甲醇－柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程分析

李仁春，王 忠，袁銀男，2，張登攀，李銘迪

（1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn) 江 212013；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南 通 226019）

甲醇具有含氧量高、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒅鸾缦迣挕⒉缓虻忍攸c(diǎn)，是一種清潔的柴油替代燃料。柴油機(jī)采用進(jìn)氣管噴射方式可以實(shí)現(xiàn)高比例摻燒甲醇［1－2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)甲醇－柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性開展了大量的研究工作，研究表明［3－5］，甲醇－柴油燃燒有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的炭煙和氮氧化物排放。

甲醇通過安裝在進(jìn)氣管處的低壓噴嘴噴入，經(jīng)過汽化、蒸發(fā)，與空氣混合進(jìn)入氣缸。在柴油噴入之前，缸內(nèi)已經(jīng)形成了均質(zhì)的甲醇預(yù)混合氣（稱為甲醇氛圍），可以認(rèn)為柴油的噴霧、著火和燃燒是在甲醇氛圍中進(jìn)行的。這種燃燒方式既不同于柴油機(jī)，也不同于汽油機(jī)，甲醇氛圍對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成、著火、燃燒以及排放都會(huì)產(chǎn)生影響。天津大學(xué)的學(xué)者研制了一種用于研究柴油在甲醇氛圍中燃燒特性的定容燃燒彈試驗(yàn)裝置［6］，該裝置能靈活控制熱力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)著火、燃燒的模擬，但試驗(yàn)裝置的研制周期長(zhǎng)、成本高。多維燃燒模擬能夠分析缸內(nèi)各個(gè)參數(shù)隨時(shí)間和空間分布的變化規(guī)律，既能重現(xiàn)缸內(nèi)工作過程的表面特征，還能反映微觀機(jī)理，是分析發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒特征的重要研究手段。

在不改變4B26發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，安裝了甲醇進(jìn)氣管噴射系統(tǒng)［7］，進(jìn)行了甲醇－柴油燃燒過程的試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，基于AVL Fire軟件進(jìn)行了燃燒柴油和甲醇－柴油缸內(nèi)工作過程的模擬，對(duì)比分析兩者的缸內(nèi)燃燒特征。

1 燃燒試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和方案

4B26增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)主要設(shè)備有WE32水力測(cè)功機(jī)、EIM0301D臺(tái)架控制柜、HAM03醇耗儀、AVL 525燃燒分析儀。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)工況為最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200r／min，136N·m負(fù)荷，測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油和甲醇－柴油（甲醇摻燒比例45%）時(shí)的氣缸壓力和燃油消耗率。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油時(shí)，柴油消耗量為7.15kg／h；發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇－柴油時(shí)，柴油消耗量為5.11kg／h，甲醇消耗量為4.18kg／h，計(jì)算摻燒比為45%，替代率為28.5%，替代比為2.05。與燃用柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇－柴油能夠大幅提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1示出了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇－柴油和燃用柴油的p－V圖對(duì)比。燃用甲醇－柴油最高燃燒壓力比柴油高約1MPa，定容放熱區(qū)域?qū)挘瑹釗p失減小，燃用甲醇－柴油顯著提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率。這是因?yàn)榧状荚谶M(jìn)氣管內(nèi)經(jīng)噴射、霧化混合后形成甲醇蒸氣進(jìn)入氣缸，在氣缸內(nèi)形成了幾乎均質(zhì)的預(yù)混合氣，一旦燃燒，甲醇充分發(fā)揮了其含氧量高、燃燒速度快的特點(diǎn)，其燃燒速度比擴(kuò)散燃燒的柴油快，最高燃燒壓力較高。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇－柴油和燃用柴油的瞬時(shí)放熱率對(duì)比見圖2。燃用柴油的放熱率呈明顯的雙峰特征，分別代表預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒過程。燃用甲醇－柴油的放熱率曲線為單峰，即大部分燃燒是預(yù)混燃燒，擴(kuò)散燃燒所占比例較小，且放熱率峰值明顯升高。與燃用柴油（50.04J／（°））相比，燃用甲醇－柴油的放熱率峰值升高約20%，放熱開始時(shí)刻推遲，預(yù)混放熱量明顯增加。

