噴射時刻對甲醇發動機混合氣分布影響

楊疑

摘要：指出了低溫環境下受霧化及蒸發的影響，甲醇發動機此時啟動十分困難，容易導致失火現象，從而帶來巨大的HC排放。如何在低溫環境下使得缸內形成理想的可燃混合氣是解決甲醇發動機低溫冷啟動排放的有效手段。利用數值計算方法對低溫冷啟動甲醇發動機缸內混合氣濃度分步進

行了模擬計算。計算結果表明：推遲噴射時刻能夠改善缸內混合氣濃度分布，使得在火花塞附近能夠聚集較高濃度的混合氣，同時缸內濃混合氣分布區域逐漸增大，有利于改善缸內混合氣濃度分布。

關鍵詞：甲醇發動機；低溫冷啟動；燃燒；蒸發

中圖分類號：X705

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18014403

1引言

隨著汽車工業的發展同時，汽車已經成為人們生活中不可或缺的一部分，汽車尾氣污染物排放也成為當今環境的主要污染源之一。為改善環境污染提高人們生活環境質量，2016年國家環保部和國家質檢總局聯合發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》全面提高了輕型汽車尾氣排放測試要求，對排放污染物限值也更加嚴格＼[1，2＼]。同時提出了對PM及PN的排放限值要求。“國六”排放法規的實施必將給國內汽車企業帶來巨大的技術挑戰及壓力。

為使汽車達到“國六”法規排放要求，國內汽車企業將投入巨大資金對滿足“國六”排放法規的發動機平臺進行研究開發；大大增加了開發周期，不利于新產品的投入，也給汽車企業帶來了巨大的經濟壓力。在技術與經濟壓力的雙重作用下，尋求一種清潔可持續發展的替代燃料是解決當前困難的有效途徑。經過不斷地探索和研究，發現甲醇是一種很理想的替代燃料。甲醇是一種含氧燃料在燃燒過程中不會產生PM和PN，同時具有很低的CO和HC排放＼[3，4＼]，這將使得在原有國五發動機基礎上燃燒甲醇燃料能夠實現國六法規對排放污染物的要求。雖然甲醇發動機具有眾多優點，然而甲醇燃燒時發動機尾氣含氧中卻有較高的醇醛等排放，造成新的環境污染，其中甲醛對人體健康傷害尤為嚴重，日本和歐美等眾多國家已經將一些醛類物質列入重點污染物名單＼[5＼]。甲醇具有很高的汽化潛熱，因此冷啟動困難，會帶來大量的污染物排放，研究發現在測試循環中超過75%的污染物排放是在冷啟動階段產生的，因此如何有效控制冷啟動階段排放是重中之重。針對甲醇發動機低溫冷啟動困難的問題，國內許多專家學者進行了大量研究，發現如果改善缸內混合氣濃度分布，進而改善缸內混合氣燃燒質量是改善甲醇發動機冷啟動排放的有效手段＼[6，7＼]。

針對甲醇發動機低溫環境下甲醇霧化及蒸發困難，本文主要是在一臺經柴油機改裝的缸內直噴點燃式甲醇發動機上運用商業三維仿真軟件AVL-FIRE研究噴射時刻對甲醇發動機缸內混合氣濃度分布的影響。

2計算模型

本文研究對象是基于一臺大缸徑的單缸柴油機改裝而成的缸內直噴點燃式發動機，為了在火花塞附近聚集大量濃混合氣改善缸內混合氣燃燒，對發動機噴嘴做了特殊改進，將原柴油機4噴空均勻分布的噴嘴改裝成7噴空不均勻分布。計算使用AVL-FIRE軟件進行三維瞬態計算，針對噴霧過程，破碎模型采用Huh/Gosman模型，碰壁模型采用Walljet模型，蒸發模型采用Dukowicz模型；湍流模型采用k-zeta-f模型。

