā)動機三維仿真模型

基于GT-Power仿真平臺開展一維仿真計算,計算過程中缸內(nèi)傳熱模型采用Woschi模型,燃燒模型采用SITurb模型。基于CFD軟件平臺開展三維仿真計算,計算過程中湍流模型采取RNG-k-ε模型,點火模型采用Source模型,燃燒模型采用SAGE詳細化學反應求解器,其中化學反應機理采用了Shuojin Ren等[15]提出的包含了178種物質(zhì)和758步基元反應的甲醇化學反應動力學機理。仿真計算過程中,計算網(wǎng)格數(shù)量約為1 000 000,最大網(wǎng)格尺寸為4 mm,最小網(wǎng)格尺寸為0.125 mm[16]。

1.2 模型驗證

本研究所采用的發(fā)動機工作過程整機一維仿真模型已在文獻[17]中進行過試驗驗證。對于三維模型的驗證,由圖2a的網(wǎng)格無關性驗證可知,網(wǎng)格對計算結果沒有太大影響。圖2b示出三維模型與一維模型計算結果的對比,同時參考對比了Gong等[18]在相似機型的研究結果,可以看出壓力和放熱率的趨勢基本一致,最大誤差在5%以內(nèi)。因此,本研究所建立的三維模型可以用來模擬發(fā)動機的壓縮和燃燒過程。

圖2 計算模型驗證

2 結果與分析

2.1 點火角及負荷對非常規(guī)排放的影響

表2列出不同點火角及負荷下的非常規(guī)排放計算條件。圖3和圖4分別示出點火角在-12°ATDC和-6°ATDC條件下排氣門開啟時刻非常規(guī)排放物質(zhì)未燃甲醇與甲醛的排放結果。由圖3可知,隨著負荷的增加,未燃甲醇與甲醛的排放都是呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當負荷為50%時,未燃甲醇與甲醛的質(zhì)量分數(shù)分別是9.19×10-6和0.934 4×10-6,都達到最小值。怠速條件下,為了達到減少失火率以及燃燒穩(wěn)定的目的,過量空氣系數(shù)小于1,混合氣較濃,部分未燃燒甲醇來不及反應而直接被排出,因此這時的甲醇排放量較高;中等負荷時,為了獲得良好的燃油經(jīng)濟性以及排放性,過量空氣系數(shù)約等于1,混合氣濃度較均勻,燃燒較為完全,甲醇排放有所減少;在大負荷時,為了獲得更好的動力性,發(fā)動機過量空氣系數(shù)也是小于1,混合氣較濃,導致甲醇排放增多。甲醛是燃燒過程的中間產(chǎn)物[19],在怠速及大負荷條件下,混合氣濃度較高,過量的甲醇燃料在缸內(nèi)高溫高壓的條件下發(fā)生不完全氧化反應,生成主要產(chǎn)物甲醛。而在中等負荷下,過量空氣系數(shù)約等于1,燃燒較完全,甲醛生成較少。

表2 不同點火角及負荷下的非常規(guī)排放計算條件

圖3 -12°ATDC點火角、不同負荷下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

圖4 -6°ATDC點火角、不同負荷下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

由圖4可知,未燃甲醇與甲醛排放特性與圖3較為相似,都是隨著負荷的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,但排放量大幅上升：怠速條件下未燃甲醇的質(zhì)量分數(shù)達到4 100×10-6,甲醛質(zhì)量分數(shù)達到490×10-6;50%負荷時未燃甲醇的質(zhì)量分數(shù)達到640×10-6,甲醛質(zhì)量分數(shù)達到96.9×10-6。通過對比圖3和圖4可知,增加點火提前角能顯著降低未燃甲醇以及甲醛排放,且在小負荷時減小幅度較為明顯。其原因是隨著點火提前角的增加,缸內(nèi)壓力、溫度和放熱率等都得到顯著改善,燃燒較為完全,從而甲醇和甲醛排放量有所減少[9]。

圖5示出未燃甲醇與甲醛的濃度分布。由圖5可知,未燃甲醇主要集中在缸壁附近的小范圍區(qū)域,其原因是混合氣濃度分布不均勻,遠離火花塞位置溫度低,燃燒不完全,過量的甲醇在這里得不到充分燃燒,導致吸附殘留在此,隨后排出,從而導致未燃甲醇濃度較高。當發(fā)動機負荷較小時,隨著負荷的增加,未燃甲醇生成的區(qū)域逐漸縮減,隨著負荷進一步增加,未燃甲醇的生成區(qū)域又呈現(xiàn)增加的趨勢。對于甲醛,其主要產(chǎn)生位置首先是缸壁附近的小范圍區(qū)域,其原因則是缸壁附近溫度低,燃油碰壁造成霧化不良,加之壁面冷激作用共同導致壁面附近區(qū)域的甲醛濃度較高。小負荷工作時,其生成的質(zhì)量分數(shù)較高,甲醛生成的區(qū)域也是由幾乎充滿整個氣缸,到最后集中在缸壁小范圍區(qū)域。相比于中等負荷,當發(fā)動機接近高負荷工作時,其生成的質(zhì)量分數(shù)也偏高,甲醛生成區(qū)域有向中心擴散的趨勢。

