影響汽車甲醇發動機燃燒特性的敏感因素分析

王琳皓，何鋒，李惠林，趙建峰

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院）

0 引言

甲醇作為一種清潔可持續發展的代用燃料被逐漸應用于汽車發動機。甲醇燃料具有高含氧量、高辛烷值且燃燒速度快等優點，應用在內燃機領域中有著獨特的優勢[1-3]。

發動機燃燒特性分析中必不可少的指標包括：發動機的氣缸壓力、缸內溫度和放熱規律等[4]；影響甲醇發動機燃燒特性的因素有：發動機負荷、轉速、點火提前角、噴油提前角、進氣溫度和過量空氣系數等[5]。Zhang Chunhua[6]等對比研究了均質充量壓燃方式下發動機轉速、進氣溫度和燃空當量比對甲醇發動機燃燒特性的影響，得出進氣溫度對其燃燒特性影響最大的結論；宮長明[7]等通過試驗，分析了發動機轉速對甲醇發動機燃燒過程和性能的影響；宮寶利[8]等利用AVL-Fire軟件，仿真分析了甲醇發動機冷起動時，不同進氣溫度對其燃燒和醇醛類排放的影響，得出提高進氣溫度能夠改善甲醇發動機冷起動燃燒，降低甲醛和未燃甲醇排放的結論；吳繼盛[9]等則研究了進氣溫度對電熱塞助燃式直噴甲醇發動機燃燒和非常規排放的影響；張自雷[10]等利用AVLFire 軟件，仿真分析了不同過量空氣系數對氣缸內混合氣濃度、氣缸壓力和缸內溫度的影響。

本文以某型單缸四沖程火花塞點燃式甲醇發動機為研究對象，利用AVL-Fire 仿真軟件分析發動機轉速、進氣溫度和過量空氣系數對甲醇發動機燃燒特性的影響，對比不同因素下最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值的變化程度。

1 甲醇發動機模型建立

1.1 幾何模型建立

甲醇發動機的部分參數見表1。采用UG 與Fire ESE Diesel 相結合的方式，建立發動機燃燒室模型。噴油器噴孔采用10 孔對稱分布，噴油器噴孔分布及火花塞布置如圖1 所示。

表1 甲醇發動機部分參數Tab.1 Partial parameters of methanol engine

圖1 噴油器噴孔分布及火花塞布置Fig.1 Distribution of injector holes and spark plug arrangement

1.2 計算模型建立

仿真過程中，選取由進氣門關閉時刻-160°CA 曲軸轉角到排氣門打開時刻130°CA曲軸轉角，通過軟件自帶的FEP 模塊對其進行動網格劃分，生成-160，0，130°CA 曲軸轉角的動態網格，如圖2 所示。

圖2 不同曲軸轉角下的計算動網格模型Fig.2 Computational dynamic mesh model with different crankshaft angles

仿真過程中選擇的計算模型見表2。仿真過程中溫度邊界條件采用恒溫邊界條件，邊界條件確定見表3。

表2 計算模型選擇Tab.2 Calculation model selection

表3 邊界條件Tab.3 Boundary conditions

1.3 仿真工況選定

對甲醇發動機在3 種不同轉速、進氣溫度和過量空氣系數下的燃燒特性進行仿真計算，仿真工況見表4。

表4 仿真工況Tab.4 Simulation conditions

2 仿真結果分析

2.1 發動機轉速的影響

如圖3 所示，隨著轉速的增大，缸內混合氣濃度逐漸變均勻。當轉速為1 400 r/min 時火花塞附近區域混合氣濃度最大；當轉速為1 800 r/min時，缸內混合氣分布最均勻，但是火花塞附近區域混合氣濃度變小。

圖3 不同發動機轉速下的缸內濃度場Fig.3 Concentration field in cylinder at different engine speeds

如圖4 所示，最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值均隨著轉速的增大而減小。當轉速由1 400 r/min 提高到1 800 r/min 時，雖然缸內混合氣濃度變得更加均勻，但是火花塞附近混合氣濃度降低，最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值都減小。

圖4 不同發動機轉速下的氣缸壓力、缸內溫度和放熱率Fig.4 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate at different engine speeds

2.2 進氣溫度的影響

如圖5 所示，缸內混合氣濃度變大。當進氣溫度為340 K 時，缸內混合氣濃度低；當進氣溫度上升到380 K 時，缸內混合氣濃度最大。

圖5 不同進氣溫度下的缸內濃度場Fig.5 Concentration field in cylinder at different intake temperature

如圖6 所示，最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值均隨著進氣溫度的升高而增大。當進氣溫度由340 K 提高到380 K 時，缸內溫度上升，缸內混合氣濃度變大，最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值都增大。

圖6 不同進氣溫度下的氣缸壓力、缸內溫度和放熱率Fig.6 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate at different intake temperatures

2.3 過量空氣系數的影響

如圖7 所示，隨著過量空氣系數的減小，缸內混合氣濃度變大。過量空氣系數為4 時，缸內存在大面積混合氣稀薄區域；過量空氣系數為3時，火花塞附近區域混合氣濃度變大；當過量空系數減小為2 時，遠離火花塞邊緣位置混合氣濃度也增大。

圖7 不同過量空氣系數下的缸內濃度場Fig.7 Concentration fields in cylinder under different excess air coefficients

如圖8 所示，最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值均隨著過量空氣系數的減小而明顯增大。當過量空氣系數由4 減小到2 時，甲醇噴射量增多，缸內混合氣濃度增大，易于點燃且燃燒速度變快，燃燒加劇，最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值都增大。

圖8 不同過量空氣系數下的氣缸壓力、缸內溫度和放熱率Fig.8 Cylinder pressure,in-cylinder temperature and heat release rate under different excess air coefficients

3 敏感因素分析

3.1 不同因素下放熱率峰值的變化

如圖9 所示，發動機轉速由1 800 r/min 降低到1 400 r/min 時，放熱率峰值上升39.807 J/°CA；進氣溫度由340 K 升高到380 K 時，放熱率峰值上升38.513 J/°CA；過量空氣系數由4減小為2時，放熱率峰值上升121.79 J/°CA。可見，過量空氣系數對放熱率峰值的影響程度最大。

圖9 不同因素下的放熱率峰值Fig.9 Peak heat release rate under different factors

3.2 不同因素下最高氣缸壓力和缸內溫度的變化

如圖10 所示，發動機轉速由1 800 r/min 降低到1 400 r/min 時，最高氣缸壓力增大0.81 MPa，最高缸內溫度上升65.85 K；進氣溫度由340 K升高到380 K 時，最高氣缸壓力增大0.85 MPa，最高缸內溫度上升252.23 K；過量空氣系數由4減小為2 時，最高氣缸壓力增大1.96 MPa，最高缸內溫度上升385.56 K。可見，過量空氣系數對最高氣缸壓力和缸內溫度的影響程度最大。

圖10 不同因素下的最高氣缸壓力和缸內溫度Fig.10 Maximum cylinder pressure and temperature in cylinder under different factors

4 結論

通過分析發動機轉速、進氣溫度和過量空氣系數對甲醇發動機燃燒特性的影響，得出如下結論：

（1）隨著發動機轉速的降低、進氣溫度的升高和過量空氣系數的減小，甲醇發動機氣缸壓力、缸內溫度和放熱率均增大。

（2）發動機轉速和進氣溫度對甲醇發動機最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值的變化影響較小。

（3）過量空氣系數對甲醇發動機最高氣缸壓力、缸內溫度和放熱率峰值的變化有顯著影響，是甲醇發動機燃燒特性3 個分析因素中最敏感的因素。