甲醇-汽油复合喷射发动机燃烧排放性能研究

王睿鑫，蒋炎坤，何都

(华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

能源危机和环境保护已是我国所面临的最大挑战之一[1-2]。甲醇燃料作为最接近理想替代燃料的能源，具有资源丰富、稳定、可再生、辛烷值高、燃烧速度快、着火极限范围大、污染物生成量少等优点[3-4]。国内外对甲醇燃料在内燃机上的应用开始于二十世纪七八十年代。杨名华等[5]采取了提高压缩比并且加热进气空气的方法成功起动压燃式甲醇发动机，并与柴油机做了对比，结果表明，甲醇压燃能够有效地降低NOx排放量，能耗则与柴油机基本持平。姜立勇等[6]在1台点燃式发动机上进行燃用纯甲醇的性能、效率、燃烧、排放试验，结果表明，稀燃和提高压缩比有利于提高甲醇发动机的性能和效率，通过进气加热的措施能够实现稀燃和高压缩比的结合。李本正等[7]将1台柴油机改装为甲醇直喷点燃式发动机，在低负荷下采用稀燃保证经济性，在高负荷下采用均质混合气保证动力性。张霞等[8]利用发动机模拟软件boost耦合化学动力学软件Chemkin，分析了不同比例甲醇汽油的甲醛排放与NOx排放情况，结果表明，甲醛排放随甲醇含量的增加线性增大，NOx排放受到空燃比和燃烧温度的影响。蒋炎坤等[9-10]在汽油掺烧甲醇裂解气发动机上做了试验与数值模拟，在较小的替代比下，随着甲醇裂解气的增加，发动机动力性有所下降，但是燃烧速度加快，发动机经济性有所提升，另外，CO排放呈先降低后增加的趋势，HC排放下降，而NOx排放增加。宫长明等[11]通过数值模拟的方法研究了点火时刻对纯甲醇发动机非常规排放物的影响规律，结果表明，适当提前点火能够有效降低非常规排放。上述研究主要集中于纯甲醇燃料，对于汽油和甲醇掺混燃料的研究则主要集中于小替代比下的掺混；另外，大部分研究是以体积计算替代率保证喷油期不延长，由于甲醇燃料质量热值仅为汽油的45.2%左右，使得掺混甲醇燃料后动力性有所下降。有鉴于此，本研究采用热值替代比并结合CFD仿真技术研究了复合喷射系统(MPI+GDI)下不同比例甲醇-汽油燃料的缸内物理特性及其对发动机燃烧排放性能的影响。

1 发动机建模与试验验证

以某直喷汽油发动机为研究对象，在其进气道上设置低压喷醇系统，实现进气道喷射甲醇与缸内直接喷射汽油的MPI+GDI复合喷射系统。具体参数设置如表1所示，GDI喷油器各束油雾方向由30 mm竖直落点试验数据确定。将其三维几何模型保存为STL格式并导入CFD程序中，在程序中对发动机各部分进行定义。该模型采用Liu的56种物质、168种反应的骨架机理[12]，该机理加入了Li的甲醇氧化机理[13]，可应用于汽油-甲醇混合燃料发动机的数值模拟[14]。湍流模型采用了RNGk-ε湍流模型，喷雾模型采用KH-RT模型，蒸发模型采用Frossling模型，NOx排放模型为扩展的Zeldovich模型。发动机初始边界条件由相关文献和经验数据获得[15]，缸盖温度为600 K，活塞温度为550 K，缸壁温度为475 K。根据该机型燃用纯汽油的试验数据[16]对该仿真模型进行了标定，在1 750 r/min，进气道压力为190 kPa时,纯汽油燃料在当量比为1情况下的模拟缸压曲线与试验缸压曲线如图1所示。可以看出：缸内压力的整体趋势相符，最大缸压及其对应的曲轴转角也基本一致，最大缸压误差为0.27%，所对应的曲轴转角仅相差1.01°。由此可见，所建立的CFD模型能够准确反映实际的缸内燃烧状况，可以作为研究的基础。计算工况：转速为2 000 r/min，进气道压力为101.3 kPa，缸内喷射相位为400°ATDC，进气道喷射中点为363°ATDC，点火提前角为-10°ATDC。利用热值替代比计算甲醇与汽油的替代关系，例如：M0燃料代表纯汽油燃料，M20燃料代表甲醇占燃料总热值的20%，不同替代比下的燃料喷射质量如表2所示。

