点火时刻对甲醇发动机怠速性能的影响①

2021-06-25赵建峰罗卫东王琳皓

热带农业工程 2021年2期

赵建峰何锋罗卫东王琳皓

（贵州大学机械工程学院贵州贵阳 550025）

甲醇作为一种新型车用替代燃料，具有高含氧量、高辛烷值、火焰传播速度快、最小点火能量低、来源广泛等特点［1-3］，既能降低燃料消耗与污染物排放，又可保证发动机具有良好的动力性能［4-5］。

点火时刻直接影响甲醇发动机的燃烧和排放特性。优化甲醇发动机点火时刻可以提高发动机的燃烧效率和使用寿命，降低甲醛排放。宫长明等［6］等通过气、液相色谱结合测量甲醛和甲醇，分析了点火时刻对甲醇发动机甲醛和未燃甲醇的影响，得出提前点火正时可以显著降低甲醇排放。袁泉［7-8］利用AVL-FIRE 仿真分析不同点火时刻对甲醇发动机燃烧特性和排放特性的影响，认为提前点火时刻能够有效改善甲醇发动机燃烧和非法排放。姜成泽［9］基于两次喷射策略，研究不同点火时刻对M100 甲醇发动机缸内混合气体形成、燃烧和排放特性的影响，发现随着点火时刻的推迟，在理论空燃比和稀薄燃烧情况下，缸内平均压力、温度都会降低；孙景震［10］通过研究不同点火正时对双火花塞缸内直喷甲醇发动机冷启动工况和稳态工况的影响，发现随点火时刻的提前，未燃甲醇和碳烟排放质量逐渐减小，氮氧化物排放质量逐渐增加。

通过对缸内直喷单缸四冲程甲醇发动机进行仿真分析，利用AVL-FIRE 软件仿真对比不同点火时刻对缸内混合气体分布、压力、温度、放热率、排放性能以及火焰密度的影响。

1 几何模型建立

1.1 发动机基本参数

发动机基本参数如表1：

表1 发动机基本参数

1.2 建立燃烧室模型

甲醇发动机的燃烧室包括汽缸盖底部、气缸侧壁、活塞顶部。通过UG 软件三维建模，如图1所示。

图1 燃烧室三维模型

过量空气系数λ＝3，为稀薄燃烧。为使火花塞附近甲醇充足，提高初始火苗的稳定性，采用不均匀喷孔布局，其布局与火花塞位置如图2所示。

2 仿真模型确立

2.1 网格划分

研究甲醇发动机在怠速工况下点火时刻对其燃烧特性和排放特性的影响，仿真模拟进气门关闭时刻到排气门开启时刻，即仿真范围为-160～130°CA。

图2 不均匀喷孔布局与火花塞位置

通过软件自带的Fame Engine Plus 模块对模型进行网格划分，图 3 为生成-150、0、100°CA 时刻的动态网格。由图3可知，网格质量较好，可以很好地保证模拟计算的精度，

图3 不同角度下的动态网格

2.2 物理模型

仿真过程中选择的物理模型如表2所示。

表2 模型选择

2.3 确定边界条件

仿真过程中假定汽缸盖底部、侧壁、顶部温度恒定不变，边界条件如表3所示。

3 结果与分析

3.1 不同点火时刻混合气体的分布情况

图4为缸内混合气体在不同点火时刻火花塞横截面的当量比云图。随着点火时刻的推迟，在油束聚集区域和稀少区域甲醇浓度逐渐增大，超稀少区域面积在逐渐减少。

表3 边界条件

计算甲醇简化蒸发速率：

式（1）中，ϕ为简化蒸发速率，ρ为缸内压力；T为缸内温度；ω为涡流强度；S为甲醇液滴表面积。

计算蒸发量Q：

式（2）中，t为甲醇液滴停留时间。

由图4可知，随点火时刻的推迟，活塞逐渐上行导致缸内压力、温度升高，蒸发速率增大。同时，随着甲醇气体在缸内停留时间增加，甲醇蒸发量Q增多，火花塞横截面浓度升高。

3.2 不同点火时刻对缸内压力的影响

由图5～6 所示，在点火时刻为24°CA BDTC时，缸内压力峰值和温度峰值最大，且在9～24°CA BDTC，随着点火时刻的提前，缸内压力峰值和温度峰值逐渐增大，9～18°CA BDTC，没有足够时间进行火焰核心发展，使得进入膨胀行程前没得到充分发展，严重影响火焰传播，缸内混合气的燃烧质量急剧变差，提前点火时刻。图7中放热率峰值增大且对应角度前移，缸内压力峰值上升显著；18～24°CA BDTC，火焰核心在进入膨胀行程前有足够时间发展，使得缸内混合气体燃烧质量较好，放热率峰值增大且对应角度前移不明显，缸内压力峰值上升不明显。

3.3 不同点火时刻对碳烟排放分析

由图8可知，随着点火时刻的提前，进入膨胀期前火焰核心发展时间逐渐减少，燃烧剧烈程度减轻，碳烟质量分数曲线峰值逐渐增大，缸内温度逐渐减小，说明高温可以促使碳烟进行氧化，且燃烧结束后生成碳烟逐渐减小。

图4 不同点火时刻缸内混合气体浓度

图5 不同点火时刻缸内压力曲线

图6 不同点火时刻缸内温度曲线

图7 不同点火时刻缸内放热率曲线

图8 不同点火时刻碳烟质量分数曲线

3.4 不同点火时刻对火焰密度分析

图9 为不同点火时刻在上止点时刻的缸内火焰密度截面云图。由图9 可知，点火时刻在9～18°CA BTDC，甲醇燃料在压缩上止点前做功，火焰主要分布在燃烧室右侧，火焰核心面积小、传播速率慢、燃烧稳定性较差；点火时刻在18～24°CA BTDC，火焰核心有足够的时间发展，火焰核心面积较大，传播速率较快，甲醇发动机燃烧稳定性较好。