燃空當(dāng)量比對甲醇發(fā)動機燃燒及非法規(guī)排放的影響

孫景震，姚實聰，宮寶利，彭幼華，崔連波，彭樂高，宮長明

(1.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 401120；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025；4.東風(fēng)日產(chǎn)技術(shù)中心，廣東 廣州 510640；5.大連民族大學(xué)機電工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

2016年國家環(huán)保局聯(lián)合各個機動車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心及各大車企法規(guī)部擬定了堪稱史上最嚴(yán)法規(guī)的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》。該法規(guī)不僅加嚴(yán)了相應(yīng)排放物的限值，增加了排放顆粒物數(shù)量的要求，測試循環(huán)也更加貼近目前汽車在道路上所面臨的復(fù)雜多變的工況；而且增加了實際行駛污染物排放(RDE)的排放測量，同時加大了對加油過程污染物的控制要求。根據(jù)公安部交管局統(tǒng)計，2017年以來，我國汽車的保有量已經(jīng)超過2億輛。目前我國的汽車占比中傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車為主要部分，對燃油的需求量極大。雪上加霜的是，2017年國際油價逐步上漲，我國汽車的轉(zhuǎn)型已經(jīng)迫在眉睫。在環(huán)保及節(jié)能的巨大壓力下，尋找一種新型可替代燃料已成為目前更為可取的出路。

甲醇燃料來源廣泛，可由煤、天然氣、生物合成等途徑獲取[1]，與汽油、柴油相比，有著運輸方便、能量密度高等優(yōu)勢，而且甲醇是一種含氧燃料，在點燃式發(fā)動機上燃燒時可生成較低的CO，HC，NOx，炭煙等常規(guī)排放物[2]。然而由于甲醇所具有的物理化學(xué)性質(zhì)，其燃燒后容易生成未燃甲醇及甲醛等非常規(guī)排放物。其中甲醛對人體的傷害非常大，已經(jīng)被歐洲、美國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)列為重點污害排放物[3]。另外，甲醇相比汽油，汽化潛熱大，是汽油的3倍左右，這有利于降低缸內(nèi)溫度和提高進氣效率，但是也造成了冷起動困難等問題。大連民族大學(xué)的宮長明教授針對甲醇發(fā)動機的冷起動問題，研究了3種不同預(yù)熱方式對冷起動著火特性的影響及DISI分層稀薄燃燒、噴嘴開啟壓力、點火時刻對甲醇發(fā)動機燃燒及排放的影響[4-5]。國外學(xué)者對甲醇在缸內(nèi)直噴發(fā)動機上稀薄燃燒下的混合氣分層作出了大量研究，大部分研究結(jié)果表明，未燃甲醇及甲醛排放是點燃式缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機的主要問題[6-8]。目前國內(nèi)外學(xué)者針對甲醇發(fā)動機主要研究了甲醇及不同甲醇摻混比例的甲醇汽油在點燃式發(fā)動機上的燃燒及常規(guī)排放物[9-10]，很少有學(xué)者關(guān)注未燃甲醇及甲醛等非法規(guī)排放物的排放特性。

受技術(shù)條件限制，目前對甲醇發(fā)動機尾氣中未燃甲醇及甲醛檢測較為困難[11]，因此很難在試驗中對甲醇發(fā)動機未燃甲醇及甲醛生成機理進行系統(tǒng)研究。基于甲醇發(fā)動機冷起動困難及非法規(guī)排放高問題，本研究運用 AVL-Fire軟件耦合甲醇氧化反應(yīng)機理，研究不同燃空當(dāng)量比(φ)對甲醇發(fā)動機燃燒及非法規(guī)排放物的影響。

