燃空当量比对直喷甲醇发动机混合气浓度分布影响

王斌

摘 要：基于一款经柴油机改装的非均匀分布的五喷孔的缸内直喷甲醇发动机，利用商用CFD数值计算软件计算模拟了不同燃空当量比下缸内混合气浓度分布情况。计算结果表明：经特殊改装的喷孔能够提高火花塞附近的混合气浓度，同时还改善缸内整体混合气浓度分布，使得缸内混合气浓度分布更加合理，缩小混合气浓度极度稀薄区域面积。

关键词：甲醇发动机；混合气浓度；模拟计算；燃空当量比

中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0123-02

Abstract： Based on a modified diesel engine with non-uniform distribution of five injection holes， a commercial CFD numerical calculation software was used to simulate the distribution of in-cylinder mixture concentration under different fuel/air equivalent ratios. The calculation results show that the specially modified nozzle can increase the mixture concentration near the spark plug and improve the overall mixture concentration distribution in the cylinder， which makes the mixture concentration distribution in the cylinder more reasonable and reduces the area of extreme rarefaction of mixture concentration.

Keywords： methanol engine； mixture concentration； simulation calculation； fuel/air equivalent ratio

2016年国家环保局联合各个机动车车质量监督检验中心及各大车企法规部拟定了堪称史上最严法规的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》。该法规不仅加严了相应排放物的限值，增加了排放颗粒物数量的要求，测试循环也更加贴近目前汽车在道路上所面临的复杂多变的工况。而且增加了实际行驶污染物排放（RDE）的排放测量，同时加大了对加油过程污染物的控制要求。根据公安部交管局统计，我国在用的汽车保有量已经突破2亿辆，且绝大部分为传统内燃机汽车，并且还保持高速增长的趋势，研究表明汽车尾气排放已成为大气污染物的最主要的来源之一；更为严重的是国际油价屡创新高，给消费者带来了更大的经济压力。因此在能源能与环保的双重压力下，迫切寻找一种清洁的可持续发展的替代燃料已成为当今最为重要的任务。

甲醇燃料来源广泛，可由化学合成等方式大量获取[1]，最为关键的是甲醇为液态燃料，能量密度高，便于存储和运输；同时由于甲醇是一种含氧燃料，作为传统内燃机燃料，尾气中的CO、HC、NOx等排放物很少，能够减小环境污染压力[2]。然而由于甲醇所具有的物理化学性质，其燃烧后容易生成未燃甲醇及甲醛等非常规排放物。其中甲醛对人体的伤害非常大，已经被欧洲、美国、日本等发达国家列为重点污害排放物[3]。此外甲醇的理化特性决定了甲醇的汽化潜热大，和汽油相比甲醇的汽化潜热是汽油的近三倍，高的汽化潜热导致甲醇蒸发时吸收大量热有利于降低缸内温度从而提高进气效率，然而在低温条件下也造成了冷启动困难等问题。大连民族大学的宫长明教授针对甲醇发动机的冷启动问题研究了三种不同预热方式对冷启动着火特性的影响及DISI分层稀薄燃烧、喷嘴开启压力、及点火时刻对甲醇发动机燃烧及排放的影响[4-5]。国外学者对于甲醇在缸内直喷发动机上稀薄燃烧下的分层混合气做出了大量研究，大部分研究结果表明未燃甲醇及甲醛是点燃式缸内直喷甲醇发动机的主要问题[6]。本文主要针对甲醇在低温环境下汽化潜热大，蒸发困难导致冷启动困难从而导致排放剧增的问题，通过三维仿真计算研究了不同空燃比对缸内直喷甲醇发动机缸内混合气浓度分布的影响。

1 仿真平台搭建

1.1 计算方法

本文基于一款经柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机使用三维仿真软件AVL-Fire耦合甲醇氧化机理进行模拟计算。其中模拟计算的边界条件均为环境温度。

