基于AVL FIRE的M85燃烧特性研究

贾文建，霍炜，彭升，刘高君，盛建

(1.长城汽车股份有限公司，河北保定 071000；2.青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071)



基于AVL FIRE的M85燃烧特性研究

贾文建1，霍炜2，彭升2，刘高君2，盛建2

(1.长城汽车股份有限公司，河北保定 071000；2.青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071)

利用AVL FIRE建立定容燃烧弹模型并模拟不同初始温度、过量空气系数以及初始压力对M85燃烧特性影响。研究结果表明：随着初始温度的升高(423.15～573.15 K)，M85燃烧速率明显增加，燃烧持续期变短；随着初始压力的升高(0.8～1.2 MPa)，M85燃烧速率减慢，燃烧持续期增长；随着过量空系数的增大(1～1.4)，燃烧速率变慢，滞燃期及持续时间延长。

M85燃烧特性；定容燃烧弹；压力；压力升高率

0 引言

目前，我国汽车产业正处于快速增长期，汽车销售量自2000年至今连续十几年都保持着将近两位数的增长。高速发展的汽车工业带来的是燃油供应问题以及环境问题的不断加剧[1]。面对能源危机以及环境的制约，我国需要从自身的资源国情出发，坚持可持续发展战略，寻球替代车用燃料[1]。甲醇是一种清洁、经济的替代燃料，国内外都对甲醇展开研究。美国桑迪亚国家实验室通过可视化直喷甲醇机研究甲醇/汽油燃烧状况。Kettermg University研究机构通过三维流场模型，研究涡流比、空燃比对甲醇/汽油燃烧特性的影响。8个国家按FTP工况法，对各类不同代用燃料的汽车进行排放状况的评估[2-3]。德国茨维考西日耳曼大学利用Nd-Yag激光片光可视化装置和数值模拟计算对甲醇汽油混合燃料的喷射和雾化过程进行了研究。试验还分析了甲醇含量、喷油量等因素对燃料喷雾特性的影响[4]。关于甲醇燃料的研究开发在我国起步较早，一些大专院校和科研部门于20世纪70年代就开始了甲醇燃料汽车的研究工作[5]，并取得了一定进展，近几年来研究逐渐深入。2014年在一台四缸进气歧管喷射的汽油机上，采用欧洲测试循环中的城市道路工况和高速公路工况循环，对汽油、M15、M50 甲醇汽油3种燃料的燃烧特性、排放以及燃油经济性进行了测试。

甲醇自身含氧，在一定程度上提高了燃烧效率、燃烧程度，但也为高比例甲醇汽油在现有轿车的推广使用留下困难。高比例甲醇汽油燃料理论空燃比远低于汽油，对于现有车型无法普及使用，但是M85的经济型、排放性都优于传统燃料，而且动力性接近传统燃料。因此文中通过AVL FIRE 软件模拟M85甲醇汽油的定容燃烧弹燃烧过程，分析M85在不同温度、压力、过量空气系数下的燃烧特性，为高比例甲醇汽油以后的使用打下基础。

1 定容燃烧弹燃烧模型

1.1 几何模型的建立

在建立模型前，为简化模拟计算的过程，对定容燃烧弹进行假设：定容燃烧弹中为均匀工质，并且可燃混合气初始温度及初始压力处处均匀；忽略火花塞、热电偶等结构，将燃烧弹简化为圆柱体。利用AVL FIRE软件进行网格划分，得到的定容燃烧弹的几何模型如图1所示。

图1 定容燃烧弹网格模型

1.2 边界条件的选择

(1)初始压力

定容燃烧弹的点火时刻是模拟发动机在点火时刻的边界条件，发动机的点火时刻是在活塞接近上止点的时刻。根据普通汽油机压缩比来推理，汽油机的压缩比为8～12.5，按照最低与最高压缩比计算，在压缩上止点气缸压力约为0.8～1.25 MPa，而受气体温度影响且现在汽车都带有增压系统，实际在压缩上止点的气缸压力为0.8～1.5 MPa，因此选择0.8、1.0、1.2 MPa作为初始压力。