圖3示出了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇－柴油和燃用柴油的缸內(nèi)平均溫度對(duì)比。在噴射柴油之前，甲醇－柴油燃燒方式的缸內(nèi)溫度較低，著火時(shí)刻推遲，在上止點(diǎn)后開始著火，此后溫度不斷升高，最高燃燒溫度比燃用柴油高出約200K。這主要是由于甲醇汽化潛熱值高，進(jìn)氣溫度降低，從而進(jìn)一步降低了壓縮終了溫度，滯燃期延長(zhǎng)。一旦燃燒室局部滿足著火條件，將迅速燃燒，氣缸壓力、放熱率以及缸內(nèi)溫度急劇上升。

2 缸內(nèi)燃燒的模擬

2.1 模型的建立

計(jì)算網(wǎng)格的精度和質(zhì)量是數(shù)值模擬計(jì)算效率和結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。采用Hypermesh軟件進(jìn)行燃燒室三維網(wǎng)格的劃分，然后使用Fire軟件自帶的動(dòng)網(wǎng)格生成工具建立燃燒室和氣缸工作容積的總體動(dòng)網(wǎng)格（見圖4）。計(jì)算中主要選用的數(shù)學(xué)模型有標(biāo)準(zhǔn)κ－ε氣體湍流模型、Multi－component液滴蒸發(fā)模型、Walljet1液滴碰壁模型、Schmidt－O’Rouke粒子相互作用模型、KH－RT液滴破碎模型、ECFM－3Z燃燒模型、Enable湍流擴(kuò)散模型。其中相關(guān)火焰模型ECFM－3Z中自然模型選用Table模型，模擬中采用Simple／Piso算法進(jìn)行計(jì)算。

模擬過程從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)開始，到排氣門打開時(shí)結(jié)束。模擬時(shí)缸內(nèi)初始?jí)毫蜏囟扔稍囼?yàn)得到，初始渦流比為1.8，壁面溫度邊界采用恒溫邊界，忽略活塞運(yùn)動(dòng)與缸內(nèi)燃燒過程對(duì)壁面的傳熱。氣缸蓋、氣缸壁和燃燒室底面平均溫度分別設(shè)定為553K，403K，593K。

2.2 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證甲醇－柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，對(duì)2 200r／min，136N·m負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖5示出了氣缸壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，模擬計(jì)算出壓縮初始階段壓力、最高燃燒壓力、著火時(shí)刻均與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，所選模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬和描述發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油和甲醇－柴油各階段燃燒放熱的基本特征。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃油消耗、污染物排放和燃燒噪聲很大程度上取決于混合氣的形成質(zhì)量。燃用甲醇－柴油時(shí)，在柴油噴射之前，缸內(nèi)已經(jīng)形成了均質(zhì)的甲醇預(yù)混合氣；甲醇的自燃溫度高，無法自行著火，柴油的噴霧混合、著火過程是在甲醇預(yù)混合氣氛圍中進(jìn)行的。

圖6與圖7分別示出了不同燃燒模式下的混合氣濃度分布與溫度分布，圖中所選取的截面為XOY面，即第一個(gè)油束的中心截面。柴油單燃料模式下，噴油量較多，與燃用甲醇－柴油相比，噴油持續(xù)期較長(zhǎng)，在壓縮上止點(diǎn)之后還有少量燃油噴入氣缸。在柴油噴霧初期，柴油單燃料模式缸內(nèi)溫度大約為1 000K，而甲醇－柴油模式缸內(nèi)溫度在900K左右，不利于柴油的破碎、霧化、汽化和擴(kuò)散。隨著活塞的上行，在－4°左右時(shí)柴油蒸氣與燃燒室壁面接觸，此后在壁面導(dǎo)流的作用下少部分燃油蒸氣逐漸向上運(yùn)動(dòng)，大部分燃油蒸氣向燃燒室凹坑底部運(yùn)動(dòng)，氣體溫度的升高也相對(duì)緩慢。由圖7可以看出，柴油單燃料模式缸內(nèi)混合氣著火較早，在0°時(shí)，缸內(nèi)溫度基本在1 200K以上，而此時(shí)甲醇－柴油燃燒缸內(nèi)溫度基本在1 100K以下。在5°時(shí)，甲醇－柴油燃燒缸內(nèi)最高溫度為2 248K，燃燒主要發(fā)生在燃燒室凹坑內(nèi)，且燃燒速度較快。