1 甲醇化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理的建立及驗證

1.1 甲醇化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)不僅要研究化學(xué)反應(yīng)內(nèi)外因?qū)瘜W(xué)反應(yīng)速率與過程的影響，還要揭示其宏觀與微觀的機理，建立總反應(yīng)與基元的理論。目前甲醇氧化反應(yīng)機理研究應(yīng)用最廣泛的是Grotheer等[12]研究的甲醇化學(xué)反應(yīng)機理，但是由于其機理涉及的物質(zhì)及基元反應(yīng)過多，一般的計算硬件條件很難滿足，限制了其在工程應(yīng)用的推廣。天津大學(xué)的Zhen等[13]在前人的研究基礎(chǔ)上對甲醇詳細氧化機理進行了簡化，得到了包含21種物質(zhì)與93個基元反應(yīng)的機理，該氧化機理得到大量的臺架試驗驗證。

1.2 計算方法

本研究基于一款經(jīng)柴油機改裝的缸內(nèi)直噴點燃式甲醇發(fā)動機，使用三維仿真軟件AVL-Fire耦合Zhen的甲醇氧化機理進行模擬計算。模擬計算所選的計算模型與發(fā)動機的參數(shù)見表1和表2。其中模擬計算的邊界條件均為環(huán)境溫度。

表2 發(fā)動機主要相關(guān)技術(shù)參數(shù)

甲醇較大的汽化潛熱值導(dǎo)致蒸發(fā)困難，且相同負荷條件下，甲醇噴射量遠遠大于柴油的噴射量，且甲醇的潤滑效果差，會對噴嘴產(chǎn)生磨損。為減少甲醇對噴嘴的磨損并在火花塞附近形成較濃的混合氣以助著火。對噴油器進行改造，將4孔噴嘴改為7孔非均勻噴嘴，改進后的噴嘴見圖1。

圖1 油束分布

為減少計算工作量，對CFD模型進行了簡化，仿真只模擬了從進氣門關(guān)閉時刻到排氣門打開時刻，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為160°BTDC，-130°BTDC。進氣門關(guān)閉時刻的渦流比可以通過AVL-Boost軟件對缸內(nèi)氣流運動的渦流比模擬計算得到，然后將模擬計算的渦流比對進氣門關(guān)閉時刻的缸內(nèi)氣流運動進行賦值。模型的網(wǎng)格劃分通過軟件自帶的Fame Engine Plus模塊進行劃分，不同曲軸轉(zhuǎn)角下的動態(tài)網(wǎng)格見圖2。

1.3 模型的驗證

模型的有效性主要通過缸內(nèi)燃燒壓力與放熱率進行驗證。模型驗證所用的試驗工況為發(fā)動機冷起動工況，燃空當(dāng)量比為0.67，點火正時為14°BTDC，噴油正時為45°BTDC，模擬計算所使用的甲醇噴油量與試驗一致。試驗中的缸內(nèi)燃燒壓力的采集使用靈敏度為-260 pC/MPa的SYC04A石英晶體壓力傳感器，以及DF3電荷放大器。圖3示出缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率仿真計算與試驗值對比。從圖3可以看出，模擬計算值與試驗值吻合較好，且其他相關(guān)的燃燒及排放特性也得到了大量試驗的驗證以確保計算的準(zhǔn)確性[14-15]。

圖3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2 結(jié)果與分析

計算模型選定的研究工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，點火正時為14°BTDC，噴油正時為45°BTDC，燃空當(dāng)量比可變范圍在0.3～0.7之間。

2.1 燃空當(dāng)量比對混合氣濃度分布的影響

圖4示出點火時刻不同燃空當(dāng)量比下缸內(nèi)混合氣的濃度分布。從圖4可以看出，當(dāng)燃空當(dāng)量比為 0.33時，火花塞附近區(qū)域混合氣濃度較低，且在遠離火花塞區(qū)域出現(xiàn)大面積稀薄區(qū)域，隨著燃空當(dāng)量比的增加，火花塞附近形成的混合氣濃度增大，且遠離火花塞的混合氣稀薄區(qū)域的混合氣濃度也有所增加。當(dāng)整體燃空當(dāng)量比為0.67時，火花塞附近區(qū)域最濃混合氣燃空當(dāng)量比為0.95，且缸內(nèi)的混合氣稀薄區(qū)域較小。原因是每循環(huán)進入缸內(nèi)的空氣是一定的，隨著燃空當(dāng)量比的增加，每循環(huán)噴入缸內(nèi)的甲醇量增加，因此甲醇的蒸發(fā)量也相應(yīng)增加，在缸內(nèi)渦流及特殊噴嘴的共同作用下，在火花塞附近聚集的混合氣濃度也相應(yīng)相加；同時由于混合氣擴散，在遠離火花塞油束稀少區(qū)域也不存在混合氣過稀的情況。

