點火正時和EGR對甲醇發動機爆震特性影響研究＊

丁明峰 洪偉 解方喜 鐘兵 劉偉

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.福特汽車工程研究（南京）有限公司）

點火正時和EGR對甲醇發動機爆震特性影響研究＊

丁明峰1洪偉1解方喜1鐘兵1劉偉2

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.福特汽車工程研究（南京）有限公司）

以一臺改裝的點火式甲醇發動機為研究對象，通過控制進氣壓力保證每循環油量為定值，并且按過量空氣系數為1進行燃燒，應用CFD軟件Fire在易發生爆震的低速大負荷工況分別研究點火正時、EGR率和EGR溫度對該發動機爆震指數的影響。結果表明：推遲點火正時可以使壓力波動出現在缸壓的下降段，有效改善爆震；隨EGR率增加，初始爆震指數變化并不明顯，之后爆震指數迅速下降；隨EGR溫度的降低，爆震指數也隨之減小；上述3種方式中使用冷EGR降低爆震對缸壓的影響最小。

1 前言

爆震燃燒是指火花塞點火后，火焰以30～70 m/s的正常速率向前傳播，末端混合氣由于受到進一步的擠壓和熱輻射作用，在正常火焰傳播到達之前產生自燃的現象。爆震會導致發動機過熱以及零部件應力過大等不利后果，而甲醇已作為高抗爆性、環保性燃料逐漸得到推廣。EGR技術在柴油機上應用比較廣泛，主要目的是利用廢氣比熱容高、稀釋新鮮空氣、減緩燃燒速率的作用降低柴油機的NOx排放。雖然甲醇發動機的排放有很大改善，但隨著大氣環境的日益惡化，EGR在甲醇發動機上的應用也越來越廣泛[1～6]。本文在高壓縮比發動機上研究點火正時和EGR對甲醇發動機爆震的影響，利用軟件AVL FIRE對一臺2氣門發動機在不同點火正時、EGR率和EGR溫度下對發動機的燃燒過程進行模擬計算。

2 CFD模型及試驗臺架的建立

2.1 CFD模型的建立

2.1.1 計算網格的劃分

所研究的甲醇發動機是在一臺自然吸氣柴油機上加裝節氣門、EGR系統和點火系統，并改造進氣歧管燃料供給系統，從而將其改裝成進氣道噴射點燃式發動機。該發動機基本工作參數如表1所列。

表1 發動機基本工作參數

定義進氣上止點為360°曲軸轉角，用FIRE軟件中的Fame Engine+工具對發動機模型從進氣上止點360°到排氣門開啟時刻869°的曲軸轉角進行動網格劃分，后期對活塞、氣門、氣道等不同部位進行網格細化，最大動網格數為839 717，最小動網格數為149 688。圖1所示分別為進氣行程下止點540°、壓縮上止點720°的計算網格。

2.1.2 邊界條件

邊界條件的設置對仿真計算精度有重要影響，計算邊界包括進氣入口、進氣道壁面、活塞頂面、缸壁和氣缸蓋，并分別進行設置：活塞頂面為移動邊界，溫度為600K；缸壁、氣缸蓋和進氣道壁面為固定邊界，溫度分別為450K、550K和330K。

2.1.3 初始條件

初始條件設置涉及進氣、壓縮、做功行程。初始湍動能為：

式中，h為行程；n為轉速。湍流尺度為：

式中，hv為氣門升程最大值，hv=10.265 mm

2.1.4 數學模型

點火模型選用相關火焰模型中的ECFM模型，該模型適用于火花點火式發動機。湍流模型采用計算穩定性較好的k-ε模型。燃燒模型采用擴展的相關火焰CFM模型。

2.2 模型驗證

為驗證模型的準確性，對本計算模型與試驗數據進行氣缸壓邊和放熱率的對比，圖2所示為轉速為1 400 r/min、循環燃料噴射量為25%、點火提前角為上止點前20°時的氣缸壓力曲線對比。由圖2可知，模擬結果與試驗結果吻合度較好，證明所建模型和計算方法合理。

