進氣氧氣濃度對甲醇發動機燃燒性能影響

摘要：在一臺經過1130單缸柴油機改造的直噴火花點火甲醉發動機上，利用商用CFD模擬軟件AVL-FIRE通過模擬計算分析了進氣氧濃度對缸內直噴點燃式甲醉發動機冷起動首循環燃燒的影響。結果表明：提高進氣氧氣濃度缸內燃燒壓力略微升高，但是缸內燃燒放熱率和缸內燃燒溫度明顯升高。

關鍵詞：進氣氧濃度;直噴甲醉發動機;燃燒溫度;燃燒壓力;放熱率

中圖分類號：TK411 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0212-02

1 引言

自20世紀90年代開始，國內汽車工業得到飛速發展，國內汽車保有量屢創新高，但是巨大的汽車保有量又給環境及能源問題帶來了極大壓力。尋找一種清潔替代燃燒迫在眉睫。在能源問題日益嚴峻的環境下甲醇被認為是最具潛力的可持續發展替代燃料之一[1]。點燃式發動機在燃用甲醇燃料燃燒時不產生碳煙，同時具有超低CO、NO_x、HC、PAH排放[2]。然而甲醇燃燒時發動機尾氣中卻有較高的醇醛等非法規排放，造成新的環境污染，其中甲醛對人體健康傷害尤為嚴重，日本和歐美等國已經將一些醛類物質列人重點污染物名單[3]。經研究甲醇發動機的醇醛類排放物主要是產生于冷啟動階段，主要是和甲醇的理化特性有關，甲醇的汽化潛熱是汽油的3倍，在冷啟動階段由于水溫較低，發動機的機體溫度也較低，為了能夠使得甲醇發動機能夠順利啟動需要噴射大量的甲醇以確保足夠的甲醇可燃混合氣;加上發動機提溫度低導致甲醇混合氣在發動機缸內燃燒不充分產生大量的未燃燒的甲醇及甲醇的不完全燃燒物甲醛[4～6]。因此改善冷啟動階段甲醇混合氣的燃燒質量是降低醇醛排放有限手段[7]。

本文主要研究不同進氣氧氣含量對缸內直噴甲醇發動機的燃燒的影響，包括缸內燃燒壓力，缸內燃燒溫度及缸內燃燒放熱率。

2 計算方法

計算采用三維商用CFD模擬軟件AVL-FIRE完成。發動機具體參數如表1所示。

3 模型驗證

為確保模擬計算的準確性，需要對模型的準確性進行驗證，本文主要是通郭將仿真計算的邊界條件設置為和試驗的邊際條件一致，通過對比模擬計算的缸內燃燒壓力與模擬計算的更內燃燒壓力進行對比分析。模擬計算與試驗的對比結果如圖1所示。從圖1可知模擬計算得出的缸內燃燒壓力與試驗得出的缸內燃燒壓力吻合很好，誤差在5%以內，完全滿足模擬計算的精度要求。

4 計算結果

本文主要研究環境溫度為298K，大氣壓力為98.3kPa，起動轉速為295r/min，過量空氣系數為1.0，點火正時為-8°CA ATDC、噴油正時為-39°CA ATDC及噴油量不變條件下，不同進氣氧濃度（進氣氧濃度分別為0.26、0.31、0.36、0.41）對缸內直噴甲醇發動機燃燒的影響。

不同進氣氧氣濃度對缸內直噴甲醇發動機缸內燃燒壓力的影響如圖2所示。從圖2可知隨著進氣氧氣濃度的升高缸內燃燒壓力略微升高，但是基本保持不變，但是缸內燃燒最高壓力的位置略微推遲。分子起主要的原因是在冷啟動階段由于剛開始發動機水溫以及燃燒室內的溫度偏低，甲醇蒸發量少，不利于缸內甲醇混合氣的燃燒，滯燃期大大加長，從而使得在上止點缸內可燃混合氣燃燒量特別少，釋放的燃燒化學能量也很少，不利于缸內混合氣提的壓力提高;同時在上止點后膨脹過程中缸內體積不斷增大，也不利于壓力的升高。

不同進氣氧氣濃度對缸內直噴甲醇發動機缸內燃燒溫度的影響如圖3所示。從圖3可知隨著進氣氧氣濃度的不斷升高，缸內最高燃燒溫度也相應升高，尤其是檔進氣氧氣濃度質量分數從0.21上升到0.26時候缸內燃燒溫度上升十分明顯，溫度上升接近200K;當進氣氧氣濃度進一步上升，缸內燃燒溫度上升幅度逐漸減小。分析原因主要是進氣氧氣濃度提高了，氧氣是助燃劑能夠促進缸內混合氣的燃燒，加快燃燒速率，燃耗速率越快釋放出的化學能越多，缸內溫度上升就更加明顯。

不同進氣氧氣濃度對缸內直噴甲醇發動機缸內燃燒壓力的影響如圖4所示。

從圖4可知，隨著進氣氧氣濃度逐漸上升缸內燃燒的放熱率也逐漸增大，并且放熱率峰值也逐漸升高。檔進氣氧氣質量濃度由0.21上升到0.26時缸內燃燒放熱率上升最為明顯，檔進氣氧氣濃度進一步升高，放熱率上升幅度減慢。分析原因是當進氣氧氣濃度上升，缸內氧氣逐漸增多，氧氣作為一種助燃劑檔濃度增大能夠極大從今缸內混合氣的燃燒，燃燒速率越快，放熱率越大。

5 結論

（1）提高進氣氧氣濃度對缸內燃燒壓力的升高作用不顯著，缸內燃燒壓力升高不明顯;但是隨這進氣氧氣濃度上升，缸內燃燒最高壓力點時刻會略微推遲。

（2）提高進氣氧氣濃度對缸內燃燒溫度的提高效果比較顯著，尤其是檔進氣氧氣濃度質量分數從0.21上升到0.26缸內燃燒溫度上升接近200K。

（3）提高進氣氧氣濃度對缸內燃燒放熱率的效果比較顯著，隨著就親你氧氣濃度的升高缸內燃燒放熱率逐漸上升，且放熱率峰值也相應上升，尤其是當進氣氧氣濃度從0.21上升到0.26缸內燃燒放熱率峰值上升顯著。

參考文獻：

[1]宮寶利，崔連波，彭澤高，等.噴射時刻對甲醇發動機燃燒及非法規排放的影響[J].車用發動機，2019（1）：16～20.

[2]宮寶利，彭樂高，宮長明，等.進氣溫度對甲醇發動機燃燒及醇醛類排放影響研究[J].汽車技術，2019（1）：43～47.

[3]孫景震.油耗測試循環中混合動力汽車48V電池電量特性研究[J].綠色科技，2019（18）：190～191.

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[7]彭樂高，宮長明，宮寶利，等.富氧下甲醇發動機冷起動燃燒及非法規排放[J].內燃機學報，2017，35（5）：423～428.

收稿日期：2019-11-05

作者簡介：熊衛東（1993-），男，助理工程師，主要從事排放質量監督檢驗工作。