噴油時刻對汽油-丁醇混合燃料GDI發動機燃燒特性的影響

何 浪

(貴陽職業技術學院，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著全球化石燃料日益枯乏，嚴重威脅各國的能源安全，因此尋找新能源取代現有汽油和柴油成為當務之急。醇類燃料在替代燃料中比較常見，與汽油相比，醇類燃料的熱值低，如乙醇的熱值為汽油的63%，甲醇熱值僅為汽油的47%。相對于汽油，丁醇汽化潛熱大，因此具有較高的辛烷值[1]，從而可以降低燃燒的最高溫度，一定程度上提高了抗爆性以及降低了NOx的排放，但其點火能量也高于汽油的。

噴油時刻對于直噴發動機性能的影響是比較大的。這是因為在直噴系統中，噴油時刻在新鮮充量汽化的熱量對于熱量的傳遞和混合時的溫度都有影響，提早噴油能早些冷卻混合氣溫度，這能提高充量系數。

本文選擇的是B10(90%的汽油與10%的丁醇混合)，原因是丁醇的研究還不完善，現有的研究很少有關于丁醇的，且都是按照乙醇的研究模式來研究丁醇的。另外，丁醇的汽化潛熱及著火點都相對較低，如果選擇較高比例的丁醇混合燃料，可能會導致在壓縮行程的壓燃，使得燃燒不受控制。所以本文選擇丁醇比例相對較低的混合燃料B10。

1 仿真模擬計算

1.1 Fluent軟件

Fluent是目前世界上在復雜流動方面最常用的CFD軟件。Fluent軟件計算熱傳遞、流體等方面問題具有顯著優勢，因此Fluent軟件在汽車設計、渦輪機設計等應用得比較廣泛[2]。

1.2 燃燒模型

在動網格的數值計算模擬中，第一步是利用Gambit畫出需要計算的區域，指定相應的邊界條件類型，第二步得出相應的計算類型，第三步用Fluent對模型進行求解，同時將某些重要的結果進行直觀的展現。

本文所用到的發動機氣缸參數尺寸如下：氣缸缸徑70 mm、沖程67 mm、曲軸半徑33.25 mm、連桿長度117.5 mm。根據以上的尺寸，在Gambit畫出相應的三維網格模型，然后對其進行網格的劃分，本網格的圓柱體部分的網格間距是1.5 mm，頂蓋部分的網格間距是1 mm。要注意網格畫好后在Fluent中要對其進行檢查，若是出現負網格，可能是網格劃分得過細，這時就要對網格間距稍微放大些，使得網格數減少，但網格間距不易過大，因為網格間距過大時，在運動時變性過大從而影響到計算的精度，所以對于網格間距的選取要適中。

2 結果與分析

2.1 計算過程及噴油時刻含義

本研究發動機氣缸模型參數如表1。

表1 發動機氣缸模型參數

根據上述參數在Fluent軟件里設置一系列的邊界條件，包括網格參數設置、區域設置(moveface區域設置和deform區域設置)、運動邊界設置(發動機上止點和下止點位置)等，邊界條件設置是為了檢驗其是否符合氣缸的運動規律。滿足邊界條件后，用Fluent軟件對汽油丁醇混合氣的燃燒過程進行模擬。在所用的模型中根據丁醇的比例計算出丁醇和汽油的噴油持續時間、噴油速率及噴油的起始結束時刻，作為研究噴油時刻對混合氣的影響，故采用控制變量法，即保證其他參數(噴油持續時間、噴油速率、噴油起始結束時刻)不變的情況下，改變噴油的起始結束時刻也就是改變了噴油的時刻。

本文使用了含10%的丁醇及90%的混合燃料(后稱為B10)作為燃燒的燃料，在Fluent軟件中進行燃燒過程的模擬。分別對各設置好的case文件進行模擬，待模擬完成后，然后改變噴油的起始時刻和結束時刻，生成另外一個case文件，然后再進行下一次的模擬計算，從而得出不同噴油時刻下的缸內壓力、缸內溫度及缸內平均NOx變化數據，把數據導入excel，然后畫出不同噴油時刻(70°CA、80°CA、90°CA、100°CA、110°CA)下的GDI發動機缸內溫度曲線圖。

