点火时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响

宫长明，宫宝利，彭乐高，孙景震,李朝晖,屈翔,刘凤华

(1.大连民族大学机电工程学院，辽宁 大连 116600；2.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；3.德尔福(上海)动力推进系统有限公司，上海 200131；4.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022)

点火时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响

宫长明1，宫宝利2，彭乐高3，孙景震2,李朝晖4,屈翔4,刘凤华1

(1.大连民族大学机电工程学院，辽宁 大连 116600；2.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；3.德尔福(上海)动力推进系统有限公司，上海 200131；4.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022)

针对甲醇发动机低温冷起动困难，在1台由1130单缸柴油机改造而成的直喷火花点火甲醇发动机上，利用CFD模拟软件AVL-Fire耦合甲醇氧化反应机理，通过电热塞将进气温度加热到283 K，研究了点火时刻对甲醇发动机低温(266 K)冷起动燃烧及非法规排放的影响。结果表明：提前点火时刻能够使缸内混合气得到较充分燃烧，减少未燃甲醇排放，当点火时刻由8°BTDC提前到11°BTDC时未燃甲醇排放显著减少；提前点火时刻能够降低甲醛排放，当点火时刻提前到17°BTDC、缸内最高燃烧温度超过1 300 K时，甲醛快速氧化，甲醛排放显著减少。

冷起动；直喷甲醇发动机；非法规排放；燃烧；点火时刻

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)》，全面加严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，同时提出了对PM及PN的排放限值要求。国家对汽车污染物排放的严苛要求给传统汽车业带来了巨大压力，因此寻求一种清洁可持续发展的替代燃料迫在眉睫。甲醇燃料来源广泛，且具有十分优良的运输优势和相对较高的能量密度；同时甲醇是一种含氧燃料，点燃式发动机在燃用甲醇燃料时不产生炭烟，且具有超低CO，NOx，HC和PAH排放特点[1]。在当今严苛的国家环保法规的大环境下，甲醇被认为是最具潜力的可持续发展替代燃料之一[2]。然而甲醇燃烧时发动机尾气中却有较高的醇醛等非法规排放物，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[3]。目前国内外对甲醇发动机的研究主要集中在法规排放的生成机理，对非法规排放的研究相对较少，因此对甲醇发动机非法规排放的生成机理尚不清楚，同时也没有有效途径解决甲醇发动机非法规排放问题，非法规排放已经成为制约甲醇发动机发展的关键。

甲醇的汽化潜热超过汽油的3倍，甲醇蒸发时吸收大量的热，严重影响甲醇的蒸发速度和蒸发量，导致甲醇发动机冷起动困难，使得冷起动非法规排放问题更加突出。研究发现，在一个FTP测试循环中超过70%非法规排放产生于冷起动阶段[4-5]。目前降低冷起动HC排放的控制方法主要通过两个途径：一是从尾气后处理器入手，设法缩短三效催化器的起燃时间；二是通过改善缸内燃烧，减少发动机本身的HC排放。宫长明[5]等研究了空燃比对缸内直喷甲醇发动机冷起动非法规排放的影响，研究结果表明，减稀空燃比能够降低未燃甲醇及甲醛的浓度。李理光[7]等基于单次循环HC排放对比试验发现，失火与着火相比HC排放的峰值增加80%。冷起动时缸壁温度较低，水蒸气易发生凝结，湿润火花塞的概率较大，失火发生概率增大，而甲醇发动机由于甲醇蒸发潜热大使得冷起动缸内温度更低，失火概率大大增加，所以要控制冷起动过程中HC排放必须严格控制冷起动失火现象，实现首循环的“即喷即着”。

鉴于甲醇发动机冷起动困难，本研究主要使用AVL-Fire软件耦合甲醇氧化反应机理，研究点火时刻对甲醇发动机冷起动燃烧、甲醛及未燃甲醇等非法规排放的影响，以期为甲醇发动机实现超低排放提供依据。

1 甲醇氧化动力学模型及计算方法

1.1 甲醇氧化动力学模型

甲醇氧化反应机理研究成果很多，目前使用最广泛的是Grotheer[8]等研究的甲醇氧化详细机理，该详细反应机理包含43种物质和414个基元反应，准确性得到了大量预混层流火焰试验和发动机试验的验证。由于详细反应机理的物质种类较多，反应复杂，对计算硬件条件要求很高，不利于工程应用的推广。在详细氧化机理基础上，天津大学Zhen[9-11]等对机理进行优化，优化后的机理更加适于工程应用；该机理涉及21种物质和93个基元反应，且利用由柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机大量的试验数据对该机理进行验证，对于绝大多数重要指示参数和反应速率，模拟结果与试验结果基本吻合，完全满足计算要求。

1.2 计算方法

计算采用三维瞬态计算方式，使用CFD模拟软件AVL-Fire完成。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；点火模型采用Spherical模型；燃烧模型采用General gas phase reactions用户自定义物质成分和反应机理、考虑燃烧过程影响的模型。模拟计算以一款经柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机为研究对象，表1示出该机和原机的主要技术参数。研究中将甲醇发动机冷起动工况的燃烧室顶面温度、气缸壁面温度和活塞顶面温度统一设置为低温环境温度266 K。

