影响汽车甲醇发动机燃烧特性的敏感因素分析

王琳皓，何锋，李惠林，赵建峰

（550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）

0 引言

甲醇作为一种清洁可持续发展的代用燃料被逐渐应用于汽车发动机。甲醇燃料具有高含氧量、高辛烷值且燃烧速度快等优点，应用在内燃机领域中有着独特的优势[1-3]。

发动机燃烧特性分析中必不可少的指标包括：发动机的气缸压力、缸内温度和放热规律等[4]；影响甲醇发动机燃烧特性的因素有：发动机负荷、转速、点火提前角、喷油提前角、进气温度和过量空气系数等[5]。Zhang Chunhua[6]等对比研究了均质充量压燃方式下发动机转速、进气温度和燃空当量比对甲醇发动机燃烧特性的影响，得出进气温度对其燃烧特性影响最大的结论；宫长明[7]等通过试验，分析了发动机转速对甲醇发动机燃烧过程和性能的影响；宫宝利[8]等利用AVL-Fire软件，仿真分析了甲醇发动机冷起动时，不同进气温度对其燃烧和醇醛类排放的影响，得出提高进气温度能够改善甲醇发动机冷起动燃烧，降低甲醛和未燃甲醇排放的结论；吴继盛[9]等则研究了进气温度对电热塞助燃式直喷甲醇发动机燃烧和非常规排放的影响；张自雷[10]等利用AVLFire 软件，仿真分析了不同过量空气系数对气缸内混合气浓度、气缸压力和缸内温度的影响。

本文以某型单缸四冲程火花塞点燃式甲醇发动机为研究对象，利用AVL-Fire 仿真软件分析发动机转速、进气温度和过量空气系数对甲醇发动机燃烧特性的影响，对比不同因素下最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值的变化程度。

1 甲醇发动机模型建立

1.1 几何模型建立

甲醇发动机的部分参数见表1。采用UG 与Fire ESE Diesel 相结合的方式，建立发动机燃烧室模型。喷油器喷孔采用10 孔对称分布，喷油器喷孔分布及火花塞布置如图1 所示。

表1 甲醇发动机部分参数Tab.1 Partial parameters of methanol engine

图1 喷油器喷孔分布及火花塞布置Fig.1 Distribution of injector holes and spark plug arrangement

1.2 计算模型建立

仿真过程中，选取由进气门关闭时刻-160°CA 曲轴转角到排气门打开时刻130°CA曲轴转角，通过软件自带的FEP 模块对其进行动网格划分，生成-160，0，130°CA 曲轴转角的动态网格，如图2 所示。

图2 不同曲轴转角下的计算动网格模型Fig.2 Computational dynamic mesh model with different crankshaft angles

仿真过程中选择的计算模型见表2。仿真过程中温度边界条件采用恒温边界条件，边界条件确定见表3。

表2 计算模型选择Tab.2 Calculation model selection

表3 边界条件Tab.3 Boundary conditions

1.3 仿真工况选定

对甲醇发动机在3 种不同转速、进气温度和过量空气系数下的燃烧特性进行仿真计算，仿真工况见表4。

表4 仿真工况Tab.4 Simulation conditions

2 仿真结果分析

2.1 发动机转速的影响

如图3 所示，随着转速的增大，缸内混合气浓度逐渐变均匀。当转速为1 400 r/min 时火花塞附近区域混合气浓度最大；当转速为1 800 r/min时，缸内混合气分布最均匀，但是火花塞附近区域混合气浓度变小。

图3 不同发动机转速下的缸内浓度场Fig.3 Concentration field in cylinder at different engine speeds

如图4 所示，最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值均随着转速的增大而减小。当转速由1 400 r/min 提高到1 800 r/min 时，虽然缸内混合气浓度变得更加均匀，但是火花塞附近混合气浓度降低，最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值都减小。

图4 不同发动机转速下的气缸压力、缸内温度和放热率Fig.4 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate at different engine speeds

2.2 进气温度的影响

如图5 所示，缸内混合气浓度变大。当进气温度为340 K 时，缸内混合气浓度低；当进气温度上升到380 K 时，缸内混合气浓度最大。

图5 不同进气温度下的缸内浓度场Fig.5 Concentration field in cylinder at different intake temperature

如图6 所示，最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值均随着进气温度的升高而增大。当进气温度由340 K 提高到380 K 时，缸内温度上升，缸内混合气浓度变大，最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值都增大。

图6 不同进气温度下的气缸压力、缸内温度和放热率Fig.6 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate at different intake temperatures

2.3 过量空气系数的影响

如图7 所示，随着过量空气系数的减小，缸内混合气浓度变大。过量空气系数为4 时，缸内存在大面积混合气稀薄区域；过量空气系数为3时，火花塞附近区域混合气浓度变大；当过量空系数减小为2 时，远离火花塞边缘位置混合气浓度也增大。

图7 不同过量空气系数下的缸内浓度场Fig.7 Concentration fields in cylinder under different excess air coefficients

如图8 所示，最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值均随着过量空气系数的减小而明显增大。当过量空气系数由4 减小到2 时，甲醇喷射量增多，缸内混合气浓度增大，易于点燃且燃烧速度变快，燃烧加剧，最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值都增大。

图8 不同过量空气系数下的气缸压力、缸内温度和放热率Fig.8 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate under different excess air coefficients

3 敏感因素分析

3.1 不同因素下放热率峰值的变化

如图9 所示，发动机转速由1 800 r/min 降低到1 400 r/min 时，放热率峰值上升39.807 J/°CA；进气温度由340 K 升高到380 K 时，放热率峰值上升38.513 J/°CA；过量空气系数由4减小为2时，放热率峰值上升121.79 J/°CA。可见，过量空气系数对放热率峰值的影响程度最大。

图9 不同因素下的放热率峰值Fig.9 Peak heat release rate under different factors

3.2 不同因素下最高气缸压力和缸内温度的变化

如图10 所示，发动机转速由1 800 r/min 降低到1 400 r/min 时，最高气缸压力增大0.81 MPa，最高缸内温度上升65.85 K；进气温度由340 K升高到380 K 时，最高气缸压力增大0.85 MPa，最高缸内温度上升252.23 K；过量空气系数由4减小为2 时，最高气缸压力增大1.96 MPa，最高缸内温度上升385.56 K。可见，过量空气系数对最高气缸压力和缸内温度的影响程度最大。

图10 不同因素下的最高气缸压力和缸内温度Fig.10 Maximum cylinder pressure and temperature in cylinder under different factors

4 结论

通过分析发动机转速、进气温度和过量空气系数对甲醇发动机燃烧特性的影响，得出如下结论：

（1）随着发动机转速的降低、进气温度的升高和过量空气系数的减小，甲醇发动机气缸压力、缸内温度和放热率均增大。

（2）发动机转速和进气温度对甲醇发动机最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值的变化影响较小。

（3）过量空气系数对甲醇发动机最高气缸压力、缸内温度和放热率峰值的变化有显著影响，是甲醇发动机燃烧特性3 个分析因素中最敏感的因素。