高壓縮比甲醇發(fā)動機的排放仿真研究

雷星星，甄旭東，田智，耿杰，李小燕,李汝寧

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；2.天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；3.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨著汽油、柴油等傳統(tǒng)石油能源日益匱乏，尋找替代能源成為現(xiàn)在的重要問題。甲醇被視為最有前途的替代燃料之一，甲醇發(fā)動機的排放問題也逐漸受到國內(nèi)外相關(guān)研究人員的重視。Gong等研究了稀薄燃燒條件下噴油時刻以及點火時刻對甲醇發(fā)動機分層混合燃料濃度、燃燒、排放特性的影響，研究表明，存在一個最佳的噴油和點火時刻來獲得缸內(nèi)壓力峰值、放熱率峰值等，且在最佳噴油和點火時刻，CO、未燃甲醇和HC排放最低，NO排放較高。孫景震和C.Gong等對直噴式雙火花塞同步點火甲醇發(fā)動機的混合氣體濃度分布、燃燒和排放特性進行了數(shù)值研究，研究表明，隨著點火延遲期的增加，未燃甲醇排放顯著增加，NO排放迅速下降。李小平等開展了點火時刻、EGR率及過稀混合氣3種策略對降低NO排放的影響研究，結(jié)果表明，隨著點火時刻的推遲，NO和HC排放減少，排放溫度升高，而CO先減少后增加。X.Zhen等模擬了不同發(fā)動機工況下的初始排放，并基于LES(大渦模擬)和詳細的化學(xué)動力學(xué)機理，研究了不同點火時刻、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、混合氣濃度和燃燒室形狀對火花點火甲醇發(fā)動機排放的影響，研究發(fā)現(xiàn)：推遲點火正時或增加發(fā)動機壓縮比均可降低CO排放；隨著當(dāng)量比的增加，CO排放逐漸增加，當(dāng)量比小于0.9時，CO逐漸減少，在稀薄燃燒條件下幾乎為0；甲醛在燃燒過程的后期消耗很快，所以燃燒后殘留的甲醛很少。陳麗麗等研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化點火正時，有利于改善發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性，在中低負荷時尤為明顯。袁泉等研究發(fā)現(xiàn)，點火時刻提前能有效降低甲醛排放。趙建峰等研究發(fā)現(xiàn)，點火時刻提前可提高甲醇發(fā)動機缸內(nèi)壓力、溫度和燃燒穩(wěn)定性，減少炭煙排放，緩解怠速工況下甲醇發(fā)動機的燃燒及排放問題。本研究基于甲醇的詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，開展了高壓縮比甲醇發(fā)動機的常規(guī)和非常規(guī)排放特性研究，為大功率甲醇發(fā)動機的開發(fā)提供借鑒。

1 模型建立及驗證

1.1 研究對象

與傳統(tǒng)汽油、柴油燃料相比，甲醇有著許多優(yōu)點：汽化潛熱高、辛烷值高、抗爆震性強、著火范圍較寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快、沸點低、凝固點低等。

本研究中甲醇發(fā)動機的主要參數(shù)見表1。

表1 甲醇發(fā)動機的參數(shù)

1.2 發(fā)動機模型

本研究根據(jù)發(fā)動機參數(shù)建立了火花點火式甲醇發(fā)動機的一維仿真模型(見圖1)和三維仿真模型(見圖2)。一維仿真模型能夠為三維仿真模型提供計算初始條件，三維仿真模型用來模擬發(fā)動機的壓縮與燃燒過程。

圖1 甲醇發(fā)動機一維仿真模型

圖2 甲醇發(fā)動機三維仿真模型

1.3 計算模型

本研究基于GT-Power軟件平臺開展一維仿真計算，計算過程中缸內(nèi)傳熱模型采用Woschi模型，燃燒模型采用SITurb模型。本研究基于Converge軟件平臺開展三維仿真計算，計算過程中湍流模型采取RNG--模型，點火模型采用Source模型，燃燒模型采用SAGE詳細化學(xué)反應(yīng)求解器，其中化學(xué)反應(yīng)機理采用了Ultan Burke等提出的甲醇化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理，該機理包含46種物質(zhì)和247步基元反應(yīng)。仿真計算過程中，計算網(wǎng)格數(shù)量約為1 000 000，最大網(wǎng)格尺寸為4 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.125 mm。