通常著火時(shí)刻是根據(jù)缸內(nèi)最高溫度發(fā)生突變的時(shí)刻來判斷的。圖8示出了不同氛圍內(nèi)缸內(nèi)溫度場(chǎng)的突變分布。可以看出，燃燒柴油時(shí)，－2.2°時(shí)的缸內(nèi)最高溫度為1 062K，－2°時(shí)的缸內(nèi)最高溫度為1 146K，缸內(nèi)最高溫度發(fā)生突變，可以判定著火時(shí)刻為－2°，同理可以判定燃用甲醇－柴油的著火時(shí)刻為1.6°。

燃料噴入燃燒室后，分散成許多細(xì)小油滴。這些細(xì)小油滴經(jīng)過加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散以及與空氣混合等物理準(zhǔn)備和分解、氧化等化學(xué)準(zhǔn)備階段后，自行著火燃燒。而油滴著火需要滿足以下兩個(gè)條件：在形成的可燃混合氣中，燃料蒸氣與空氣的比例在著火界限內(nèi)，混合氣過濃，氧分子少，混合氣過稀，則燃料分子少，都不能著火；可燃混合氣必須滿足一定的溫度條件，即存在某一臨界溫度，低于這一溫度，燃料就不能著火。通常把燃料不用外部點(diǎn)燃而能自己著火的最低溫度稱為著火溫度，然而著火溫度并不是燃料本身固有的物理常數(shù)，它與介質(zhì)壓力、加熱條件以及混合氣濃度等因素相關(guān)。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)混合氣分布不均勻，存在局部過濃或過稀的現(xiàn)象。在活塞壓縮行程末期，燃燒室內(nèi)溫度上升，缸內(nèi)壓力提高，首先著火的地點(diǎn)是在油束核心與外圍之間混合氣濃度和溫度適當(dāng)?shù)牡胤健?/p>

表2示出了缸內(nèi)混合氣著火點(diǎn)參數(shù)。可以看出，與燃用柴油相比，甲醇－柴油著火點(diǎn)溫度和濃度都較高，著火點(diǎn)溫度達(dá)到1 553K，著火點(diǎn)燃空當(dāng)量比為2.1～3.2，滯燃期為0.88ms，著火時(shí)刻推遲。這主要是因?yàn)楦變?nèi)溫度較低，不利于柴油的霧化混合，油滴蒸發(fā)速度緩慢，甲醇蒸氣無法自行著火，造成了著火點(diǎn)出現(xiàn)的概率減小，需要滿足更高的濃度、溫度、壓力等條件才能著火。

表2 著火點(diǎn)參數(shù)

3 結(jié)論

a）與燃用柴油相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇－柴油的定容放熱區(qū)域?qū)挕釗p失小、燃燒效率高；燃燒最高燃燒壓力高約1MPa，放熱率峰值高20%，最高燃燒溫度高出200K；

b）甲醇汽化潛熱值大，降低了進(jìn)氣溫度，使得氣缸壓縮終了溫度降低；在柴油開始噴射時(shí)刻，缸內(nèi)溫度在900K左右，不利于柴油的破碎、霧化、汽化和擴(kuò)散，使得滯燃期延長(zhǎng)；

c）通過缸內(nèi)最高溫度的突變判斷著火點(diǎn)的相位；與燃用柴油相比，甲醇－柴油著火點(diǎn)的溫度和濃度都較高，著火點(diǎn)溫度達(dá)到1 553K，著火點(diǎn)濃度為2.1～3.2，滯燃期為0.88ms。

［1］ Marcel Ginu Popa，Niculae Negurescu，Constantin Pana，et al.Results obtained by methanol－fuelling diesel engine［C］.SAE Paper 2001－01－3748.

［2］ 王利軍，劉圣華，鄒洪波，等.高比例甲醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（1）：14－17.

［3］ Zhang Z H，Cheung C S，Chan T L，et al.Emission reduction from diesel engine using fumigation methanol and diesel oxidation catalyst［J］.Sci Total Environ，2009（407）：4497－4505.

［4］ 姚春德，王艷霞，段 峰，等.柴油／甲醇組合燃燒在增壓柴油機(jī)上的應(yīng)用［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2005（4）：6－9.

［5］ 王 忠，李仁春，張登攀，等.甲醇／柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（8）：78－83.

［6］ 姚春德，代 乾，許漢君，等.一種研究柴油甲醇雙燃料的定容燃燒彈試驗(yàn)裝置［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（3）：278－281.

［7］ 張登攀，袁銀男，杜家益，等.不同噴射方法柴油機(jī)進(jìn)氣甲醇預(yù)混過程的模擬［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30（4）：305－309.