燃空当量比对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响

孙景震，姚实聪，宫宝利，彭幼华，崔连波，彭乐高，宫长明

(1.重庆长安新能源汽车有限公司，重庆 401120；2.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；3.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025；4.东风日产技术中心，广东 广州 510640；5.大连民族大学机电工程学院，辽宁 大连 116600)

2016年国家环保局联合各个机动车质量监督检验中心及各大车企法规部拟定了堪称史上最严法规的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》。该法规不仅加严了相应排放物的限值，增加了排放颗粒物数量的要求，测试循环也更加贴近目前汽车在道路上所面临的复杂多变的工况；而且增加了实际行驶污染物排放(RDE)的排放测量，同时加大了对加油过程污染物的控制要求。根据公安部交管局统计，2017年以来，我国汽车的保有量已经超过2亿辆。目前我国的汽车占比中传统内燃机汽车为主要部分，对燃油的需求量极大。雪上加霜的是，2017年国际油价逐步上涨，我国汽车的转型已经迫在眉睫。在环保及节能的巨大压力下，寻找一种新型可替代燃料已成为目前更为可取的出路。

甲醇燃料来源广泛，可由煤、天然气、生物合成等途径获取[1]，与汽油、柴油相比，有着运输方便、能量密度高等优势，而且甲醇是一种含氧燃料，在点燃式发动机上燃烧时可生成较低的CO，HC，NOx，炭烟等常规排放物[2]。然而由于甲醇所具有的物理化学性质，其燃烧后容易生成未燃甲醇及甲醛等非常规排放物。其中甲醛对人体的伤害非常大，已经被欧洲、美国、日本等发达国家和地区列为重点污害排放物[3]。另外，甲醇相比汽油，汽化潜热大，是汽油的3倍左右，这有利于降低缸内温度和提高进气效率，但是也造成了冷起动困难等问题。大连民族大学的宫长明教授针对甲醇发动机的冷起动问题，研究了3种不同预热方式对冷起动着火特性的影响及DISI分层稀薄燃烧、喷嘴开启压力、点火时刻对甲醇发动机燃烧及排放的影响[4-5]。国外学者对甲醇在缸内直喷发动机上稀薄燃烧下的混合气分层作出了大量研究，大部分研究结果表明，未燃甲醇及甲醛排放是点燃式缸内直喷甲醇发动机的主要问题[6-8]。目前国内外学者针对甲醇发动机主要研究了甲醇及不同甲醇掺混比例的甲醇汽油在点燃式发动机上的燃烧及常规排放物[9-10]，很少有学者关注未燃甲醇及甲醛等非法规排放物的排放特性。

受技术条件限制，目前对甲醇发动机尾气中未燃甲醇及甲醛检测较为困难[11]，因此很难在试验中对甲醇发动机未燃甲醇及甲醛生成机理进行系统研究。基于甲醇发动机冷起动困难及非法规排放高问题，本研究运用 AVL-Fire软件耦合甲醇氧化反应机理，研究不同燃空当量比(φ)对甲醇发动机燃烧及非法规排放物的影响。

1 甲醇化学反应动力学机理的建立及验证

1.1 甲醇化学反应动力学机理

化学反应动力学不仅要研究化学反应内外因对化学反应速率与过程的影响，还要揭示其宏观与微观的机理，建立总反应与基元的理论。目前甲醇氧化反应机理研究应用最广泛的是Grotheer等[12]研究的甲醇化学反应机理，但是由于其机理涉及的物质及基元反应过多，一般的计算硬件条件很难满足，限制了其在工程应用的推广。天津大学的Zhen等[13]在前人的研究基础上对甲醇详细氧化机理进行了简化，得到了包含21种物质与93个基元反应的机理，该氧化机理得到大量的台架试验验证。

1.2 计算方法

本研究基于一款经柴油机改装的缸内直喷点燃式甲醇发动机，使用三维仿真软件AVL-Fire耦合Zhen的甲醇氧化机理进行模拟计算。模拟计算所选的计算模型与发动机的参数见表1和表2。其中模拟计算的边界条件均为环境温度。