表1 试验发动机主要技术参数

为在火花塞附近聚集比较浓的混合气以促进混合气点燃，对喷嘴作了特殊改进，将4孔均匀分布喷嘴改为7孔不均匀分布喷嘴，改进后的喷孔油束分布及喷雾见图1。

图1 甲醇喷嘴喷孔油线分布及喷雾

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(160°BTDC(压缩上止点前))到排气门打开时刻(-130°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。由软件自带的Fame Engine Plus 对模型进行动网格划分，所划分的计算网格见图2，整个网格包含了355 015个单元格。

图2 动态网格示意

1.3 模型验证

采用的甲醇氧化机理是Zhen[9-11]等简化的包含21种物质和93个基元反应的机理，模拟计算和试验的边界条件：冷起动时过量空气系数为1.5，点火正时为14°BTDC，喷油正时为45°BTDC。试验所用气缸压力测量设备为灵敏度为-260 pC/MPa的SYC04A石英晶体压力传感器和DF3电荷放大器。缸压、放热率对比曲线见图3。从图中可以看出模拟计算结果与试验测量结果吻合较好，表明所选模型和计算方法比较合理。

图3 模拟值与试验值对比曲线

2 计算结果及分析

针对甲醇发动机冷起动困难，结合《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》对点燃式发动机低温冷起动排放法规要求，主要研究环境温度为266 K下甲醇发动机燃烧及排放特性。研究表明，在低温环境下若不采取辅助起动手段，无论首循环喷多少甲醇，点燃式甲醇发动机都无法起动[12]。因此试验及计算中通过电热塞预热将进气温度加热到283 K，研究大气压力为98.3 kPa，起动目标转速为800 r/min，过量空气系数为1.5，喷油正时为45°BTDC工况下点火时刻对冷起动首循环燃烧及非法规排放的影响。

2.1 不同点火时刻缸内混合气分布

由图4不同点火时刻缸内混合气浓度(质量分数)分布可知，随着点火时刻推迟，在油束聚集区域混合气浓度增加，且在油束稀少区域混合气超稀薄区域逐渐减小。同时在火花塞附近区域混合气浓度逐渐增加，且较高浓度混合气区域逐渐增加，有助于混合气的点燃及火焰传播。

图4 不同点火时刻混合气分布

原因是甲醇汽化潜热很高，在低温环境下甲醇蒸发十分困难。当点火时刻为20°BTDC时,由于甲醇在缸内停留时间较短，同时缸内温度较低，缸内涡流强度较小,导致甲醇蒸发量少，缸内混合气浓度低；尤其在油束稀少区域,混合气更加稀薄。缸内甲醇蒸发速率可以简化为φ=F(p,T,ω,S)，甲醇蒸发量Q=φ·t，其中p为缸内压力，T为缸内温度，ω为缸内涡流强度，S为甲醇液滴与空气接触面积,t为甲醇在缸内停留时间。随着点火时刻推迟，甲醇在缸内停留时间增加，同时由于活塞上行对缸内气体压缩做功，缸内压力和温度上升，且活塞上行压缩气体，促进缸内气体运动；综上可知，随着点火时刻推迟，甲醇蒸发速率增大，同时甲醇在缸内停留时间延长，因此甲醇蒸发量Q增加，使缸内混合气浓度提高。

2.2 点火时刻对缸内燃烧压力的影响

图5至图7分别示出不同点火时刻缸内压力、放热率及温度曲线。从图5可知，随着点火时刻提前，缸内最高压力增大，当点火时刻由14°BTDC提前到17°BTDC，缸内最高压力增加幅度最大，由17°BTDC继续提前缸内最高压力增加幅度很小。从图6可知，随着点火时刻提前，缸内燃烧放热率峰值增加，当点火时刻由8°BTDC提前到11°BTDC，放热率峰值增加幅度最大，由11°BTDC继续提前，放热率峰值增加不明显。从图7可知，随着点火时刻提前，缸内最高燃烧温度增加，当点火时刻由8°BTDC提前到11°BTDC，最高燃烧温度增加最为明显，且排气温度(排气门打开时刻-130°BTDC)增加最为明显，此后点火时刻继续提前，缸内最高燃烧温度增加幅度减小，且排气温度变化很小。