1.4 模型驗證

本研究采用的一維發(fā)動機工作過程整機仿真模型已在文獻[14]中進行過試驗驗證。除此之外，對于一維模型NO仿真計算結(jié)果還參考對比了Li等在相似機型上的試驗結(jié)果(見圖3)，兩者得到的結(jié)果趨勢較為一致，最大誤差小于7%，可見建立的一維發(fā)動機模型滿足性能仿真的要求。圖4示出了三維模型采用不同的網(wǎng)格尺寸所得到的仿真計算結(jié)果，從圖中可以看出，3種網(wǎng)格尺寸的仿真計算結(jié)果基本一致。圖5示出了三維模型仿真計算結(jié)果與一維模型仿真計算結(jié)果，同時參考對比了C.Gong等在相似機型上的試驗結(jié)果。從圖中可以看出，壓力和放熱率的趨勢基本一致，三者之間的最大誤差小于5%。因此，所建立的三維模型可以用來模擬發(fā)動機的壓縮和燃燒過程。

圖3 一維仿真NOx排放的試驗驗證

圖4 網(wǎng)格尺寸無關(guān)性驗證

圖5 壓力、放熱率一維、三維仿真值與試驗值的對比

2 結(jié)果與分析

本研究選取的工況參數(shù)以及模擬初始條件如下：轉(zhuǎn)速2 000 r/min，節(jié)氣門開度90%，初始溫度310 K，初始壓力0.12 MPa，缸壁、缸蓋、活塞溫度均為450 K，活塞頂面溫度500 K。

2.1 點火時刻對常規(guī)與非常規(guī)組分排放的影響

點火時刻分別取-6°ATDC，-8°ATDC，-10°ATDC，-12°ATDC，-14°ATDC，研究其對甲醇發(fā)動機非常規(guī)有害排放甲醇、甲醛排放，常規(guī)有害排放CO，NO及CO的影響。

不同的點火時刻對甲醇排放質(zhì)量的影響見圖6a，由圖可知, 隨著點火時刻的推遲，甲醇由排放峰值開始下降的時刻也會相應(yīng)推遲，并且從峰值到最小值的持續(xù)時間也會相應(yīng)增加。點火角為-14°ATDC時，從甲醇排放峰值到最小值持續(xù)了9°，而在點火角為-6°ATDC時，其持續(xù)了10°。原因則是未燃甲醇的濃度直接受到甲醇消耗量的影響，當(dāng)點火角推遲時，缸內(nèi)燃燒會惡化，壓力、溫度都會降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。當(dāng)排氣門打開時，缸內(nèi)未燃甲醇近乎于0。

CO是在空氣較濃時，由于燃料的不完全燃燒而產(chǎn)生的。由圖6c可知, 隨著點火時刻的推遲，CO峰值排放量的出現(xiàn)時刻也會推遲。點火時刻從-14°ATDC推遲到-10°ATDC，排氣門開啟時刻CO的排放量由0.328 mg減少到0.325 mg，而點火時刻從-10°ATDC推遲到-6°ATDC時，CO排放量則由0.325 mg增加到0.332 mg。

NO的主要成分為NO，NO的生成包含高溫NO、激發(fā)NO、燃料NO三個來源。小部分NO來自于預(yù)混合燃燒的高溫環(huán)境，而大部分NO產(chǎn)生在擴散燃燒中。由圖6d可知，燃燒過程中NO生成量先增加后減少。隨著點火角的推遲，NO峰值出現(xiàn)時刻也有所推遲，并且峰值降低，其原因則是點火角的推遲會使缸內(nèi)燃燒溫度降低，NO的濃度因而減小。隨著燃燒過程的進行，缸內(nèi)的氧含量逐漸降低，導(dǎo)致NO生成量下降。

CO是一種無色氣體，本身沒有毒性，但它是產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”的主要成分，同時它也是表征燃燒性能的重要參數(shù)，相同噴油量下CO排放越多代表燃燒性能越好。由圖6e可知，CO會在燃燒前中期快速產(chǎn)生，在燃燒后期增加得比較緩慢。其原因是燃燒過程前期氧氣較充足，隨著燃燒過程的進行，氧氣越來越少，CO生成減緩。當(dāng)排氣門打開時，隨著點火角的推遲，CO的質(zhì)量會從-14°時的159.6 mg減少到-6°時的157.3 mg，表明缸內(nèi)燃燒變差。