表2 发动机主要相关技术参数

甲醇较大的汽化潜热值导致蒸发困难，且相同负荷条件下，甲醇喷射量远远大于柴油的喷射量，且甲醇的润滑效果差，会对喷嘴产生磨损。为减少甲醇对喷嘴的磨损并在火花塞附近形成较浓的混合气以助着火。对喷油器进行改造，将4孔喷嘴改为7孔非均匀喷嘴，改进后的喷嘴见图1。

图1 油束分布

为减少计算工作量，对CFD模型进行了简化，仿真只模拟了从进气门关闭时刻到排气门打开时刻，对应的曲轴转角为160°BTDC，-130°BTDC。进气门关闭时刻的涡流比可以通过AVL-Boost软件对缸内气流运动的涡流比模拟计算得到，然后将模拟计算的涡流比对进气门关闭时刻的缸内气流运动进行赋值。模型的网格划分通过软件自带的Fame Engine Plus模块进行划分，不同曲轴转角下的动态网格见图2。

1.3 模型的验证

模型的有效性主要通过缸内燃烧压力与放热率进行验证。模型验证所用的试验工况为发动机冷起动工况，燃空当量比为0.67，点火正时为14°BTDC，喷油正时为45°BTDC，模拟计算所使用的甲醇喷油量与试验一致。试验中的缸内燃烧压力的采集使用灵敏度为-260 pC/MPa的SYC04A石英晶体压力传感器，以及DF3电荷放大器。图3示出缸内燃烧压力和放热率仿真计算与试验值对比。从图3可以看出，模拟计算值与试验值吻合较好，且其他相关的燃烧及排放特性也得到了大量试验的验证以确保计算的准确性[14-15]。

图3 模拟结果与试验结果对比

2 结果与分析

计算模型选定的研究工况：发动机转速为1 600 r/min，点火正时为14°BTDC，喷油正时为45°BTDC，燃空当量比可变范围在0.3～0.7之间。

2.1 燃空当量比对混合气浓度分布的影响

图4示出点火时刻不同燃空当量比下缸内混合气的浓度分布。从图4可以看出，当燃空当量比为 0.33时，火花塞附近区域混合气浓度较低，且在远离火花塞区域出现大面积稀薄区域，随着燃空当量比的增加，火花塞附近形成的混合气浓度增大，且远离火花塞的混合气稀薄区域的混合气浓度也有所增加。当整体燃空当量比为0.67时，火花塞附近区域最浓混合气燃空当量比为0.95，且缸内的混合气稀薄区域较小。原因是每循环进入缸内的空气是一定的，随着燃空当量比的增加，每循环喷入缸内的甲醇量增加，因此甲醇的蒸发量也相应增加，在缸内涡流及特殊喷嘴的共同作用下，在火花塞附近聚集的混合气浓度也相应相加；同时由于混合气扩散，在远离火花塞油束稀少区域也不存在混合气过稀的情况。

图4 燃空当量比对甲醇混合气浓度分布的影响

2.2 燃空当量比对缸内燃烧的影响

图5至图7分别示出不同燃空当量比下的缸内压力、最大缸内压力及相位。从图中可以看出，随着整体燃空当量比的增加，缸内燃烧压力及最大缸内压力明显增加，且最大缸内压力相位推迟。分析原因：当燃空当量比增加，火花塞附近聚集的混合气逐渐变浓且缸内混合气稀薄区域较小，有利于缩短滞燃期；较高的混合气浓度能够提高火焰传播速度；混合气浓度较高时喷油量较多，燃料燃烧放出较多热量使得缸内燃烧压力及最高燃烧压力都较高，当燃空当量比由0.33提高到0.67时缸内燃烧压力峰值升高65%。在速燃期，较高的燃空当量比能够使缸内较高的放热率持续的时间也更长，因此较高的燃空当量比下缸内燃烧压力峰值出现的时刻也会稍微推迟。

图5 不同燃空当量比下的缸内压力

图6 不同燃空当量比下的最大气缸压力

图7 不同燃空当量比下最大气缸压力相位

图8示出不同燃空当量比下缸内燃烧放热率。从图8可以看出，随燃空当量比的增加，放热率峰值增加，当燃空当量比由0.33增加到0.67时放热率峰值升高72%。分析原因：由图4可知当燃空当量比为0.33时，火花塞附近的混合气浓度较稀且缸内存在大面积的混合气极度稀薄区域，当燃空比增大，火花塞附近混合气浓度增大，且缸内混合气极度稀薄区域面积减小，当整体燃空当量比增加到0.67时火花塞附近燃空当量比达到0.95。因此，燃空当量比增大，火花塞附近区域混合气浓度增大，同时缸内整体混合气浓度分布也得到改善，能够有效改善缸内混合气的燃烧，所以燃空当量比增大时缸内燃烧放热率增大。