(2)初始温度

汽油机压缩终了时，温度可达到320 ℃。甲醇的自燃温度为500 ℃，沸点是74.5 ℃；再根据定容燃烧弹的温度加热系统最高加热温度不高于300 ℃，可以选择150、180、300 ℃。

(3)过量空气系数

过量空气系数是一个十分重要的边界条件，对发动机的经济性、动力性以及排放性都有着重要的影响，此外还关系到发动机最高爆发压力、燃烧温度和燃烧放热率。汽油的理论空燃比为14.7，着火极限为1.4～6.7，过量空气系数为0.4～1.4；甲醇的着火极限为6.7～36.5，计算可得出过量空气系数为0.34～2，且现在都追求稀薄燃烧，因此将甲醇汽油过量空气系数选择为1.0、1.2、1.4。

2 试验验证

2.1 试验原理

工作原理：在试验中，根据燃烧室的容积、混合气浓度、初始填充压力和温度的要求，利用气体状态方程计算出所需燃料的体积，用注射器加入燃烧室。关闭燃料加注阀、排气阀、扫气阀，打开进气阀，利用空气压缩机以及空气增压泵填充气体，关注压力表直至预设压力值，关闭压缩机以及进气阀。燃烧弹内形成基本混合气，将燃烧室内的混合气按试验要求加热到预定温度。这时关闭加热系统以及压力表的控制阀，然后打开计算机上的数据采集面板，打开直流稳压电源、电荷放大器并开始点火，同时采集动态压力信号。

2.2 模型的验证

在运用AVL FIRE软件模拟计算定容燃烧弹内的燃烧过程，需要确定所选模型和计算方法的可靠性。选取M85甲醇汽油，在初始压力0.8 MPa、过量空气系数λ=1.2、温度150 ℃下进行定容燃烧弹的台架试验，试验结果与模拟计算结果的对比曲线如图2所示。

图2 缸内压力及压升的试验与计算对比

图2所示为计算与试验的压力、压力升高率的曲线对比。从最高压力看，计算得到的最高压力为4.5 MPa，而试验得到的最高压力约为4.3 MPa，计算得到的数值略高于试验数值，但误差只有0.2 MPa，约为4.4%，在允许误差范围内。对于压力升高率对比曲线，最高压力升高率的试验数值为0.28 MPa/ms，计算数值为0.31 MPa/ms，最大差值为0.03 MPa/ms。从整个趋势比较，基本一致，且最高压力与压力升高率对应时间基本吻合。

3 M85甲醇/汽油的燃烧特性

经过试验验证了模拟计算的可靠性。发动机的压缩比对发动机的功率、起动性、热效率都有很大影响。定容燃烧弹点火时刻压力是模拟发动机终了时刻的压力进行研究。为了对M85甲醇汽油燃烧特性进行更好的研究，通过AVL FIRE模型进行拓展计算，研究点火时刻容弹压力对M85甲醇汽油燃烧特性的影响。

3.1 初始压力对燃烧压力的影响

图3所示为过量空气系数λ=0.8，初始温度为523.15 K，初始压力分别为0.8、1.0、1.2 MPa时，M85甲醇汽油在燃烧弹内的压力以及压力升高率的变化曲线。

图3 不同初始压力下压力与压力升高率的变化曲线

结果显示：最高燃烧压力与最大压力升高率都随着初始压力升高而明显升高，当填充压力从0.8 MPa升到1.2 MPa，缸内的最高爆发压力从3.9 MPa上升为6 MPa，压力升高率最大值从0.08 MPa/ms上升为0.12 MPa/ms；但是随着初始压力升高，最高燃烧压力与最高燃烧压力升高率的峰值向后延迟，即随着初始压力升高，燃烧的持续时间变长，但延长时间很少。这是因为在初始温度、混合气浓度、燃烧室容积等相同的条件下，增加初始填充压力，可燃混合气的密度增加，缸内的M85甲醇汽油燃料和空气量均增加，最高燃烧爆发压力将会增加，同时也因为可燃混合气变多，燃烧持续时间就相对变长了。在持续时间略有延长而最高燃烧压力增幅巨大的情况下，压力升高率也随着变大。

