点火时刻对甲醇发动机燃烧影响

袁泉

摘 要：当今环境污染越来越严重，国家对汽车尾气排放污染物制定了严格的法规限制汽车尾气的排放，寻求一种清洁持续发展的替代燃料是世界各国面临的重大问题。甲醇作为一种清洁可持续发展的替代燃料越来越被各国所重视，研究甲醇发动机燃烧及排放已经成为当今的热门课题。文章基于一台经柴油机改装的缸内直喷点燃式发动机研究了不同点火时刻对甲醇发动机燃烧影响。研究表明：提前点火时刻能够改善甲醇发动机燃烧。

关键词：甲醇发动机；燃烧；污染物排放；替代燃料

中图分类号：U464 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0181-02

1 概述

2016年国家环保部和国家质检总局联合发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》全面加严了轻型汽车尾气排放测试要求，对排放污染物限值也更加严格[1]，同时提出了对PM及PN的排放限值要求。国家对汽车污染物排放的苛刻要求给传统汽车企业带来了巨大压力，因此寻求一种清洁可持续发展的替代燃料迫在眉睫。相对国五阶段排放法规，国六阶段排放法规对汽车尾气污染物的排放限制更加严格，同时对排放试验的循环工况也更加复杂，采用了更为复杂的世界工况法的WLTC循环[2]。传统燃料发动机要实现国六排放法规将会面临巨大的挑战，为了实现PM和PN的排放排放目标必须在汽油机上安装GPF（汽油机颗粒捕集器）将增加汽车经济负担；开发新型催化转化器应对国六法规也将给汽车企业带来沉重经济负担。甲醇是一种含氧燃料在燃烧过程中不会产生PM和PN，这将使得在不安装GPF的前提下甲醇汽车能够实现国六法规对PM和PN排放限制的要求；同时甲醇发动机也具有较低的CO和HC排放[3-4]，可以比较容易实现国六排放法规对气体污染物的排放要求。针对甲醇发动机的优势国内外许多专家学者对甲醇发动机的燃烧及排放进行了系统研究。天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室姚春德教授对甲醇发动机燃烧及排放进行了系统研究，研究表明甲醇燃料可以在稍微改动的汽油机上实现超低排放[5]。虽然甲醇发动机具有众多优点，然而甲醇燃烧时发动机尾气含氧中却有较高的醇醛等非法规排放，造成新的环境污染，其中甲醛对人体健康伤害尤为严重，日本和欧美等众多国家已经将一些醛类物质列入重点污染物名单[6]。针对甲醇发动机所特有的非法规排放国内外经过国内外专家学者的研究取得了比较理想的成绩[7]。经过国内外专家学者的共同努力，甲醇发动机终于取得了比较理想的成绩，尤其是吉利汽车推出了纯甲醇燃料汽车轰动世界。因此我们更加坚信甲醇燃料将会是一种有前途的替代燃料，研究甲醇发动机的意义也十分重要。

本文主要是在一台经柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机上运用商业三维仿真软件AVL-FIRE研究了点火时刻对缸内直喷点燃式燃烧的影响。

2 计算模型

本文研究对象为一台缸径为130mm，排量为1.99L压缩比14，7喷孔的單缸柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机。计算使用AVL-FIRE软件进行三维瞬态计算，针对喷雾过程，破碎模型采用Huh/Gosman模型，碰壁模型采用Walljet模型，蒸发模型采用Dukowicz模型；湍流模型采用k-zeta-f模型；点火模型采用Spherical模型；燃烧模型采用General gas phase reactions用户自定义物质成分和反应机理及考虑燃烧过程的影响模型。

使用三维瞬态计算首先必须对发动机模型进行动态网格划分，发动机动态网格划分结果如图1。为减少计算工作量，对CFD模型进行了简化，省略了进气道和排气道，仿真计算从进气门关闭时刻（560°CA）到排气门打开时刻（850°CA BTDC）。由于省略了进气过程，通过AVL-BOOST软件对缸内气流运动涡流比进行模拟计算，然后将模拟计算值对进气门关闭时刻缸内气流运动进行初始化赋值。模拟计算动态网格由软件自带的Fame Engine Plus对模型进行动网格划分。从动态网格图中可以看出，所画的动态网格质量较为满意，全部是质量较好的网格，没有出现影响计算结果的负网格，因此够很好的保证模拟计算结果准确性和精度。

为确保模拟计算准确度，本文采用试验所采集缸内压力曲线与模拟计算的缸内进行对比分析，缸内压力对比分析结果如图2所示。从图中可以得知仿真计算所得数据与试验数据吻合较好误差在5%以内，完全满足计算所需精度要求。