图8 不同燃空当量比下的放热率

图9至图11分别示出不同燃空当量比下缸内燃烧温度及-20°BTDC，-40°BTDC时缸内温度的分布。从图9可以看出，燃空当量比增大时缸内燃烧温度及最高燃烧温度均增大；从图10和图11可以看出，燃空当量比增大，火花塞附近高温区域的温度增大且远离火花塞低温区域面积逐渐缩小。燃空比为0.33时，火花塞附近温度较低，远离火花塞的低温区域温度低至900 K；燃空当量比增大到0.67时，火花塞附近的温度最高可达1 900 K，且远离火花塞区域没有温度过低的情况。分析原因,燃空当量比增大，火花塞附近混合气浓度增大，且远离火花塞的混合气稀薄区域面积得到有效减小，能够有效改善缸内混合气燃烧。

图9 不同燃空当量比下的缸内温度

图10 -20°BTDC下缸内温度场

图11 -40°BTDC下缸内温度场

2.3 燃空当量比对非法规排放的影响

图12 不同燃空当量比下的未燃甲醇及甲醛排放

从图13可知，当燃空当量比为0.33时，整个燃烧阶段甲醛浓度逐渐升高，但当燃空当量比增大到0.4以上时，甲醛浓度的变化表现为在燃烧初期逐渐升高，随后显著减低到较低水平。分析原因：甲醛是甲醇的燃烧中间产物，甲醛的消耗主要取决于高温条件下的甲醛氧化量，当燃空当量比为0.33时，整个燃烧阶段缸内燃烧温度都处于较低水平，由Arrhenius定律可知，甲醛的氧化速率在温度高于1 500 K时才会显著升高，因此，缸内燃烧温度低于1 500 K时，甲醛不能够得到有效氧化，所以整个燃烧阶段甲醛浓度一直升高。当燃空当量比大于0.4时，缸内燃烧温度在-20°BTDC附近超过1 500 K，因此甲醛能够得到有效氧化，甲醛浓度显著降低；当曲轴转角大于-40°BTDC 时，由于缸内燃烧温度低于1 500 K，因此甲醛浓度将不再继续降低，基本维持不变。

图13 不同燃空当量比下的甲醛浓度

图14至图16分别示出排气门开启时刻的未燃甲醇浓度、甲醛浓度及温度场。从图中可以看出，未燃甲醇和甲醛主要集中在缸内燃烧温度较低的区域，尤其是在低温区域的气缸壁附近区域。分析原因是，在低温燃烧区域混合气较为稀薄，混合气燃烧不完全，容易产生较多的未燃甲醇及甲醛，同时由于温度较低，甲醛不能得到有效氧化，导致甲醛浓度上升。在温度较低的靠近气缸壁附近，混合气浓度偏低，加上气缸壁的壁面冷激效应，导致在低温区域气缸壁附近区域产生大量的未燃甲醇和甲醛。

图14 排气门开启时刻的甲醛浓度分布

图15 排气门开启时刻的未燃甲醇浓度分布

图16 排气门开启时刻的缸内温度分布

3 结论

a) 采用7喷孔非均匀分布的喷油嘴,能够有效增大火花塞附近的混合气浓度，当燃空当量比增大，火花塞附近的混合气浓度增大，且大于缸内混合气平均浓度；

b) 增大燃空当量比能够改善缸内混合气浓度分布，改善燃烧效果比较明显，当燃空比由0.33增大到0.4时，缸内燃烧压力、放热率、温度均显著升高；

c) 增大燃空当量比能够降低未燃甲醇及甲醛浓度，当燃空当量比由0.33增大到0.4时，缸内燃烧温度显著升高，甲醛能够得到快速氧化，甲醛浓度显著减小；

d) 未燃甲醇及甲醛浓度较高区域主要集中在缸内温度较低区域。