进气温度对甲醇发动机燃烧及醇醛类排放影响研究＊

宫宝利 彭乐高 宫长明 孙景震 张成博

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.东风日产技术中心，广州 510640；3.车辆排放与节能重庆市重点实验室，重庆 401122；4.大连民族大学，大连 116600；5.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130025；6.东风汽车公司技术中心，武汉 430056）

主题词：点燃式甲醇发动机 冷起动 燃烧 排放 进气温度

1 前言

2016年国家环保部和国家质检总局联合发布了法规《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，而为满足国Ⅵ法规排放限值要求，车辆需要装备催化器及颗粒捕集器(Gasoline Particulate Fil⁃ter，GPF)，这给汽车企业带来了巨大的技术挑战及经济压力，因此寻求一种可持续发展的清洁替代燃料迫在眉睫。

与传统化石燃料相比，甲醇燃料来源丰富且具有石油基燃料相似的理化性质，是21世纪最具潜力的替代燃料之一[1,2]。甲醇发动机具有超低的气态污染物排放且不产生炭烟[3-7]，然而尾气中却含有对人体健康损害较大的醇醛类物质，已被欧美等国列为重点污染物[8]，此类非法规排放物已成为制约甲醇发动机发展的关键问题。甲醇的汽化潜热远大于汽油，因此甲醇发动机冷起动困难，研究发现测试循环中70%以上的非法规排放产生于冷起动阶段[9]。目前国内外对甲醇发动机研究主要集中在CO、NOx、HC的研究，对醇醛非法规排放物研究很少[10-11]。为此，本文针对甲醇发动机冷起动醇醛类非法规排放较高的问题，通过对进气的预热，研究不同进气温度对甲醇发动机冷起动过程中燃烧、甲醛及未燃甲醇非法规排放的影响。

2 化学反应机理及计算方法

2.1 甲醇化学反应动力学机理

甲醇化学反应机理计算复杂，对计算硬件条件要求高且计算量大，不利于工程应用。天津大学Zhen XD等人[12]对甲醇化学反应机理进行了简化，获得了包含21种物质的93个基元反应的氧化机理，并通过大量台架试验验证了简化机理的可靠性，完全满足计算精度要求。

2.2 计算方法

以一款经柴油机改装的缸内直喷甲醇发动机为研究对象，表1为改装前、后发动机的主要技术参数。利用AVL-FIRE软件耦合简化甲醇氧化反应机理的方法完成模拟计算，模拟计算模型选择Huh/Gosman喷雾破碎模型、Walljet碰壁模型、Dukowicz蒸发模型、k-zeta-f湍流模型、Spherical火焰模型、General gas phase reactions燃烧模型。模拟计算边界温度统一设置为环境温度266 K。

表1 改装前、后发动机技术参数

为改善甲醇发动机冷起动，对原发动机（柴油机）进行了压缩比和喷油器的改造。压缩比由16改为14；为在火花塞附近区域聚集大量较浓混合气以改善甲醇发动机冷起动性能，将原发动机4喷孔均匀布置喷油器改为7喷孔非均匀分布喷油器；为改善甲醇雾化，通过相关理论计算并结合试验及经验，将原发动机喷孔直径由0.33 mm改为0.3 mm。改进后的喷孔油线分布及喷雾如图1所示。

图1 改进后的喷孔油线分布及喷雾

为减少计算量，对发动机模型进行简化，只计算进气门关闭时刻到排气门打开时刻（-160～130°ATDC）的缸内燃烧过程。为精确计算进气门关闭时刻缸内涡流强度，通过AVL-BOOST软件对缸内气流运动涡流比进行模拟计算，然后利用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。三维模型动态网格采用Fame Engine Plus，如图2所示，包含了355 015个单元。

图2 三维模型动态网格

2.3 模型验证

为确保模型计算精度，对计算的缸内压力与试验值进行了对比。验证工况选择过量空气系数为1.5，点火正时为-14°ATDC、喷油正时为-45°ATDC。试验时采用灵敏度为-260 pC/MPa的SYC04A石英晶体压力传感器及DF3型电荷放大器测量缸内压力，结果如图3所示。由图3可看出，模拟结果与测量结果吻合较好，误差为3.15%，满足计算精度要求。