2.2 計算結果與分析

2.2.1 噴油時刻對缸內壓力的影響

圖2所示的是噴油提前角從70°CA增加到110°CA時的發動機模型的缸內壓力變化圖，從圖中可以看出，噴油提前角越大，缸內壓力逐漸隨著噴油提前角增大而增大。噴油提前角為70°CA時，最高壓力約為5.1 MPa；噴油提前角提前到110°CA時，缸內最高壓力為6.9 MPa。此外，可以看出噴油提前角越大，最高壓力值離上止點越近，從圖2可以看出，在噴油提前角為70°CA時，最高壓力位于上止點后9度，80°CA時為10度，90°CA時為7度，100°CA時為6度，110度時為5度。顯然在110°CA的噴油提前角時，燃燒相對較完善，壓力升高率明顯增大。在100度時壓力升高點明顯變化，原因可能是丁醇前期部分自燃，導致缸內壓力溫度增大，丁醇分子鏈較短，燃燒速率快[3]，所以在點火時缸內燃燒更加劇烈，從而有明顯的突變點。

噴油提前角越大，缸內壓力增大是因為噴油越提前，燃料與空氣混合的時間越長，混合越均勻，燃燒效果越充分[4]，燃燒過程迅速完成，缸內平均壓力值越高，壓力峰值離上止點越近，缸內壓力升高率越大。但缸內壓力峰值并不是越高越好，通常情況下最佳的壓力峰值在上止點后10°CA左右是比較合適的。因此可以得出噴油時刻為70°CA左右，缸內壓力是比較合適的。

2.2.2 噴油時刻對缸內溫度的影響

如圖3所示，噴油提前角從70°增加到110°的發動機缸內溫度變化情況?？梢钥闯?，噴油提前角越大，缸內最高平均燃燒溫度也隨之增大。噴油提前角為70°CA時，缸內燃燒最高溫度是2200 K左右，當噴油提前角進一步增加到80°CA時，缸內最高溫度為2350 K，90°CA的為2390 K，100°CA的為2400 K，110°CA達到最大值，為2560 K。這比傳統汽油的最高溫度要低，原因是丁醇的熱值沒有汽油高，另外直噴的燃料在噴射的過程中汽化而吸收熱量，使得最高燃燒溫度在一定程度上得到降低，并且能使充氣系數(大部分的提升是由于直噴機沒有了節氣門，使得進氣阻力大大降低)得到提高，對于在進氣沖程噴油的更是如此。另外，噴油的壓力對燃燒溫度及充氣效率都會產生影響，但本文不考慮噴油壓力的影響，僅僅看噴油時刻對燃燒的影響。需要說明的是，從圖中可以看出膨脹沖程后期的溫度較高，這是由于本模擬實驗默認是一個忽略進排氣過程的過程，所以燃燒后期的熱量并沒有通過排氣門排除缸外，因此導致了較高的溫度。另外，溫度峰值也是隨噴油時刻的提前而越接近上止點，因為如上面壓力分析的那樣，這里就不再闡述。

我們還可以從圖中看出，噴油提前角越大，溫度曲線的斜率就越大，也就是說溫度上升的速率就越大。這是因為隨著噴油提前角的增加，混合氣混合時間越長，混合得就越充分，主燃燒期(燃料質量分數燃燒10%到燃燒90%的質量分數燃料所經過的曲軸轉角)就越短，導致燃燒速率越大，從而曲線就越陡。

3 結論

本文通過Fluent的對不同噴油時刻的丁醇/汽油燃料的燃燒特性模擬計算，在噴油持續時間、噴油速率、噴油壓力、點火提前角等其他因素不變的前提下，改變噴油時刻，對丁醇占10%的汽油-丁醇缸內直噴混合氣進行燃燒過程的模擬。從模擬實驗數據看出：缸內壓力和缸內溫度隨噴油時刻的提前而升高，燃料與空氣混合的時間更長，燃燒更迅速。