由于甲醇有较大的汽化潜热值导致蒸发困难，且相同负荷条件下，甲醇喷射量远远大于柴油的喷射量且甲醇的润滑效果差，为减少甲醇对喷油嘴的磨损及在火花塞附近形成较浓的混合气以助以着火。因此对喷油器进行改进，将4孔喷油嘴修改为7孔非均匀性喷嘴，改进后的喷嘴见图1。

1.2 模型的验证

本文仿真计算的准确性验证主要通过缸内燃烧压力进行验证。主要通过在相同的试验工况下按照试验工况条件设置仿真计算的相关计算参数，通过仿真计算得到的缸内燃烧压力曲线与试验采集到的缸内压力曲线进行对比分析，以验证其准确性和精度。图2为缸内燃烧压力仿真计算与试验值对比，从图中可以看出模拟计算值与试验值吻合较好，因此表明仿真计算准确性很高，完全能够满足计算精度要求。

2 结果与分析

本文主要研究缸内之喷甲醇发动机在转速为1600r/min、喷油时刻为45°CABTDC，燃空当量比为0.33、0，40、0.50、0.67对缸内混合气浓度分布影响。

不同燃空当量比对混合气浓度分布的分布影响：

图3为通过三维仿真计算的得到的缸内混合气浓度分布图。从图中可以看出燃空当量比为0.33时，由于混合气偏稀，加上喷嘴的特殊布置，导致在火花塞附近喷油器油束密集区域聚集了部分相对较浓的混合气，然而在远离火花塞区域存在大面积的混合气极度稀薄区域。当燃空当量增大到0.4缸内混合气浓度分布规律不变，都是在火花塞附近喷油器油束密集区域聚集较浓的混合气，在远离火花塞区域都存在混合气极度稀薄区域，但是相对燃空当量比为0.33时，火花塞附近喷油器油束密集区域的混合气浓度有比较明显的增大且区域面积也有了一定程度的增大，且远离火花塞区域混合气极度稀薄的区域面积逐渐缩减。当混合气燃空当量比增大到0.5由图可知火花塞附近喷油器油束密集区域的混合气浓度显著增大，部分区域的混合气浓度达到了0.95接近理论空燃比，且远离火花塞区域混合气极度稀薄区域面积显著减小，且混合气浓度也得到比较明显的升高。当混合气燃空当量比增大到0.67时火花塞附近喷油器油束密集区域混合气浓度显著增大，浓混合气区域面积显著增大，且大部分区域混合气浓度都接近理论燃空当量比，在远离火花塞区域混合气浓度极度稀薄区域面积已经很小，且混合气浓度得到了明显增大。综上所知随着混合气燃空当量比增大，缸内混合气浓度及分布均能得到改善，有利于改善燃烧質量，降低排放。

3 结束语

（1）改进后的喷油器能够有效提高火花塞附近

混合气浓度，并且浓混合气区域面积也随之增大，有利于改善缸内燃烧条件。

（2）增大燃空当量比能够明显改善缸内混合气

浓度分布，缸内混合气浓度极度稀薄区域面积显著减小，能有效避免失火。

参考文献：

[1]谢满，蒋炎坤.汽油机掺烧甲醇裂解气试验研究[J].车用发动机，2016（03）：35-39.

[2]彭乐高，宫长明，宫宝利，等.富氧下甲醇发动机冷起动燃烧及非法规排放[J].内燃机学报，2017（05）：423-428.

[3]张海燕，张仲荣，刘立东，等.汽油车尾气中醛酮类化合物排放特征的研究[J].汽车工程，2013，335（3）：207-211.

[4]宫长明，宫宝利，彭乐高，等.点火时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响[J].车用发动机，2017（6）：25-29.

[5]宫长明，彭乐高，张自雷，等.DISI甲醇发动机层稀薄燃烧试验研究[J].车用发动机，2014，6：45-50.

[6]汪洋，王静，史春涛，等.甲醇发动机排放特性的研究[J].内燃机学报，2007，25（1）：73-76.