3.2 混合气浓度对燃烧压力的影响

图4给出了初始压力为1.2 MPa，初始温度为573.15 K，过量空气系数分别为λ=1、λ=1.2、λ=1.4时，M85甲醇汽油在燃烧弹内的压力以及压力升高率的变化曲线。可以看出：随着过量空气系数的增大，燃烧的最高压力变小，压力曲线变得越来越平缓。过量空气系数λ=1时，燃烧压力在t=132 ms达到峰值5.52 MPa；而当过量空气系数λ=1.4时，燃烧压力在t=210 ms达到峰值4.6 MPa。两者比较最高爆发压力降低了0.92 MPa，燃烧持续时间延长了78 ms。这是因为过量空气系数增大，混合气浓度变小，当初始温度相同时，活化分子的有效碰撞次数减少，化学反应速率变慢而相对延长了燃烧持续时间。这同样导致压力升高率的两个峰值也随着过量空气系数增大而减小，且峰值出现延迟。在过量空气系数λ=1时，最大压力升高率0.053 8 MPa/ms出现在t=106 ms，而λ=1.4时最大压力升高率0.025 MPa/ms出现在t=169 ms。

图4 不同混合气浓度下压力与压升率的变化曲线

3.3 初始温度对燃烧压力的影响

图5所示为过量空气系数λ=1，初始压力为0.8 MPa，初始温度分别为423.15、 453.15、573.15 K时，M85甲醇汽油在燃烧弹内的压力以及压力升高率的变化曲线。可以看出初始温度的变化对缸内压力以及压力升高率的影响很明显。在初始温度为423.15 K时，缸内压力的峰值为4.73 MPa，而在初始温度为573.15 K时缸内压力峰值变为3.66 MPa。可以得出随初始温度提升，缸内爆发压力呈下降趋势的结论。这是因为初始温度越高，与冷缸壁温度差异就越大，散热越明显，从而导致最大压力下降。压力升高率与压力持相反的趋势，随之初始温度升高，缸内最高压力升高率提升明显，在150 ℃时为0.027 MPa/ms，而300 ℃时升高到0.034 MPa/ms。但是随着初始温度升高，缸内压力峰值与压力升高率峰值都前移。这是因为随着初始温度的升高，参加化学反应的反应物分子的能量增加，使原来一些非活化分子转变为活化分子，随着活化分子的增加，从而使分子有效碰撞次数增多，提高了化学反应速率。因此随初始温度升高，燃烧持续时间以及滞燃期都变短，也提高了压力升高率。

图5 不同初始温度下压力与压升率的变化曲线

3.4 定容燃烧弹压力场分析

对初始压力为1.2 MPa、初始温度为573.15 K、过量空气系数λ=1.2下的M85的燃烧过程，分别在10、20、70以及160 ms时进行纵向与横向的切片处理，得到4个时刻纵向与横向的压力场分布云图。