圖4 燃空當(dāng)量比對甲醇混合氣濃度分布的影響

2.2 燃空當(dāng)量比對缸內(nèi)燃燒的影響

圖5至圖7分別示出不同燃空當(dāng)量比下的缸內(nèi)壓力、最大缸內(nèi)壓力及相位。從圖中可以看出，隨著整體燃空當(dāng)量比的增加，缸內(nèi)燃燒壓力及最大缸內(nèi)壓力明顯增加，且最大缸內(nèi)壓力相位推遲。分析原因：當(dāng)燃空當(dāng)量比增加，火花塞附近聚集的混合氣逐漸變濃且缸內(nèi)混合氣稀薄區(qū)域較小，有利于縮短滯燃期；較高的混合氣濃度能夠提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋换旌蠚鉂舛容^高時噴油量較多，燃料燃燒放出較多熱量使得缸內(nèi)燃燒壓力及最高燃燒壓力都較高，當(dāng)燃空當(dāng)量比由0.33提高到0.67時缸內(nèi)燃燒壓力峰值升高65%。在速燃期，較高的燃空當(dāng)量比能夠使缸內(nèi)較高的放熱率持續(xù)的時間也更長，因此較高的燃空當(dāng)量比下缸內(nèi)燃燒壓力峰值出現(xiàn)的時刻也會稍微推遲。

圖5 不同燃空當(dāng)量比下的缸內(nèi)壓力

圖6 不同燃空當(dāng)量比下的最大氣缸壓力

圖7 不同燃空當(dāng)量比下最大氣缸壓力相位

圖8示出不同燃空當(dāng)量比下缸內(nèi)燃燒放熱率。從圖8可以看出，隨燃空當(dāng)量比的增加，放熱率峰值增加，當(dāng)燃空當(dāng)量比由0.33增加到0.67時放熱率峰值升高72%。分析原因：由圖4可知當(dāng)燃空當(dāng)量比為0.33時，火花塞附近的混合氣濃度較稀且缸內(nèi)存在大面積的混合氣極度稀薄區(qū)域，當(dāng)燃空比增大，火花塞附近混合氣濃度增大，且缸內(nèi)混合氣極度稀薄區(qū)域面積減小，當(dāng)整體燃空當(dāng)量比增加到0.67時火花塞附近燃空當(dāng)量比達到0.95。因此，燃空當(dāng)量比增大，火花塞附近區(qū)域混合氣濃度增大，同時缸內(nèi)整體混合氣濃度分布也得到改善，能夠有效改善缸內(nèi)混合氣的燃燒，所以燃空當(dāng)量比增大時缸內(nèi)燃燒放熱率增大。

圖8 不同燃空當(dāng)量比下的放熱率

圖9至圖11分別示出不同燃空當(dāng)量比下缸內(nèi)燃燒溫度及-20°BTDC，-40°BTDC時缸內(nèi)溫度的分布。從圖9可以看出，燃空當(dāng)量比增大時缸內(nèi)燃燒溫度及最高燃燒溫度均增大；從圖10和圖11可以看出，燃空當(dāng)量比增大，火花塞附近高溫區(qū)域的溫度增大且遠離火花塞低溫區(qū)域面積逐漸縮小。燃空比為0.33時，火花塞附近溫度較低，遠離火花塞的低溫區(qū)域溫度低至900 K；燃空當(dāng)量比增大到0.67時，火花塞附近的溫度最高可達1 900 K，且遠離火花塞區(qū)域沒有溫度過低的情況。分析原因,燃空當(dāng)量比增大，火花塞附近混合氣濃度增大，且遠離火花塞的混合氣稀薄區(qū)域面積得到有效減小，能夠有效改善缸內(nèi)混合氣燃燒。