图3 气缸压力模拟值与试验值对比曲线

3 计算结果及分析

在环境温度为266 K、发动机转速为800 r/min、过量空气系数为1.5、点火正时为-14°ATDC、喷射正时为-45°ATDC时，研究不同进气温度对甲醇发动机冷起动燃烧及非法规排放影响。

3.1 不同进气温度对混合气浓度分布的影响

图4为不同进气温度下缸内混合气浓度分布，从图4可看出，当进气温度为283 K时，缸内混合气浓度整体处于较低水平，火花塞附近混合气浓度很低，且存在大面积混合气极度稀薄区域；当进气温度增大到293 K时，缸内混合气浓度显著升高，且在火花塞附近混合聚集了大量较浓混合气，同时混合气极度稀薄区域面积显著减小；随着进气温度进一步提高，混合气浓度分布改善不明显。分析其原因为，冷起动过程中发动机缸体温度为环境温度，当进气温度为283 K时，气缸壁面及缸内温度较低不利于甲醇的蒸发，尤其是当甲醇碰壁后造成严重湿壁，甲醇蒸发量很少，少量的甲醇混合气在缸内涡流作用下被吹散，导致混合气浓度分布不均匀；随着进气温度升高，能够有效促进甲醇的蒸发，极大增加甲醇蒸发量，缸内混合气浓度得到明显提高，火花塞附近混合气浓度也明显得到改善，同时由于进气温度升高缸内气体扩散运动变强，促进了混合气扩散，有效减小混合气超稀薄区域；当进气温度高于313 K时，受蒸发及缸内涡流强度限制，提高进气温度对缸内混合气浓度及分布改善不明显。

3.2 不同进气温度对燃烧滞燃期影响

本文将滞燃期定义为从火花塞开始点火到累积放热率达10%时的曲轴转角，通过origin软件对放热率曲线进行积分计算求得滞燃期所对应的时间。

图4 不同进气温度下缸内混合气浓度分布

图5为不同进气温度时的滞燃期，从图5可看出，当进气温度为283 K时，滞燃期达15.6°CA，当进气温度提高到293 K时，滞燃期缩短至14.3°CA，缩短了1.3°CA；继续提高进气温度，滞燃期继续缩短但效果不明显，进气温度每升高10 K滞燃期缩短幅度都在0.3～0.4°CA之间。分析其原因为，当进气温度由283 K升高到293 K时有效促进了缸内甲醇的蒸发，缸内混合气浓度明显升高，同时在缸内涡流的作用下缸内混合气分布更加理想，在火花塞附近区域混合气浓度也得到有效改善。缸内温度和混合气分布的有效改善使得燃烧滞燃期明显改善，缩短了1.3°CA；当进气温度继续升高，混合气浓度分布改善不明显，使得滞燃期缩短不明显。

图5 不同进气温度时的滞燃期

3.3 不同进气温度对气缸压力和缸内温度的影响

不同进气温度时的缸内压力、放热率峰值、缸内燃烧温度分别如图6～图8所示。由图6和图7可看出，当进气温度为283 K时，最高气缸压力为5.58 MPa，最大放热率为113 J/°CA；当进气温度升高到293 K时，最高气缸压力和最大放热率分别达到6.17 MPa和133 J/°CA，比进气温度为283 K时分别升高了0.59 MPa和20 J/°CA，升高比较明显；随进气温度继续升高，缸内最高气缸压力和最大放热率升高不明显，缸内压力增长幅度为0.06～0.24 MPa。从图8可看出，当进气温度为283 K时，缸内最高燃烧温度为1 223 K；当进气温度升高到293 K时，最高燃烧温度升高至1 388 K,比进气温度为283 K时提高了165 K；随进气温度继续上升，最高燃烧温度上升不明显，其增长幅度为60～91 K。分析其主要原因为，当进气温度由283 K提高到293 K时缸内温度上升比较明显，且混合气浓度分布均有很大程度的改善，极大改善了缸内混合气燃烧质量，缸内混合气燃烧更加充分，放热量剧增；当进气温度继续升高，缸内温度和混合气分布改善效果不明显，混合气燃烧质量提高不显著，放热量略增。