圖6 不同點火時刻下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.2 當(dāng)量比對常規(guī)與非常規(guī)組分排放的影響

從圖6中可以看出，未燃甲醇和甲醛的生成量在排氣門開啟時都近乎于0，CO的生成量在點火角為-10°ATDC時最低。隨著點火時刻的推遲，NO的排放量和CO排放量逐漸降低。本部分研究點火角取-10°ATDC，當(dāng)量比分別取0.83，0.91，1，1.11，1.25。

圖7示出了不同的當(dāng)量比對缸內(nèi)甲醇、甲醛、CO、NO、CO生成的影響。由圖7a可知，隨著混合氣濃度的增加，甲醇燃燒滯燃期和持續(xù)期縮短。其原因是當(dāng)量比大于等于1時，混合氣偏濃，火焰?zhèn)鞑ジ尤菀祝紵酶欤虼巳紵掷m(xù)期更短；當(dāng)量比小于1時，則相反。當(dāng)排氣門打開時，無論當(dāng)量比為多少，缸內(nèi)未燃甲醇幾乎為0。

由圖7b可知，當(dāng)量比分別為0.83和1.25時，甲醛排放峰值分別達到最小和最大。由對比可知，甲醛排放量整體趨勢都是先增加然后減少，這完全可以由甲醛的生成機理來解釋。當(dāng)排氣門打開時，缸內(nèi)甲醛近乎于0。

CO主要是由缸內(nèi)缺氧而造成的不完全燃燒產(chǎn)生的，由圖7c可知，混合氣越濃，氧含量就越低，CO的生成量也會越高，同時CO峰值出現(xiàn)時刻也會越來越提前。其原因是稀薄混合氣下，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟瘜W(xué)反應(yīng)速率減小。由此可見，當(dāng)量比對CO的排放有很大的影響。

由圖7d可知，隨著混合氣濃度變稀，NO排放峰值以及排氣門開啟時的排放量都在增大。當(dāng)量比在1.25到0.91這一范圍內(nèi)，混合氣濃度變稀，此時高溫富氧的NO生成條件都滿足，因此NO的生成增加；當(dāng)量比在0.91到0.83這一范圍內(nèi)，隨著當(dāng)量比的過度減小，混合氣濃度過稀，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度過低，抑制了NO的生成。

由圖7e可知，當(dāng)量比為1時，CO的生成量最大，達到158.7 mg，說明此時缸內(nèi)混合氣燃燒較為充分。當(dāng)量比小于1時，CO排放量減小，原因是混合氣濃度變稀，有稀釋作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟瑢?dǎo)致CO的生成量減少；當(dāng)量比大于1時，與完全燃燒時相比，CO的量也會減少，原因是濃度高的區(qū)域燃燒后的溫度也較高，已經(jīng)生成的CO也會有一小部分分解成CO和O。

圖7 不同當(dāng)量比下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.3 EGR率對常規(guī)與非常規(guī)組分排放的影響

本部分研究點火時刻取-10°ATDC，EGR率分別取0，10%，15%，20%，25%。

由圖8a可以看出，EGR率增大具有稀釋的功能，導(dǎo)致缸內(nèi)的氧含量降低，缸內(nèi)溫度降低，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，甲醇燃燒持續(xù)期變長，同時甲醇著火滯燃期變長，并且缸內(nèi)混合氣由于稀釋作用導(dǎo)致甲醇含量減少。當(dāng)排氣門打開時，無論EGR率為多少，缸內(nèi)未燃甲醇的排放近乎于0。

由圖8b可以看出，隨著EGR率增大，甲醛排放峰值下降，甲醛峰值出現(xiàn)時刻也會推遲，并且甲醛從生成到消耗的持續(xù)期變長,其原因在于缸內(nèi)EGR率增大，氧含量降低。甲醛的生成與消耗同溫度有很大關(guān)系，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)廢氣越來越多，溫度逐漸降低，甲醛消耗逐漸減少，兩者疊加，導(dǎo)致甲醛的排放峰值降低。隨著EGR率的增加，缸內(nèi)溫度降低，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，導(dǎo)致缸內(nèi)甲醛從生成到消耗的持續(xù)期變長。當(dāng)排氣門打開時，缸內(nèi)甲醛量也近乎于0。