圖5 -12°ATDC、不同負荷下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

圖6示出在怠速工況不同點火角條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖6可知,當點火角從-6°ATDC增加到-12°ATDC時,未燃甲醇與甲醛濃度都會減少,且都集中在缸壁以及缸壁附近小范圍區(qū)域,靠近火花塞區(qū)域濃度較低。原因是增加點火提前角能使缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變好,燃燒穩(wěn)定,未燃甲醇與甲醛的生成量都有所減少。

圖6 怠速工況不同點火角下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

2.2 EGR率及轉速對非常規(guī)排放的影響

表3列出不同EGR率及轉速下的非常規(guī)排放計算條件。圖7示出在10%EGR率、不同轉速條件下,未燃甲醇與甲醛的質(zhì)量分數(shù)變化曲線。由圖7可知,隨著轉速的增加,未燃甲醇的排放不斷增加,原因是轉速增加導致發(fā)動機每循環(huán)工作所占的時間減少,燃燒時間變短,甲醇氧化反應時間減少,部分甲醇無法完全反應而殘留下來并最終排出缸外。由圖7可知,隨著轉速的增加,甲醛排放則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。低轉速下,燃燒時間較長,甲醛有較為充足的時間進一步氧化,導致甲醛生成量較少。高轉速下,燃燒時間縮短,缸內(nèi)氣流運動加快,燃燒速度加快,導致甲醛生成量較少。除此之外,發(fā)動機在怠速工況下,每次進入缸內(nèi)進行反應的燃料較少,燃燒室內(nèi)的空氣流動隨著轉速的升高而加強,這樣就使燃料更加的分散從而產(chǎn)生過稀混合氣,這部分混合氣燃燒延緩,從而導致一部分甲醇會堆積殘留,最后以不完全燃燒狀態(tài)而排出。當轉速由1 400 r/min升高至1 800 r/min時,缸內(nèi)溫度占據(jù)了主導地位,從而導致甲醛排放量會有所降低[20]。

由圖8可知,未燃甲醇與甲醛的排放與圖7中的趨勢較為一致,都是隨著轉速的增加,未然甲醇的排放不斷增加,甲醛排放則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。由圖7和圖8中可以看出,相比于EGR率為0%,當EGR率為10%時,未燃甲醇和甲醛的排放量都有明顯的下降。由于EGR廢氣對氣體具有加熱作用,有利于改善甲醇的蒸發(fā)及擴散,因而可進一步提高甲醇與空氣的混合質(zhì)量,促進化學反應速率的增加,導致缸內(nèi)燃燒質(zhì)量明顯改善,從而有利于降低未燃甲醇和甲醛的排放。因此,采用EGR技術能夠有效降低未燃甲醇及甲醛的排放。

表3 不同EGR率及轉速下的非常規(guī)排放計算條件

圖7 10%EGR率、不同轉速下未燃甲醇與甲醛的質(zhì)量分數(shù)變化曲線

圖8 0%EGR率、不同轉速下未燃甲醇與甲醛的質(zhì)量分數(shù)變化曲線

圖9示出在10%EGR率及不同轉速條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖9可知,未燃甲醇的濃度隨著轉速的增大都是由缸壁向中心區(qū)域擴散,整體濃度趨勢有所上升,都是最先出現(xiàn)在缸壁區(qū)域,且集中在缸壁及附近小范圍區(qū)域。其原因是隨著轉速的增加,甲醇后期參與反應的時間縮短,導致甲醇殘留、濃度增大。隨著轉速的增加,甲醛的濃度有所增加,當轉速為1 400 r/min時達到最大,之后隨著轉速的增加會有所減小。出現(xiàn)的位置也主要集中在缸壁及附近小范圍區(qū)域,趨勢也是從缸壁附近向中心區(qū)域擴散。其原因是該負荷條件下,缸內(nèi)溫度暫時還沒有達到甲醛進一步氧化的條件,導致甲醛濃度會越來越高;隨著缸內(nèi)溫度上升,甲醛在高溫高壓的缸內(nèi)環(huán)境下進行下一步氧化,濃度降低。集中在缸壁及附近小范圍區(qū)域的原因是該區(qū)域溫度低,燃油碰壁造成霧化不良以及壁面冷激作用等[21]。