图5 不同点火时刻缸内压力

图6 不同点火时刻放热率

图7 不同点火时刻缸内温度

缸内混合气燃烧质量不仅受缸内混合气浓度分布影响，同时与缸内压力、温度、涡流强度及点火时刻有关。滞燃期定义为从火花塞开始点火到累积放热率达10%间的曲轴转角，滞燃期主要受缸内温度、压力、涡流强度、混合气浓度等因素影响，滞燃期计算可以简化为φ=F(p,T,ω,n)。由于低温冷起动首循环机体温度很低，缸内混合气温度很低，冷起动过程中对滞燃期影响最大的是缸内混合气温度，因此冷起动滞燃期计算可以进一步简化为φ=F(T)。当点火时刻为8°BTDC时，缸内混合气相对最浓，分布最优，且缸内压力、温度、气流运动强度都相对最优。但由于点火时刻很晚，同时低温冷起动状态下燃烧滞燃期很长，在进入膨胀冲程前不能形成火焰核心，严重影响了火焰的发展及传播，导致缸内混合气燃烧质量很差，因此缸内最高燃烧压力、放热率峰值、最高燃烧温度都很小。当点火时刻由8°BTDC提前到11°BTDC时，缸内混合气浓度、压力、温度、涡流强度相对点火时刻8°BTDC差一点，滞燃期相对较长，但由于点火时刻提前使得火焰核心有较为充分的时间在压缩冲程内形成，能够有效改善缸内混合气的燃烧质量，因此缸内最高燃烧压力、最高温度、放热率峰值都能得到显著提高；此时对缸内燃烧质量起主要作用的是点火时刻。当点火时刻由11°BTDC继续提前，由于提前量过大，缸内压力、温度、涡流强度、混合气浓度及分布都变差，此时滞燃期急剧增大，虽然点火提前，但仍不能使火焰核心在压缩冲程内得到更充分有效发展，因此继续提前点火时刻对缸内混合气燃烧质量改善作用不明显，导致缸内最大燃烧压力、放热率峰值、最高燃烧温度增加不明显。

2.3 点火时刻对未燃甲醇及甲醛生成的影响

从图8可知，缸内甲醛浓度总体趋势是随曲轴转角增加而增加,最后保持稳定，且0°BTDC时刻附近缸内甲醛浓度会出现略微下降现象；在排气门打开时刻缸内甲醛浓度随点火角推迟而增大。

图8 不同点火时刻缸内甲醛浓度

图9示出排气门打开时刻(-130°BTDC)缸内未燃甲醇及甲醛浓度。从图中可知，随着点火时刻提前，缸内未燃甲醇浓度减小，当点火时刻由8°BTDC提前到11°BTDC，未燃甲醇浓度下降显著；此后点火时刻继续提前，未燃甲醇浓度下降不明显。随着点火时刻提前，缸内甲醛浓度减小，当点火时刻由14°BTDC提前到17°BTDC，缸内甲醛浓度下降最显著。

图9 不同点火时刻未燃甲醇及甲醛排放

3 结论

a) 提前点火时刻能够改善缸内混合气燃烧质量，缸内最高燃烧压力、温度、放热率峰值增加；且当点火时刻推迟到11°BTDC之后,继续提前点火角对缸内混合气燃烧质量改善不明显；

b) 提前点火时刻能够改善缸内燃烧，使得缸内混合气能够得到较为充分燃烧，减小未燃甲醇排放，当点火时刻由8°BTDC推迟到11°BTDC，未燃甲醇排放显著减少；

c) 提前点火时刻能够减小甲醛排放，当点火时刻提前到17°BTDC缸内最高燃烧温度超过1 300 K，甲醛快速氧化，甲醛排放显著减少；

d) 冷起动推迟点火时刻缸内混合气浓度及分布、缸内压力、温度、涡流强度增加，但并不能改善缸内燃烧，在此时对燃烧起决定性作用的是有足够的时间让火焰核心能够得到充分发展。

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EffectsofIgnitionTimingonCombustionandNon-compulsoryEmissionofMethanolEngine

GONG Changming1，GONG Baoli2,PENG Legao3，SUN Jingzhen2，LI Zhaohui4，QU Xiang4，LIU Fenghua1

(1.School of Electromechanical Engineering，Dalian Nationalities University,Dalian 116600,China；2.China Automotive Engineering Research Institute Company Limited,Chongqing 401122,China；3.Delphi Shanghai Dynamics & Propulsion Systems Co.,Ltd.,Shanghai 200131,China;4.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University,Changchun 130022,China)

For the cold start problem of methanol engine, one 1130 single-cylinder diesel engine was retrofitted to direct injection spark ignition methanol engine and the influences of ignition timing on methanol combustion and non-compulsory emission during cold start at 266 K were researched by simulating the oxidation reaction mechanism of methanol with AVL-Fire software and preheating the intake to 283 K with the electric heater plug. The simulation results show that advancing the ignition timing can improve the combustion and reduce the unburned methanol emission. When the ignition timing advances from 8°CA BTDC to 11°CA BTDC, the unburned methanol emission decreases remarkably. Moreover, formaldehyde oxidizes rapidly and its emission decreases obviously when the ignition timing is 17°CA BTDC and the in-cylinder peak temperature is beyond 1 300 K.

cold start；direct injection methanol engine；non-compulsory emission；combustion；ignition timing

2017-08-16;

2017-12-19

国家自然科学基金资助项目(51676029，51176063)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC201502010203，DCPY2016090)

宫长明(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向为发动机燃烧与排放控制；gongcm@dlnu.edu.cn。

通讯简介： 彭乐高(1989—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为发动机燃烧与排放控制；penglegao1989@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.005

TK464

B

1001-2222(2017)06-0025-05

[编辑: 李建新]