图6 不同进气温度时的缸内压力

图7 不同进气温度时的放热率峰值及对应曲轴转角

图8 不同进气温度时的缸内燃烧温度

3.4 不同进气温度对非法规排放影响

图9为不同进气温度时未燃甲醇及甲醛排放曲线，由图9可看出，当进气温度为283 K时，未燃甲醇浓度达6 363×10-6，甲醛浓度达506×10-6；当进气温度升高到293 K时，未燃甲醇浓度大幅度降低到3 303×10-6,下降幅度达49%，甲醛浓度也大幅度降低到348×10-6，下降幅度达32%；随进气温度继续升高到313 K，未燃甲醇和甲醛浓度降低效果比较明显；当进气温度提高到313 K以上时，继续提高进气温度对降低未燃甲醇和甲醛浓度作用不明显，原因如下。

a.未燃甲醇浓度主要由燃烧质量决定，燃烧越充分未燃甲醇越少。氧化机理揭示甲醇的氧化主要由基元反应CH3OH+OH=CH2OH+H2O和CH3OH+OH=CH3O+H2O决定，基元反应速率主要取决于化学反应速率常数k与反应物浓度。Arrhenius通过大量试验与理论验证揭示了在恒定浓度条件下反应速率常数对温度的依赖关系，从而建立了Arrhenius定律[13]：

图9 不同进气温度时未燃甲醇及甲醛排放曲线

式中，A为指前因子；Ea为Arrhenius活化能；k为速率常数；R为摩尔气体常量；T为热力学温度。

由式（1）可知，甲醇氧化反应速率随温度升高而增大，当进气温度由283 K提高到293 K时，缸内混合气浓度、温度、压力都得到显著提高，甲醇氧化速率也极大增加，极大改善了燃烧质量，所以未燃甲醇浓度下降十分明显；当进气温度由293 K升高到313 K时，由于缸内混合气浓度、压力、温度升高趋势放缓，因此未燃甲醇浓度降低幅度也降低；当温度升高到313 K以上时，由于缸内混合气浓度、压力、温度提升幅度进一步减小，因此未燃甲醇浓度降低非常少。

b.甲醛是甲醇氧化过程中的重要中间产物，甲醛浓度主要取决于甲醇的氧化生成量及甲醛进一步氧化消耗量。氧化机理揭示甲醛生成主要由基元反应CH2OH+O2=CH2O+HO2决定，甲醛消耗主要由基元反应CH2O+OH=HCO+H2O决定[14]，由Arrhenius公式可知，混合气浓度、温度、压力升高则甲醛生成和消耗速率升高，但升高幅度不同。当进气温度由283 K升高到293 K时，混合气浓度、压力、温度显著升高，且缸内温度主要集中在1 000 K以上，甚至提高到1 160 K以上，在此温度范围内甲醛氧化速率升高幅度远大于甲醛生成速率，因此甲醛净生成量急剧降低；当进气温度由293 K升高到313 K时，缸内温度主要集中区域介于1 160～1 339 K，在此温度范围内甲醛生成和氧化速率都增加，但增加幅度差距不大，因此甲醛生成量降低幅度不大；由图8可以看出，当进气温度提高到313 K以上时，缸内温度主要集中在1 400 K以上，此时甲醛生成速率和氧化速率增加幅度差距很小，因此当进气温度提高到313 K以上时，提高进气温度对降低甲醛浓度效果很小。

4 结束语

a.提高进气温度能够缩短冷起动滞燃期，当进气温度由283 K升高到293 K时滞燃期缩短1.3°CA，继续升高进气温度，进气温度每升高10 K滞燃期缩短0.3～0.4 °CA。

b.提高进气温度能够改善冷起动燃烧，当进气温度由283 K提高到293 K时，缸内最高气缸压力、最大放热率和最高燃烧温度分别提高0.59 MPa、20 J/°CA和165 K，继续提高进气温度对燃烧改善作用减弱。当进气温度超过313 K时，提高进气温度对改善燃烧效果不明显。

c.提高进气温度能够降低未燃甲醇和甲醛排放，当进气温度由283 K升高到293 K时，未燃甲醇和甲醛排放大幅降低，下降幅度分别达49%和32%，继续提高进气温度对降低未燃甲醇和甲醛浓度作用明显减弱。当进气温度高于313 K时，提高进气温度对降低未燃甲醇和甲醛浓度作用很微弱。