3 计算结果分析

本文主要研究稳态工况下，发动机转速为1600r/min，过量空气系数λ=2.0，喷油时刻为45°CA BTD，不同点火时刻（点火时刻分别为8°CA BTD、11°CA BTD、14°CA BTD、17°CA BTD、20°CA BTD）对甲醇发动机燃烧影响。

不同点火时刻对缸内燃烧压力、燃烧温度、放热率影响如图3-5所示。

从图3可知，当点火时刻为20°CA BTDC时缸内最高燃烧压力最大，且整体趋势是推迟点火时刻缸内最高燃烧压力逐渐下降；当点火时刻由20°CA BTDC推迟到14°CA BTDC过程中缸内最高燃烧压力下降不明显；当点火时刻由14°CA BTDC推迟到8°CA BTDC过程缸内最高燃烧压力显著下降。分析其原因是当点火时刻为20°CA BTDC时，有足够时间使得火焰核心得到充分发展，有利于火焰的传播及缸内混合气的燃烧，缸内混合气燃烧质量较好，缸内最高燃烧压力较大。当点火时刻在14°CA BTDC之前尚有充足时间发展火焰核心，因此缸内火焰核心能够得到较好的发展缸内混合气燃烧质量仍然较好，缸内最高燃烧压力下降不明显。当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后没有充足时间发展火焰核心，导致火焰核心还没充分发展好就进入了膨胀期，严重影响了火焰传播从而导致缸内混合气燃烧质量急剧变差，从而使得缸内最高燃烧压力显著下降。从图4可知，当点火时刻为20°CA BTDC时缸内最高燃烧温度最大，推迟点火时刻缸内最高燃烧温度整体趋势是逐渐减小；当点火时刻由20°CA BTDC推迟到14°CA BTDC过程中缸内最高燃烧温度下降不明显；当点火时刻由14°CA BTDC推迟到8°CA BTDC过程缸内最高燃烧压力显著下降。分析原因是推迟点火不利于火焰核心形成及火焰传播导致缸内混合气燃烧质量变差，缸内最高燃烧温度下降；当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后没有足够时间进行火焰核心发展，从而导致缸内混合气燃烧恶化，最高燃烧温度显著下降。从图5可知，当点火时刻为20°CA BTDC时放热率峰值最大，推迟点火时刻放热率峰值整体趋势是逐渐减小；当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后放热率峰值显著下降。分析原因是推迟点火不利于火焰核心形成及火焰传播导致缸内混合气燃烧质量变差，放热率峰值下降；当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后没有足够时间进行火焰核心发展，从而导致缸内混合气燃烧恶化，放热率峰值显著下降。

4 结论

（1）推迟点火时刻不利于缸内混合气燃烧，使得缸内最高燃烧压力逐渐下降，当点火时刻在14°CA BTDC之前推迟点火时刻对缸内最高燃烧压力影响不明显，当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后缸内最高燃烧压力急剧下降。

（2）推迟点火时刻不利于缸内混合气燃烧，使得缸内最高燃烧压力逐渐下降，当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后推迟点火时刻对缸内最高燃烧温度影响不明显，当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后缸内最高燃烧温度急剧下降。

（3）推迟点火时刻不利于缸内混合气燃烧，使得放热率峰值逐渐下降，当点火时刻在14°CA BTDC之前推迟点火时刻对放热率峰值影响不明显，当点火时刻推迟到14°CA BTDC以后放热率峰值急剧下降。

参考文献：

[1]段艳妮，董俊.中国新能源汽车产业发展问题探讨[J].汽车与配件，2017，08：36-37.

[2]彭斐.把握新能源汽车的新机遇[J].汽车与配件，2017，02：6.

[3]宫长明，彭乐高，孙景震，等.喷嘴开启压力对DISI甲醇发动机燃烧和排放的影响[J].车用发动机，2015（03）：70-75.

[4]宫长明，彭乐高，张自雷，等.DISI甲醇发动机分层稀薄燃烧试验研究[J].车用发动机，2014（06）：45-50.

[5]姚春德，曾丽丽，耿鹏，等.甲醇汽油发动机燃烧及其醇醛排放特性的研究[J].汽车工程，2014，36（6）：657-662.

[6]SHAMSUL N S. An overview on the production of bio-methanol as potential renewable energy[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2014， 33（1）：578-588.

[7]刘方杰，刘圣华，魏衍举，等.甲醇氧化生成甲醛排放的影响因素[J].内燃机学报，2014，32（2）：166-171.