3 爆震評價指標

3.1 爆震監測點選取

選擇活塞壓縮上止點720°時的網格，按照不同坐標軸對燃燒室進行切割，然后記錄需要讀取點的坐標，在計算過程中對選取的點進行監控（主要監控該點的壓力變化）。火焰由火焰核心正常傳播至末端混合氣所需時間為T1，由火焰中心形成至末端混合氣自燃所需時間為T2，當T1大于T2時，發生爆震。

在燃燒室模型的邊緣設置監測點，檢測其壓力波動，火花塞的位置在進、排氣門之間，所以選取離火花塞較遠的8個點位置（圖3），其中1點靠近排氣門，2點靠近進氣門，監測點為直徑0.001m的球形結構，能夠明顯測得其平均壓力波動。在壓縮上止點附近700°～740°范圍內的主燃期會出現比較明顯的壓力波動，在計算過程中為節省時間，設置計算步長為0.02°，其它曲軸轉角下的計算步長可適當調大一些。

3.2 爆震指數的界定

監測點發生壓力波動時無法直接讀出其壓力波動的大小，需要通過濾波器對壓力波動進行過濾。通過MATLAB中的信號處理模塊，選擇6階巴特沃斯帶通濾波器，采樣頻率420 kHz，以濾出5～30 kHz之間的波形，結果表明可以很好過濾出壓力波動的大小。由于局部點壓力波動的大小不能反映該工況下的爆震指標，所以通過以下方式進行衡量：定義相鄰最大波峰與波谷的距離大小為局部最大壓力（PP max），該值可直接在MATLAB信號圖形中讀出，定義爆震指數為KI，其計算公式為：

式中，N為監測點的個數[7，8]。

4 計算結果與分析

考慮到全負荷工況下不宜采用EGR，因此所選工況點為1 400 r/min，噴油量選擇為進氣門全開時噴油量的70%。該研究是保證甲醇發動機按過量空氣系數為1進行燃燒，使每次噴油量保持不變，即保證每循環進入氣缸的混合氣為定值，同時為了使EGR率達到30%以研究高EGR率對發動機爆震的影響，此時進氣壓力為大氣壓力，由于發動機是自然吸氣發動機，因此進氣壓力不能超過0.1 MPa。進而研究在無EGR條件下點火正時、EGR率、EGR溫度對爆震指數的影響，其中EGR溫度是廢氣和混合氣均勻混合后的溫度。

4.1 無EGR條件下點火正時對爆震的影響

計算過程中點火正時從上止點后-3°開始對氣缸壓力有比較明顯的影響，而且間隔4°造成波動差異較大，因此調整點火角度分別為-3°、-7°、-11°、-15°，得到不同監測點位置的最大壓力波動曲線如圖4所示。由圖4可以看出，3點的壓力波動最大，這是由于火花塞位置并不處在正中央，而是位于圖3圓心的偏上方，3點距火花塞位置較遠。圖5所示為點火正時對爆震指數和缸內最大壓力的影響。可知，隨著點火角的提前，爆震指數和缸內最大壓力值隨之提高。缸內最大壓力是整個燃燒室平均壓力的最大值，點火提前角越大則在壓縮上止點前燃燒的燃油量越多，上止點時氣缸內的溫度和壓力更高，隨著活塞的進一步壓縮，缸內溫度和壓力進一步升高，此時火焰通過熱輻射繼續向末端混合氣傳遞能量，使T2更短，更容易引發爆震。推遲點火后，更多燃料在上止點后燃燒，活塞下行，燃燒定容性降低，缸內溫度和壓力大幅降低，降低了發動機爆震，但此時對發動機動力性影響較大。

由于3點壓力波動比較明顯，所以選取3點的壓力曲線和濾波后的壓力波動進行分析。不同點火正時對3點壓力波動的影響如圖6所示。由圖6a～圖6c可以看出，點火角推后，壓力波動出現在缸內壓力曲線的下降段，此時活塞開始下行，發生爆震的傾向大幅下降；由圖6d可以看出，在上止點后-15°點火角發生壓力波動時，缸內壓力曲線處于上升段，活塞繼續上行，壓力波動大幅增加。