由圖8c可以看出，隨著EGR率增加，CO峰值下降，峰值出現(xiàn)時刻推遲，生成到消耗的持續(xù)期變長。其原因是隨著EGR率的增加，燃燒室溫度和氧含量都降低，CO的氧化反應(yīng)被減弱，導(dǎo)致CO排放下降。從圖中也可以看出，在排氣門開啟時刻CO排放量增加得不太明顯，最大值僅在0.33 mg左右。

由圖8d可以看出，隨著EGR率增加，NO峰值出現(xiàn)時刻推遲，峰值也逐漸減小。排氣門開啟時的排放量也逐漸降低，當(dāng)EGR率為25%時，NO的排放量甚至接近0。其原因是燃燒室高溫條件下空氣中的氮氣和氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生NO，無EGR引入時，燃燒溫度較高，容易產(chǎn)生NO；隨著EGR率的增大，缸內(nèi)溫度降低，氧氣濃度下降，導(dǎo)致生成的NO減少。由此可見，EGR技術(shù)是降低NO的重要措施之一，當(dāng)EGR率大于25%時，NO的生成量接近于0。

由圖8e可以看出,隨著EGR率的增加，CO初始的量會越來越多，氧含量降低，溫度下降，反應(yīng)速率變慢，導(dǎo)致CO排放達到峰值的時間變長。

圖8 不同EGR率下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.4 缸內(nèi)常規(guī)與非常規(guī)組分的演變

在點火角為-10°ATDC、當(dāng)量比為1、EGR率為0的條件下，研究缸內(nèi)溫度、甲醇、甲醛、CO、NO以及CO的變化。

由圖9可知，隨著燃燒過程的進行，缸內(nèi)溫度越來越高，只有甲醇演變過程與其相反，其余組分都與溫度演變一致，說明缸內(nèi)溫度是影響排放的主要因素之一。

圖9 燃燒過程中缸內(nèi)溫度、甲醇、甲醛、CO、NOx和CO2的演變圖

從圖中可以看出，隨著火花塞附近區(qū)域溫度增加，聚集在火花塞附近的甲醇、甲醛的量減少，通過觀察它們的位置，可推測在冷啟動或者怠速下，未燃甲醇與甲醛殘留很多時，主要聚集在溫度比較低的氣缸壁附近，溫度是影響這兩種排放物的主要原因。隨著燃燒反應(yīng)的進行，溫度逐漸增加，火花塞附近的氧含量逐漸降低，導(dǎo)致CO，NO，CO的排放量增加,并且它們的生成趨勢都是從火花塞附近向缸壁擴展。當(dāng)排氣門開啟時，除了NO和CO，其余物質(zhì)的排放量近乎于0，由此可得出此時的排放物主要為CO和NO。

3 結(jié)論

a)隨著點火時刻的推遲，CO排放有所降低，當(dāng)點火角為-10°ATDC時，CO排放最少；隨著當(dāng)量比和EGR率的增加，CO排放有所增加，其中當(dāng)量比的影響更為顯著；

b)當(dāng)排氣門打開時，缸內(nèi)未燃甲醇和甲醛的排放量幾乎都為0，可推斷出甲醛與未燃甲醇是在排氣管內(nèi)產(chǎn)生的；隨著點火時刻推遲、當(dāng)量比增大、EGR率減小，甲醇的反應(yīng)持續(xù)時間都會縮短；隨著點火時刻的推遲和EGR率的增加，甲醛峰值的出現(xiàn)時刻有所推遲，此外，增大EGR率還會使甲醛峰值減小；

c)當(dāng)缸內(nèi)未燃甲醇與甲醛濃度較高時，缸內(nèi)的溫度相對較低，由此推斷在低溫的氣缸壁區(qū)域能產(chǎn)生大量的未燃甲醇和甲醛；

d)隨著點火時刻的推遲，當(dāng)量比和EGR率的增加都會使NO的排放減少；

e)隨著點火角的推遲和EGR率的增加，CO排放減少，當(dāng)量比為1時，CO的排放量達到最大。