进气氧气浓度对甲醇发动机燃烧性能影响

摘要：在一台经过1130单缸柴油机改造的直喷火花点火甲醉发动机上，利用商用CFD模拟软件AVL-FIRE通过模拟计算分析了进气氧浓度对缸内直喷点燃式甲醉发动机冷起动首循环燃烧的影响。结果表明：提高进气氧气浓度缸内燃烧压力略微升高，但是缸内燃烧放热率和缸内燃烧温度明显升高。

关键词：进气氧浓度;直喷甲醉发动机;燃烧温度;燃烧压力;放热率

中图分类号：TK411 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）22-0212-02

1 引言

自20世纪90年代开始，国内汽车工业得到飞速发展，国内汽车保有量屡创新高，但是巨大的汽车保有量又给环境及能源问题带来了极大压力。寻找一种清洁替代燃烧迫在眉睫。在能源问题日益严峻的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[1]。点燃式发动机在燃用甲醇燃料燃烧时不产生碳烟，同时具有超低CO、NO_x、HC、PAH排放[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，造成新的环境污染，其中甲醛对人体健康伤害尤为严重，日本和欧美等国已经将一些醛类物质列人重点污染物名单[3]。经研究甲醇发动机的醇醛类排放物主要是产生于冷启动阶段，主要是和甲醇的理化特性有关，甲醇的汽化潜热是汽油的3倍，在冷启动阶段由于水温较低，发动机的机体温度也较低，为了能够使得甲醇发动机能够顺利启动需要喷射大量的甲醇以确保足够的甲醇可燃混合气;加上发动机提温度低导致甲醇混合气在发动机缸内燃烧不充分产生大量的未燃烧的甲醇及甲醇的不完全燃烧物甲醛[4～6]。因此改善冷启动阶段甲醇混合气的燃烧质量是降低醇醛排放有限手段[7]。

本文主要研究不同进气氧气含量对缸内直喷甲醇发动机的燃烧的影响，包括缸内燃烧压力，缸内燃烧温度及缸内燃烧放热率。

2 计算方法

计算采用三维商用CFD模拟软件AVL-FIRE完成。发动机具体参数如表1所示。

3 模型验证

为确保模拟计算的准确性，需要对模型的准确性进行验证，本文主要是通郭将仿真计算的边界条件设置为和试验的边际条件一致，通过对比模拟计算的缸内燃烧压力与模拟计算的更内燃烧压力进行对比分析。模拟计算与试验的对比结果如图1所示。从图1可知模拟计算得出的缸内燃烧压力与试验得出的缸内燃烧压力吻合很好，误差在5%以内，完全满足模拟计算的精度要求。

4 计算结果

本文主要研究环境温度为298K，大气压力为98.3kPa，起动转速为295r/min，过量空气系数为1.0，点火正时为-8°CA ATDC、喷油正时为-39°CA ATDC及喷油量不变条件下，不同进气氧浓度（进气氧浓度分别为0.26、0.31、0.36、0.41）对缸内直喷甲醇发动机燃烧的影响。

不同进气氧气浓度对缸内直喷甲醇发动机缸内燃烧压力的影响如图2所示。从图2可知随着进气氧气浓度的升高缸内燃烧压力略微升高，但是基本保持不变，但是缸内燃烧最高压力的位置略微推迟。分子起主要的原因是在冷启动阶段由于刚开始发动机水温以及燃烧室内的温度偏低，甲醇蒸发量少，不利于缸内甲醇混合气的燃烧，滞燃期大大加长，从而使得在上止点缸内可燃混合气燃烧量特别少，释放的燃烧化学能量也很少，不利于缸内混合气提的压力提高;同时在上止点后膨胀过程中缸内体积不断增大，也不利于压力的升高。

不同进气氧气浓度对缸内直喷甲醇发动机缸内燃烧温度的影响如图3所示。从图3可知随着进气氧气浓度的不断升高，缸内最高燃烧温度也相应升高，尤其是档进气氧气浓度质量分数从0.21上升到0.26时候缸内燃烧温度上升十分明显，温度上升接近200K;当进气氧气浓度进一步上升，缸内燃烧温度上升幅度逐渐减小。分析原因主要是进气氧气浓度提高了，氧气是助燃剂能够促进缸内混合气的燃烧，加快燃烧速率，燃耗速率越快释放出的化学能越多，缸内温度上升就更加明显。

不同进气氧气浓度对缸内直喷甲醇发动机缸内燃烧压力的影响如图4所示。

从图4可知，随着进气氧气浓度逐渐上升缸内燃烧的放热率也逐渐增大，并且放热率峰值也逐渐升高。档进气氧气质量浓度由0.21上升到0.26时缸内燃烧放热率上升最为明显，档进气氧气浓度进一步升高，放热率上升幅度减慢。分析原因是当进气氧气浓度上升，缸内氧气逐渐增多，氧气作为一种助燃剂档浓度增大能够极大从今缸内混合气的燃烧，燃烧速率越快，放热率越大。

5 结论

（1）提高进气氧气浓度对缸内燃烧压力的升高作用不显著，缸内燃烧压力升高不明显;但是随这进气氧气浓度上升，缸内燃烧最高压力点时刻会略微推迟。

（2）提高进气氧气浓度对缸内燃烧温度的提高效果比较显著，尤其是档进气氧气浓度质量分数从0.21上升到0.26缸内燃烧温度上升接近200K。

（3）提高进气氧气浓度对缸内燃烧放热率的效果比较显著，随着就亲你氧气浓度的升高缸内燃烧放热率逐渐上升，且放热率峰值也相应上升，尤其是当进气氧气浓度从0.21上升到0.26缸内燃烧放热率峰值上升显著。

参考文献：

[1]宫宝利，崔连波，彭泽高，等.喷射时刻对甲醇发动机燃烧及非法规排放的影响[J].车用发动机，2019（1）：16～20.

[2]宫宝利，彭乐高，宫长明，等.进气温度对甲醇发动机燃烧及醇醛类排放影响研究[J].汽车技术，2019（1）：43～47.

[3]孙景震.油耗测试循环中混合动力汽车48V电池电量特性研究[J].绿色科技，2019（18）：190～191.

[4]杜爱民，靳争，陈垚伊，等.直喷汽油机润滑油行驶适应性试验研究[J].车用发动机，2019（4）：78～82.

[5]王开德，韩凯凯.基于增程式电动汽车的能量管理控制策略研究[J].车用发动机，2019（3）：38～45.

[6]吕大立，李海龙，景亚兵.基于混合建模的发动机曲轴模态分析[J].车用发动机，2019（4）：47～51.

[7]彭乐高，宫长明，宫宝利，等.富氧下甲醇发动机冷起动燃烧及非法规排放[J].内燃机学报，2017，35（5）：423～428.

收稿日期：2019-11-05

作者簡介：熊卫东（1993-），男，助理工程师，主要从事排放质量监督检验工作。