喷射时刻对甲醇发动机混合气分布影响

杨疑

摘要：指出了低温环境下受雾化及蒸发的影响，甲醇发动机此时启动十分困难，容易导致失火现象，从而带来巨大的HC排放。如何在低温环境下使得缸内形成理想的可燃混合气是解决甲醇发动机低温冷启动排放的有效手段。利用数值计算方法对低温冷启动甲醇发动机缸内混合气浓度分步进

行了模拟计算。计算结果表明：推迟喷射时刻能够改善缸内混合气浓度分布，使得在火花塞附近能够聚集较高浓度的混合气，同时缸內浓混合气分布区域逐渐增大，有利于改善缸内混合气浓度分布。

关键词：甲醇发动机；低温冷启动；燃烧；蒸发

中图分类号：X705

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18014403

1引言

随着汽车工业的发展同时，汽车已经成为人们生活中不可或缺的一部分，汽车尾气污染物排放也成为当今环境的主要污染源之一。为改善环境污染提高人们生活环境质量，2016年国家环保部和国家质检总局联合发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》全面提高了轻型汽车尾气排放测试要求，对排放污染物限值也更加严格＼[1，2＼]。同时提出了对PM及PN的排放限值要求。“国六”排放法规的实施必将给国内汽车企业带来巨大的技术挑战及压力。

为使汽车达到“国六”法规排放要求，国内汽车企业将投入巨大资金对满足“国六”排放法规的发动机平台进行研究开发；大大增加了开发周期，不利于新产品的投入，也给汽车企业带来了巨大的经济压力。在技术与经济压力的双重作用下，寻求一种清洁可持续发展的替代燃料是解决当前困难的有效途径。经过不断地探索和研究，发现甲醇是一种很理想的替代燃料。甲醇是一种含氧燃料在燃烧过程中不会产生PM和PN，同时具有很低的CO和HC排放＼[3，4＼]，这将使得在原有国五发动机基础上燃烧甲醇燃料能够实现国六法规对排放污染物的要求。虽然甲醇发动机具有众多优点，然而甲醇燃烧时发动机尾气含氧中却有较高的醇醛等排放，造成新的环境污染，其中甲醛对人体健康伤害尤为严重，日本和欧美等众多国家已经将一些醛类物质列入重点污染物名单＼[5＼]。甲醇具有很高的汽化潜热，因此冷启动困难，会带来大量的污染物排放，研究发现在测试循环中超过75%的污染物排放是在冷启动阶段产生的，因此如何有效控制冷启动阶段排放是重中之重。针对甲醇发动机低温冷启动困难的问题，国内许多专家学者进行了大量研究，发现如果改善缸内混合气浓度分布，进而改善缸内混合气燃烧质量是改善甲醇发动机冷启动排放的有效手段＼[6，7＼]。

针对甲醇发动机低温环境下甲醇雾化及蒸发困难，本文主要是在一台经柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机上运用商业三维仿真软件AVL-FIRE研究喷射时刻对甲醇发动机缸内混合气浓度分布的影响。

2计算模型

本文研究对象是基于一台大缸径的单缸柴油机改装而成的缸内直喷点燃式发动机，为了在火花塞附近聚集大量浓混合气改善缸内混合气燃烧，对发动机喷嘴做了特殊改进，将原柴油机4喷空均匀分布的喷嘴改装成7喷空不均匀分布。计算使用AVL-FIRE软件进行三维瞬态计算，针对喷雾过程，破碎模型采用Huh/Gosman模型，碰壁模型采用Walljet模型，蒸发模型采用Dukowicz模型；湍流模型采用k-zeta-f模型。

使用三维瞬态计算首先必须对发动机模型进行动态网格划分，发动机动态网格划分结果如图1。为减少计算工作量，对CFD模型进行了简化，省略了进气道和排气道，仿真计算从进气门关闭时刻（560°CA）到排气门打开时刻（850°CA BTDC）。由于省略了进气过程，通过AVL-BOOST软件对缸内气流运动涡流比进行模拟计算，然后将模拟计算值对进气门关闭时刻缸内气