圖10示出在1 600 r/min轉速、兩種EGR率條件下,排氣門開啟時刻的未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖10可知,隨著EGR率的增加,未燃甲醇和甲醛濃度明顯減小,靠近缸壁區(qū)域的濃度較高。其原因是隨著EGR率的增加,進入氣缸的廢氣增加,缸內(nèi)混合氣的濃度被稀釋,導致甲醇參與反應的量變少,未燃甲醇與甲醛有減少趨勢?；鸹ㄈ恢脺囟容^缸壁位置偏高,混合氣濃度條件也有利于降低未燃甲醇與甲醛的生成,而缸壁附近溫度較低,燃油碰壁造成霧化不良以及壁面冷激作用導致壁面附近區(qū)域的未燃甲醇和甲醛濃度較高。

高職公共英語教學歷經(jīng)改革雖有一定程度的優(yōu)化和發(fā)展，但重復性研究居多。近年來，行業(yè)英語這一高職公共英語教學新術語逐漸得到關注。劉黛琳提出高職公共英語教學應包含行業(yè)主要崗位工作過程相關的英語內(nèi)容，趙芝英、簡劍芬指出高職公共英語教學應與行業(yè)知識相結合，均只限于教學內(nèi)容的探討。安曉燦試圖優(yōu)化高職英語課程內(nèi)容，研究行業(yè)英語教學，但相關的師資建設、評價體系、教學方法未予探究。

圖10 1 600 r/min、兩種EGR率下排氣門開啟時刻的未燃甲醇與甲醛濃度分布

2.3 當量比及壓縮比對非常規(guī)排放的影響

表4列出不同當量比及壓縮比下的非常規(guī)排放計算條件。圖11示出在當量比為0.7、不同壓縮比條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放。由圖11可知,隨著壓縮比的增加,未燃甲醇與甲醛排放逐漸減小,且未燃甲醇及甲醛減小幅度越來越小,在壓縮比達到17.5之后,未燃甲醇與甲醛的生成幾乎接近于0。具體原因是增大壓縮比能增加缸內(nèi)的溫度和壓力,有利于甲醇的燃燒,未燃甲醇與甲醛的質(zhì)量分數(shù)會減小[22]。

表4 不同當量比及壓縮比下的非常規(guī)排放計算條件

圖11 當量比為0.7、不同壓縮比下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

圖12 當量比為0.5、不同壓縮比下排氣門開啟時刻未燃甲醇及甲醛的排放

圖13示出在當量比為0.7、不同壓縮比條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖13可知,當壓縮比較低時,未燃甲醇與甲醛幾乎都集中分布在缸壁和缸壁附近小范圍區(qū)域以及活塞與缸蓋的縫隙區(qū)域。主要原因則是低壓縮比時,缸內(nèi)燃燒環(huán)境較差,壓力、溫度都較低,燃燒不完全,導致未燃甲醇與甲醛的排放較多。同時甲醇的霧化速度受到缸內(nèi)環(huán)境的影響從而變得緩慢,因此容易附著在活塞上表面與氣缸蓋之間的狹縫壁面上,導致未能及時燃燒。隨著活塞下行,這些未燃甲醇才開始與火焰接觸燃燒。當壓縮比較高時,缸內(nèi)溫度、壓力增加,缸內(nèi)燃燒較完全,未燃甲醇與甲醛排放減少。

圖13 當量比為0.7、不同壓縮比下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

圖14示出在壓縮比為15.5、兩種當量比條件下,排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布。由圖14可知,隨著當量比的增加,未燃甲醇及甲醛排放有所減少,且未燃甲醇及甲醛主要集中在缸內(nèi)溫度較低的缸壁附近小范圍區(qū)域,靠近火花塞附近位置其濃度普遍較低。在靠近氣缸壁附近,混合氣濃度偏低,加上缸壁的壁面冷激效應,導致在缸壁及附近小范圍的低溫區(qū)域產(chǎn)生大量的未燃甲醇與甲醛。

圖14 壓縮比為15.5、兩種當量比下排氣門開啟時刻未燃甲醇與甲醛濃度分布

3 結論

a) 隨著負荷的增加,未燃甲醇與甲醛的排放呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢;

b) 點火提前角的增加能有效降低未燃甲醇以及甲醛排放,且在小負荷時減小幅度更為明顯;

c) 隨著轉速的增加,未燃甲醇的排放有所增加,而甲醛排放則是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢;

d) EGR能明顯降低未燃甲醇及甲醛的排放,且在高轉速時較為明顯;

e) 增加壓縮比能減少未燃甲醇與甲醛排放,當壓縮比增加到17.5時,未燃甲醇與甲醛排放接近于0;

f) 當量比的增大能有效減小未燃甲醇與甲醛的排放,當壓縮比較小時,減小幅度較為明顯;

g) 未燃甲醇與甲醛主要分布在缸壁、缸蓋底面與活塞頂面的部分縫隙區(qū)域。