點火時刻對甲醇發(fā)動機(jī)怠速性能的影響①

趙建峰 何 鋒 羅衛(wèi)東 王琳皓

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 貴州貴陽 550025）

甲醇作為一種新型車用替代燃料，具有高含氧量、高辛烷值、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、最小點火能量低、來源廣泛等特點［1-3］，既能降低燃料消耗與污染物排放，又可保證發(fā)動機(jī)具有良好的動力性能［4-5］。

點火時刻直接影響甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒和排放特性。優(yōu)化甲醇發(fā)動機(jī)點火時刻可以提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率和使用壽命，降低甲醛排放。宮長明等［6］等通過氣、液相色譜結(jié)合測量甲醛和甲醇，分析了點火時刻對甲醇發(fā)動機(jī)甲醛和未燃甲醇的影響，得出提前點火正時可以顯著降低甲醇排放。袁泉［7-8］利用AVL-FIRE 仿真分析不同點火時刻對甲醇發(fā)動機(jī)燃燒特性和排放特性的影響，認(rèn)為提前點火時刻能夠有效改善甲醇發(fā)動機(jī)燃燒和非法排放。姜成澤［9］基于兩次噴射策略，研究不同點火時刻對M100 甲醇發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣體形成、燃燒和排放特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著點火時刻的推遲，在理論空燃比和稀薄燃燒情況下，缸內(nèi)平均壓力、溫度都會降低；孫景震［10］通過研究不同點火正時對雙火花塞缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機(jī)冷啟動工況和穩(wěn)態(tài)工況的影響，發(fā)現(xiàn)隨點火時刻的提前，未燃甲醇和碳煙排放質(zhì)量逐漸減小，氮氧化物排放質(zhì)量逐漸增加。

通過對缸內(nèi)直噴單缸四沖程甲醇發(fā)動機(jī)進(jìn)行仿真分析，利用AVL-FIRE 軟件仿真對比不同點火時刻對缸內(nèi)混合氣體分布、壓力、溫度、放熱率、排放性能以及火焰密度的影響。

1 幾何模型建立

1.1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

發(fā)動機(jī)基本參數(shù)如表1：

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

1.2 建立燃燒室模型

甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒室包括汽缸蓋底部、氣缸側(cè)壁、活塞頂部。通過UG 軟件三維建模，如圖1所示。

圖1 燃燒室三維模型

過量空氣系數(shù)λ＝3，為稀薄燃燒。為使火花塞附近甲醇充足，提高初始火苗的穩(wěn)定性，采用不均勻噴孔布局，其布局與火花塞位置如圖2所示。

2 仿真模型確立

2.1 網(wǎng)格劃分

研究甲醇發(fā)動機(jī)在怠速工況下點火時刻對其燃燒特性和排放特性的影響，仿真模擬進(jìn)氣門關(guān)閉時刻到排氣門開啟時刻，即仿真范圍為-160～130°CA。

圖2 不均勻噴孔布局與火花塞位置

通過軟件自帶的Fame Engine Plus 模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖 3 為生成-150、0、100°CA 時刻的動態(tài)網(wǎng)格。由圖3可知，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以很好地保證模擬計算的精度，

圖3 不同角度下的動態(tài)網(wǎng)格

2.2 物理模型

仿真過程中選擇的物理模型如表2所示。

表2 模型選擇

2.3 確定邊界條件

仿真過程中假定汽缸蓋底部、側(cè)壁、頂部溫度恒定不變，邊界條件如表3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同點火時刻混合氣體的分布情況

圖4為缸內(nèi)混合氣體在不同點火時刻火花塞橫截面的當(dāng)量比云圖。隨著點火時刻的推遲，在油束聚集區(qū)域和稀少區(qū)域甲醇濃度逐漸增大，超稀少區(qū)域面積在逐漸減少。

表3 邊界條件

計算甲醇簡化蒸發(fā)速率：

式（1）中，?為簡化蒸發(fā)速率，ρ為缸內(nèi)壓力；T為缸內(nèi)溫度；ω為渦流強(qiáng)度；S為甲醇液滴表面積。

計算蒸發(fā)量Q：

式（2）中，t為甲醇液滴停留時間。

由圖4可知，隨點火時刻的推遲，活塞逐漸上行導(dǎo)致缸內(nèi)壓力、溫度升高，蒸發(fā)速率增大。同時，隨著甲醇?xì)怏w在缸內(nèi)停留時間增加，甲醇蒸發(fā)量Q增多，火花塞橫截面濃度升高。

3.2 不同點火時刻對缸內(nèi)壓力的影響

由圖5～6 所示，在點火時刻為24°CA BDTC時，缸內(nèi)壓力峰值和溫度峰值最大，且在9～24°CA BDTC，隨著點火時刻的提前，缸內(nèi)壓力峰值和溫度峰值逐漸增大，9～18°CA BDTC，沒有足夠時間進(jìn)行火焰核心發(fā)展，使得進(jìn)入膨脹行程前沒得到充分發(fā)展，嚴(yán)重影響火焰?zhèn)鞑?，缸?nèi)混合氣的燃燒質(zhì)量急劇變差，提前點火時刻。圖7中放熱率峰值增大且對應(yīng)角度前移，缸內(nèi)壓力峰值上升顯著；18～24°CA BDTC，火焰核心在進(jìn)入膨脹行程前有足夠時間發(fā)展，使得缸內(nèi)混合氣體燃燒質(zhì)量較好，放熱率峰值增大且對應(yīng)角度前移不明顯，缸內(nèi)壓力峰值上升不明顯。

3.3 不同點火時刻對碳煙排放分析

由圖8可知，隨著點火時刻的提前，進(jìn)入膨脹期前火焰核心發(fā)展時間逐漸減少，燃燒劇烈程度減輕，碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線峰值逐漸增大，缸內(nèi)溫度逐漸減小，說明高溫可以促使碳煙進(jìn)行氧化，且燃燒結(jié)束后生成碳煙逐漸減小。

圖4 不同點火時刻缸內(nèi)混合氣體濃度

圖5 不同點火時刻缸內(nèi)壓力曲線

圖6 不同點火時刻缸內(nèi)溫度曲線

圖7 不同點火時刻缸內(nèi)放熱率曲線

圖8 不同點火時刻碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

3.4 不同點火時刻對火焰密度分析

圖9 為不同點火時刻在上止點時刻的缸內(nèi)火焰密度截面云圖。由圖9 可知，點火時刻在9～18°CA BTDC，甲醇燃料在壓縮上止點前做功，火焰主要分布在燃燒室右側(cè)，火焰核心面積小、傳播速率慢、燃燒穩(wěn)定性較差；點火時刻在18～24°CA BTDC，火焰核心有足夠的時間發(fā)展，火焰核心面積較大，傳播速率較快，甲醇發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

提前點火時刻能夠改善甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒質(zhì)量，提高缸內(nèi)壓力峰值、溫度峰值、以及放熱率峰值，且在9～18°CA BDTC，改善效果顯著；

提前點火時刻能夠改善甲醇發(fā)動機(jī)的碳煙排放，且點火時刻由 9°CA BTDC 提前到 15°CA BT‐DC時，碳煙排放顯著改善。

圖9 不同點火時刻的缸內(nèi)火焰密度