从图6与 图7可以看出：在某一时刻定容燃烧弹内各处压力相差不大，定容燃烧弹的火花塞位置设置在中下部，由纵向分布图可以看到在t=10 ms与t=20 ms时压力场梯度十分明显，越靠近火花塞点火位置压力越高，而距离点火位置越远，压力越低，即已燃区与未燃区压力相差较大;随着燃烧的继续，在t=70 ms时刻压力最高点区域从中部转移到燃烧弹的两侧，从火焰传播来说，是火焰已经从中部位置传播到燃烧弹的两侧，而中间位置混合气已经反应完成，从而使中间压力低于两侧压力;在t=160 ms后整个缸内的压力达到最大值，此时缸内压力分布情况为在靠近燃烧弹两侧边缘处压力最低，在靠近中间压力最高。这是由于反应已经完成，各处压力都达到最大值，但是两侧与空气形成较大温度差，使热量散发更快，而使边缘处压力略低于其余部分。从横向压力分布场可以看到在t=10 ms时刻，从底部向上部压力梯度明显，但压力差距较小。主要是因为t=10 ms时刻火焰的传播只限于火花塞附近，上部混合气还没被点燃从而压差明显。在t=20 ms时刻可以明显看到中心位置与上部压力低于两者之间的压力，这明显体现了火焰的传播，压力最高处即为燃烧位置。而火花塞位置压力略低是因为此区域混合气已经反应完成。从t=70 ms时的纵向与横向压力场的对比图可以看出，两者正交位置压力低于其他位置，是因为此处是可燃混合气正空地带，火焰已经传播到两侧。在t=160 ms时反应已经结束,燃烧弹的中间处上下部分压力相同。

图6 定容燃烧纵向压力场分布

图7 定容燃烧横向压力场分布

4 总结

(1)在其他条件不变时，随着初始温度的升高(423.15～573.15 K)，M85燃烧速率明显增加，燃烧持续期变短，最大燃烧压力降低，初始温度越高越明显。

(2)随着初始压力的升高(0.8～1.2 MPa)，M85燃烧速率减慢，燃烧持续期增长，最大燃烧压力降低，初始压力越高越明显。

(3)随过量空系数增大(1～1.4),燃烧速率变慢，滞燃期及持续时间延长，最高压力与压力升高率都减小。

【1】何光远．醇醚汽车的发展值得关注[N]．中国工业报，2004-04-09．

【2】黄志甲，张旭，余卓平，等．汽车替代燃料发展战略的探讨[J]．中国能源，2001(8):29-32．

HUANG Z J,ZHANG X,YU Z P,et al.Developmental Stratagem for Alternative Fuel of Automobile[J].Energy of China,2001(8):29-32．

【3】张霞．甲醇汽油排放建模与预测[D]．北京:清华大学，2009．

【4】A1-FARAYEHDI A A,A1-DAWOOD A M,GANDHIDASAN E,et al.Experimental Investigation of SI Engine Performance Using Oxygenated Fuel[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines & Power,2002,126(1):7-18.

【5】向晋华．直喷式柴油机燃用甲醇-二甲醚混合燃料排放特性的研究[D]．太原：太原理工大学，2006．

【6】路林，常铭，苗海燕，等．天然气在不同初始温度和压力下的燃烧特性研究[J]．工程热物理学报，2009,30(10)：1771-1774．

LU L,CHANG M,MIAO H Y,et al.Combustion Characteristics of Natural Gas at Various Initial Temperature and Pressure[J].Journal of Engineering Thermophysics,2009,30(10)：1771-1774．

Burning Characteristics of M85 Based on AVL FIRE

JIA Wenjian1,HUO Wei2,PENG Sheng2,LIU Gaojun2,SHENG Jian2

(1.Great Wall Motor Company Limited,Baoding Hebei 071000;2.School of Electromechanic Engineering,Qingdao University, Qingdao Shandong 266071,China)

AVL FIRE was used to establish constant volume bomb model and to simulate the influences of different initial temperatures, excess air ratio and initial pressure on the M85 combustion characteristics. The results show: with the initial temperature rising (from 423.15 to 573.15 K), M85 burning rate increases significantly, combustion duration becomes shorter; with the increase of initial pressure (from 0.8 to 1.2 MPa), burn rate slows down, combustion duration increases; with the excess air coefficient increasing (from 1 to 1.4), burn rate slows down, the ignition delay period and the duration prolong.

M85 combustion characteristics; Constant volume bomb; Pressure; Pressure rise rate

2016-07-04

贾文建(1989—)，男，硕士，研究方向为车辆节能减排。E-mail：562625312@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.010

U473.9

A

1674-1986(2016)10-045-04