4.2 EGR率對爆震的影響

為了單獨考慮EGR的影響，首先保證每次噴油量為定值，在設置邊界條件時進氣壓力隨EGR率的升高也隨之提高，這使得進氣終了時缸內壓力增高，而且EGR率小于10%對爆震的影響并不明顯，增至30%時缸壓損失較大，所以EGR選擇在10%～30%范圍內。圖7為不同EGR率對缸內平均壓力的影響，此時點火角為上止點后-15°，混合氣初始溫度為313 K。由圖7可知，隨EGR率的增大，初始壓力提高，峰值壓力在20%EGR率范圍內減小并不明顯，這是由于少量EGR的抑制作用并不明顯，足以保證甲醇的正常燃燒，而且為了保證相同的燃料量，需要開大節氣門，初始缸內壓力有所提高，這使得泵氣損失減小，從而維持了燃燒時缸內壓力，同時廢氣中惰性氣體使燃燒減緩，后燃期延長，峰值相位后移。

圖8和圖9為不同EGR率對不同監測點壓力波動、爆震指數和最大缸內壓力的影響。可知，少量EGR可以有效維持缸內壓力，同時燃燒過程延長使得末端混合氣吸收的能量增多，導致壓力波動略有增加；但隨著EGR率的繼續增大，其對燃燒的抑制占主導作用，使得缸壓曲線大幅下降，同時廢氣的引入阻礙了燃燒，降低了火焰的傳播速度，使T1增大，不利于降低爆震；另一方面，廢氣降低缸內最高燃燒溫度和壓力，火焰傳播過程中已燃高溫高壓氣體對末端混合氣的擠壓作用和熱輻射作用降低，這使得T2增大，有益于抑制爆震傾向；另外，廢氣的稀釋作用還會使末端混合氣的滯燃期增加，同樣會使T2增大。

4.3 EGR溫度對爆震的影響

在進行臺架試驗時，采用EGR中冷的方式研究EGR對爆震的影響。冷卻水可以使EGR溫度降到室溫，設置初始EGR溫度為293K，點火正時為上止點后-15°，EGR率選擇在10%的工況下，圖10為加入EGR后混合氣溫度對缸內壓力的影響。可見，隨EGR溫度的降低，缸內壓力和峰值相位平緩下降和推遲，不會出現大幅波動。這是由于同樣進氣量時EGR溫度升高，初始壓力增大，同時加速缸內工質分子的運動，使缸內的氧氣和甲醇結合速度更快，燃料就越容易燃燒，燃燒釋放熱量的速度就會增大，缸內最大爆發壓力增大。

圖11和圖12為不同EGR溫度對監測點壓力波動、爆震指數和最大缸內壓力的影響。可知，監測點壓力波動、爆震指數和最大缸內壓力隨EGR溫度升高而升高。進氣溫度變化對爆震條件的影響較為復雜：一方面進氣溫度降低后，火焰傳播速度有所降低，燃燒持續期變長，T1增加，這不利于降低爆震；另一方面，進氣溫度降低后，末端混合氣滯燃期有所增加，有使T2增大的趨勢，有利于降低爆震；另外，進氣溫度降低后最高燃燒溫度降低，使得火焰傳播過程中已燃氣體對末端未燃混合氣的擠壓和熱輻射作用降低，同樣有使T2增大的趨勢。進氣溫度對爆震傾向影響的綜合結果為：進氣溫度降低使得壓縮終了的溫度和壓力降低，距離火花塞較遠的末端混合氣的滯燃期增加，末端混合氣需要更長的時間進行自燃前的先期反應，因此降低了爆震傾向。

4.4 3種降低爆震方法的對比

選擇一個基準，分別通過推遲點火（A）、增大EGR率（B）和降低小EGR率溫度（C）使爆震指數達到相同的值，對比工況主要工作參數如表2所列。表3所列為基準爆震指數為0.539 MPa，通過3種不同方式使其達到0.425 MPa附近，雖然這3種方式抑制了爆震，但不同程度上影響了缸內壓力，使發動機的動力性有所改變。