流运动进行初始化赋值。模拟计算动态网格由软件自带的Fame Engine Plus 对模型进行动网格划分。从动态网格图中可以看出，所画的动态网格质量较为满意，

全部是质量较好的网格，没有出现影响计算结果的负网格，因此够很好的保证模拟计算结果准确性和精度。

为确保模拟计算准确度，本文采用试验所采集缸内压力曲线与模拟计算的缸内进行对比分析，缸内压力对比分析结果如图2所示。从图中可以得知，仿真计算所得数据与试验数据吻合较好误差在5%以内，完全满足计算所需精度要求。

3计算结果分析

本文主要研究环境温度为263K，进气预热温度为283K，发动机启动转速为800r/min，过量空气系数λ=1.5，喷射时刻为41°CA BTD，45°CA BTD，49°CA BTD，53°CA BTD，57°CA BTD不同喷射时刻对缸内混合气浓度分布的影响进行研究。

为了能够得清楚得到发动机缸内混合气浓度分布，将对气缸内混合气三维浓度进行分析，为了能够清楚分析缸内混合气浓度分布，本文将对气缸的横向及纵向进行三维切片制作，以便更加清楚明了展示发动机缸内混合气的空间分布。不同喷射时刻缸内混合气三维空间浓度分布如图3所示。

从图3可知，当喷射时刻为41°CA BTD时，缸内混合气浓度分布比较理想，浓混合气分布比较集中，在气缸壁附近没有聚集大量浓混合气，随着喷射时刻提前，缸内浓混合气分布区域面积逐渐减小且集中在缸壁附近区域，当喷射时刻提前为57°CA BTD时缸内混合气浓度分布很分散，不能有效形成浓混合气区域，并且在缸壁附近聚集大量浓混合气，极大恶化了缸内混合气分布。分析其原因是当喷射时刻为41°CA BTD时，由于此时缸内空气在活塞的压缩做功作用下，缸内气体温度和压力得到有效升高，能够极大促进缸内甲醇的蒸发，同时由于活塞上行压缩的作用缸内气流运动强度增大，在缸内气流运动的作用下能够使得蒸发的甲醇蒸汽得到有效聚集；随着喷射时刻提前，缸内气体温度和压力都较低，使得甲醇的蒸发速率很慢，在缸内的涡流作用下蒸发的甲醇和容易被吹散不能够得到有效聚集，同时由于喷射时刻提前缸内蒸发的甲醇蒸汽会在长时间的涡流作用下更容易被吹散；当喷射时刻提前到57°CA BTD此时缸内温度更低甲醇蒸发速率更慢，甲醇蒸汽收到缸内涡流的作用时间更长，从而使得甲醇蒸汽被吹散，缸内混合器浓度分布更加恶劣，没有聚集的浓混合气区域，且在缸壁附近聚集较浓混合气，极大恶化了缸内混合器分布。

4结论

（1）当喷射时刻为41°CA BTD时缸内混合气浓度分布较为理想，存在较大的浓混合气区域，提前喷射时刻不利于缸内混合气浓度分布，缸内混合气浓度分布恶化，浓混合气区域逐渐减小。

（2）提前喷射时刻不利于缸内混合气浓度分布，在缸内涡流的作用下浓混合气逐渐向缸壁附近区域靠近。

（3）当喷射时刻提前到57°CA BTD时，缸内混合气浓度极大恶化，已经不能够形成有有效的浓混合气区域，并且在缸壁附近区域存在较浓的混合气。

参考文献：

[1]

汪文忠. 汽车发动机加速不良的故障诊断与分析＼[J＼]. 汽车与配件，2017（12）：84～85.

＼[2＼]唐黎标. 发动机的排放检测与维护技术的应用＼[J＼]. 汽车与配件，2017（6）：84～85.

＼[3＼]宫长明，彭乐高，孙景震，等. 喷嘴开启压力对DISI甲醇发动机燃烧和排放的影响＼[J＼]. 车用发动机，2015（3）：70～75.

＼[4＼]宫长明，彭乐高，张自雷，等. DISI甲醇发动机分层稀薄燃烧试验研究＼[J＼]. 车用发动机，2014（6）：45～50.

＼[5＼] SHAMSUL N S. An overview on the production of bio-methanol as potential renewable energy ＼[J＼]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，33（1）：578～588.

＼[6＼]王放. 缸内直喷点燃式甲醇发动机冷启动试验研究＼[D＼].长春：吉林大学，2012.

＼[7＼]姜水生，余敬周，黎和昌，等. 发动机冷启动试验数据采集系统＼[J＼]. 内燃机，2004（6）：18～19，28.endprint