使用三維瞬態計算首先必須對發動機模型進行動態網格劃分，發動機動態網格劃分結果如圖1。為減少計算工作量，對CFD模型進行了簡化，省略了進氣道和排氣道，仿真計算從進氣門關閉時刻（560°CA）到排氣門打開時刻（850°CA BTDC）。由于省略了進氣過程，通過AVL-BOOST軟件對缸內氣流運動渦流比進行模擬計算，然后將模擬計算值對進氣門關閉時刻缸內氣

流運動進行初始化賦值。模擬計算動態網格由軟件自帶的Fame Engine Plus 對模型進行動網格劃分。從動態網格圖中可以看出，所畫的動態網格質量較為滿意，

全部是質量較好的網格，沒有出現影響計算結果的負網格，因此夠很好的保證模擬計算結果準確性和精度。

為確保模擬計算準確度，本文采用試驗所采集缸內壓力曲線與模擬計算的缸內進行對比分析，缸內壓力對比分析結果如圖2所示。從圖中可以得知，仿真計算所得數據與試驗數據吻合較好誤差在5%以內，完全滿足計算所需精度要求。

3計算結果分析

本文主要研究環境溫度為263K，進氣預熱溫度為283K，發動機啟動轉速為800r/min，過量空氣系數λ=1.5，噴射時刻為41°CA BTD，45°CA BTD，49°CA BTD，53°CA BTD，57°CA BTD不同噴射時刻對缸內混合氣濃度分布的影響進行研究。

為了能夠得清楚得到發動機缸內混合氣濃度分布，將對氣缸內混合氣三維濃度進行分析，為了能夠清楚分析缸內混合氣濃度分布，本文將對氣缸的橫向及縱向進行三維切片制作，以便更加清楚明了展示發動機缸內混合氣的空間分布。不同噴射時刻缸內混合氣三維空間濃度分布如圖3所示。

從圖3可知，當噴射時刻為41°CA BTD時，缸內混合氣濃度分布比較理想，濃混合氣分布比較集中，在氣缸壁附近沒有聚集大量濃混合氣，隨著噴射時刻提前，缸內濃混合氣分布區域面積逐漸減小且集中在缸壁附近區域，當噴射時刻提前為57°CA BTD時缸內混合氣濃度分布很分散，不能有效形成濃混合氣區域，并且在缸壁附近聚集大量濃混合氣，極大惡化了缸內混合氣分布。分析其原因是當噴射時刻為41°CA BTD時，由于此時缸內空氣在活塞的壓縮做功作用下，缸內氣體溫度和壓力得到有效升高，能夠極大促進缸內甲醇的蒸發，同時由于活塞上行壓縮的作用缸內氣流運動強度增大，在缸內氣流運動的作用下能夠使得蒸發的甲醇蒸汽得到有效聚集；隨著噴射時刻提前，缸內氣體溫度和壓力都較低，使得甲醇的蒸發速率很慢，在缸內的渦流作用下蒸發的甲醇和容易被吹散不能夠得到有效聚集，同時由于噴射時刻提前缸內蒸發的甲醇蒸汽會在長時間的渦流作用下更容易被吹散；當噴射時刻提前到57°CA BTD此時缸內溫度更低甲醇蒸發速率更慢，甲醇蒸汽收到缸內渦流的作用時間更長，從而使得甲醇蒸汽被吹散，缸內混合器濃度分布更加惡劣，沒有聚集的濃混合氣區域，且在缸壁附近聚集較濃混合氣，極大惡化了缸內混合器分布。

4結論

（1）當噴射時刻為41°CA BTD時缸內混合氣濃度分布較為理想，存在較大的濃混合氣區域，提前噴射時刻不利于缸內混合氣濃度分布，缸內混合氣濃度分布惡化，濃混合氣區域逐漸減小。

（2）提前噴射時刻不利于缸內混合氣濃度分布，在缸內渦流的作用下濃混合氣逐漸向缸壁附近區域靠近。

（3）當噴射時刻提前到57°CA BTD時，缸內混合氣濃度極大惡化，已經不能夠形成有有效的濃混合氣區域，并且在缸壁附近區域存在較濃的混合氣。

參考文獻：

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