表2 對比工況主要工作參數

表3 3種方式的爆震指數MPa

圖13為4種工況缸內壓力曲線對比。基準工況峰值缸壓為10.79 MPa，A工況的峰值缸內壓力為10.43 MPa，下降0.36 MPa；B工況的峰值缸內壓力為10.23 MPa，下降0.56 MPa，缸內壓力損失較大，峰值相位大幅度后移，后燃期延長，做功能力降低；降低小EGR率溫度的峰值缸內壓力為10.74 MPa，下降0.05 MPa。由此可見，在達到同樣爆震指數的前提下，在小EGR率前提下降低EGR溫度對缸內壓力的影響最小。

5 結束語

a.隨著點火正時的提前，缸內爆震指數隨之增加，點火提前角較小時，監測點壓力波動出現在缸內壓力下降段，但進一步提前點火正時，監測點壓力波動會出現在缸內壓力上升段。

b.在小EGR率的影響下，泵氣損失減小，缸內初始進氣壓力提高，其對爆震指數影響并不明顯甚至有使其上升的趨勢，但隨EGR率的進一步增加，燃燒急劇惡化，使主燃期缸內壓力迅速下降，爆震指數隨之驟減。

c.在低EGR溫度的作用下，缸內初始進氣壓力降低，使得爆震指數較低，隨EGR溫度的提高，燃燒溫度和壓力提高，火焰傳播過程中已燃氣體對末端未燃混合氣的擠壓和熱輻射作用增強，爆震指數升高。

d.在小EGR率的前提下，降低EGR溫度，在降低爆震的同時對缸內壓力的影響比較小，可以很好保證發動機的動力性。

1 Heywood J B.Internal Combustion Engine Fundamentals.Mc Gram-Hill Book Company，1988:138～196.

2 Cernansky N P，Green R M，Pitz W J，et al.Chemistry of fuel oxidation preceding end-gas autoignition.Combustion science and technology.

3 Blumberg PN，Bromberg L，Kang H，et al.Simulation of high efficiency heavy duty SI engines using direct injection of alcohol for knock avoidance.SAE，2008-01-2447.

4 Li J，Gong CM，Su Y，et al.Effect of injection and ignition timings on performance and emissions from a sparkignition engine fueled with methanol.Fuel，2010（89）:3919～3925.

5 Yao MF，Chen Z，Zheng ZQ，et al.Effect of EGR on HCCI combustion fuelled with DME and methanol dual-fuels. SAE，2005-01-3730.

6史春濤，秦德，唐綺，等.內燃機燃燒模型發展現狀.農業機械學報，2007，38（4）：181～186.

7 Xudong Zhen，Yang Wang，et al.Study of knock in a high compression ratio spark-ignition methanol engine by multidimensional simulation.Energy，2013（50）：150～159.

8 Long Liang，Rolf D Reitz.Modeling Knock in Spark-Ignition Engines Usinga G-equation Combustion Model Incorporating Detailed Chemical Kinetics.SAE Papper 2007-01-0165.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Effects of Ignition Tim ing and EGR on M ethanol Engine Knocking Performance

Ding Mingfeng1，Hong Wei1，Xie Fangxi1，Zhong Bing1，Liu Wei2
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University; 2.Ford Automotive Engineering Research(Nanjing)Co.，Ltd）

A modified spark ignition methanol engine is adopted as research object，and by controlling the inlet pressure to ensure that the fuel injection quantity is fixed value each cycle and combust with the excess air coefficient of 1.Selecting the low speed and high load condition in which knocking easily occur，to investigate the effect of ignition timing，EGR ratio and EGR temperature on knocking index by the CFD software FIRE.The results indicate that delaying the ignition timing can keep the pressure fluctuations appear in the decline period of cylinder pressure，which effectively improve knocking;with the increase of EGR ratio，the initial knocking index change is not obvious，afterwards，knocking index falls rapidly;whereas with the decrease of EGR temperature，the knocking index declines accordingly;among the above three methods，cold EGR has the minimal impact to the cylinder pressure.

M ethanol engine,Engine knocking,Ignition tim ing,EGR

甲醇發動機爆震點火正時EGR

U464.11+4

A

1000-3703（2014）08-0050-06

國家高技術研究發展計劃“863”資助項目（2012AA111702）；國家自然科學基金資助項目（51276080）、（51206059）。