圖9 不同燃空當(dāng)量比下的缸內(nèi)溫度

圖10 -20°BTDC下缸內(nèi)溫度場

圖11 -40°BTDC下缸內(nèi)溫度場

2.3 燃空當(dāng)量比對非法規(guī)排放的影響

圖12 不同燃空當(dāng)量比下的未燃甲醇及甲醛排放

從圖13可知，當(dāng)燃空當(dāng)量比為0.33時，整個燃燒階段甲醛濃度逐漸升高，但當(dāng)燃空當(dāng)量比增大到0.4以上時，甲醛濃度的變化表現(xiàn)為在燃燒初期逐漸升高，隨后顯著減低到較低水平。分析原因：甲醛是甲醇的燃燒中間產(chǎn)物，甲醛的消耗主要取決于高溫條件下的甲醛氧化量，當(dāng)燃空當(dāng)量比為0.33時，整個燃燒階段缸內(nèi)燃燒溫度都處于較低水平，由Arrhenius定律可知，甲醛的氧化速率在溫度高于1 500 K時才會顯著升高，因此，缸內(nèi)燃燒溫度低于1 500 K時，甲醛不能夠得到有效氧化，所以整個燃燒階段甲醛濃度一直升高。當(dāng)燃空當(dāng)量比大于0.4時，缸內(nèi)燃燒溫度在-20°BTDC附近超過1 500 K，因此甲醛能夠得到有效氧化，甲醛濃度顯著降低；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角大于-40°BTDC 時，由于缸內(nèi)燃燒溫度低于1 500 K，因此甲醛濃度將不再繼續(xù)降低，基本維持不變。

圖13 不同燃空當(dāng)量比下的甲醛濃度

圖14至圖16分別示出排氣門開啟時刻的未燃甲醇濃度、甲醛濃度及溫度場。從圖中可以看出，未燃甲醇和甲醛主要集中在缸內(nèi)燃燒溫度較低的區(qū)域，尤其是在低溫區(qū)域的氣缸壁附近區(qū)域。分析原因是，在低溫燃燒區(qū)域混合氣較為稀薄，混合氣燃燒不完全，容易產(chǎn)生較多的未燃甲醇及甲醛，同時由于溫度較低，甲醛不能得到有效氧化，導(dǎo)致甲醛濃度上升。在溫度較低的靠近氣缸壁附近，混合氣濃度偏低，加上氣缸壁的壁面冷激效應(yīng)，導(dǎo)致在低溫區(qū)域氣缸壁附近區(qū)域產(chǎn)生大量的未燃甲醇和甲醛。

圖14 排氣門開啟時刻的甲醛濃度分布

圖15 排氣門開啟時刻的未燃甲醇濃度分布

圖16 排氣門開啟時刻的缸內(nèi)溫度分布

3 結(jié)論

a) 采用7噴孔非均勻分布的噴油嘴,能夠有效增大火花塞附近的混合氣濃度，當(dāng)燃空當(dāng)量比增大，火花塞附近的混合氣濃度增大，且大于缸內(nèi)混合氣平均濃度；

b) 增大燃空當(dāng)量比能夠改善缸內(nèi)混合氣濃度分布，改善燃燒效果比較明顯，當(dāng)燃空比由0.33增大到0.4時，缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率、溫度均顯著升高；

c) 增大燃空當(dāng)量比能夠降低未燃甲醇及甲醛濃度，當(dāng)燃空當(dāng)量比由0.33增大到0.4時，缸內(nèi)燃燒溫度顯著升高，甲醛能夠得到快速氧化，甲醛濃度顯著減小；

d) 未燃甲醇及甲醛濃度較高區(qū)域主要集中在缸內(nèi)溫度較低區(qū)域。