表1 MPI+GDI喷油参数设置

图1 缸压的计算值与试验值对比

表2 不同替代比对应的每循环燃料喷射质量

2 计算结果分析

2.1 MPI+GDI对混合气温度的影响

图2a示出了从进气门开启到点火之前不同甲醇替代比下的缸内平均温度变化。图2b示出了点火时刻不同甲醇替代比下的缸内温度。图2c示出了点火时刻缸内未蒸发燃料质量。由图2a可以看出，随着进气量的逐渐增大，在390°ATDC～400°ATDC之间不同甲醇替代比下出现了最大温差。这是因为，随着甲醇替代比的增加，甲醇喷射时刻不断提前，在未开阀前，甲醇在进气道内已经汽化吸热使得进气道温度变低，气门开启后温度较低的进气道空气与缸内气体混合使缸内平均温度降低较大。除此之外，部分在进气道内未汽化的甲醇与开阀喷射的甲醇在缸内进一步汽化，使得此时不同甲醇替代比的缸内温度出现最大温差。在400°ATDC之后，缸内温差逐步缩小，这是因为此时汽油直喷进入缸内，甲醇替代比低的工况汽油直喷量较大，缸内温度较高，汽油的大量汽化吸热降低了缸内温度导致温差逐渐减小，但是由于燃料质量、汽化潜热和饱和蒸气压的差距，甲醇替代比越高，缸内温度越低。随后的一段时间内缸内的温度处于350 K以下，这使得之前未汽化的燃料汽化速率有所下降。在缸内处于压缩行程之后温度有所提升，此时部分未汽化的汽油燃料汽化速度加快，因此缸内温差逐步缩小。由图2b可知，在点火时刻，不同甲醇替代比下的温度变化出现了不同的趋势。替代比由0%增大到20%，缸内温度下降了6 K左右，这是甲醇冷却特性的一个充分体现。但是随着甲醇替代比的增加，由20%增大到60%时，缸内温度只下降了4 K左右，此时的甲醇冷却性能已经无法完全体现。在60%以后，随着甲醇替代比的增加，缸内温度甚至出现了上升的情况，这说明此时缸内已经出现了部分过冷区，无法使燃料充分汽化，甲醇的冷却性能已经无法体现。图2c进一步验证了上述结论。在0%～40%甲醇替代比变化情况下，缸内燃料未蒸发质量较低，在0%替代比时燃料蒸发较为完全，在20%～40%范围内，缸内未蒸发质量不断提高，缸内温度下降范围有限；在替代比为60%以上时，缸内出现部分过冷区使得更多燃料在点火时刻还未蒸发，有可能形成悬浮的液滴或者缸壁上的油膜，这将影响燃烧排放特性。

图2 不同掺烧比下的缸内温度变化和未蒸发燃料质量

2.2 MPI+GDI对燃烧过程的影响

图3示出了不同甲醇替代比下的缸内压力和放热率随曲轴转角的变化。总体来看，随着甲醇替代比的逐渐增加，缸内峰值压力逐渐增加，主要原因是甲醇燃料层流火焰传播速度更高，整体燃烧放热过程更加集中。但是随着甲醇替代比的增加，峰值缸压增长率有所放缓，M20燃料最大峰值相比于M0燃料最大峰值增加了19.84%，但是M100燃料最大峰值相比于M80燃料最大峰值仅增加了1.65%，这与点火前缸内温度较低且燃料蒸发不完全有关。除此之外，随着甲醇替代比的增加，峰值缸压所对应的曲轴转角不断提前，这也是因为甲醇燃料的层流火焰速度较高，整个燃烧放热过程更加提前。由缸内燃烧放热率曲线可见，随着甲醇替代比的提高，燃烧放热率峰值不断增加，仍然是在较小甲醇替代比时放热率峰值增长较快，M60以后增长趋势较为平缓。主要原因是甲醇替代比较高时燃烧前缸内温度较低，部分燃料未蒸发形成可燃混合气，这对燃烧放热速率有所影响。随着甲醇替代比的提高，放热率峰值所对应的曲轴转角不断提前，使得燃烧放热更加接近于燃烧上止点，发动机等容度有所提高，但是较高甲醇替代比使得部分燃料在燃烧上止点前就已经燃烧放热，这将恶化发动机动力性和经济性。

图3 不同甲醇替代比下的缸内压力和放热率曲线

由图4看出，在-5°ATDC之后，不同替代比下缸内的温度出现了较大的差别，大甲醇替代比使得缸内温度快速提升。在0°ATDC时，M0才有了明显的温度提升，这也表明了甲醇火焰传播速度高于汽油。在之后的燃烧过程中，甲醇替代比越高，缸内火焰传播速度越快，温度提升速度越快，但是在8°ATDC时，M100火焰传播到了缸壁附近，大部分燃料已经燃烧，缸内平均温度此时达到峰值之后开始下降，而此时较小的甲醇替代比燃料还处在主要燃烧阶段，缸内温度处于上升期。在20°ATDC时，M0火焰传播到了接近缸壁的位置。M20缸内温度峰值较M0提升了101 K，但是继续提升甲醇替代比，缸内温度峰值并没有较大的提升。排气温度随着甲醇替代比的提升有所下降，这主要是因为甲醇替代比越高燃烧相位越靠前，低甲醇替代比燃烧等容度差，后燃严重。

图4 不同甲醇替代比下的缸内温度曲线

图5示出了不同甲醇替代比下的燃烧持续期、滞燃期和燃烧中心(θCA50)。滞燃期定义为从点火开始到累计放热量达到10%所经过的曲轴转角。燃烧持续期定义为从累计放热量达到10%到累计放热量达到90%所对应的曲轴转角。θCA50定义为累计放热量达到50%所对应的曲轴转角。随着甲醇替代比的提高，滞燃期不断缩短，燃烧持续期也不断缩短，这主要与甲醇的火焰传播速度高于汽油有关，燃烧更为充分，整体燃烧速度较快。但是在较大甲醇替代比之后(M60以后)燃烧持续期缩短趋势有所减弱，这主要是因为甲醇汽化潜热高，使得缸内燃烧温度在较大甲醇替代比时温度峰值已经达到极限。随着甲醇替代比的提高，θCA50逐渐提前靠近上止点，主要原因还是因为甲醇燃料较短的滞燃期和较大的层流火焰传播速度使得整个燃烧中心提前。

图5 不同甲醇替代比下的滞燃期、燃烧持续期和θCA50

2.3 MPI+GDI对排放的影响

2.3.1对NOx排放的影响

图6示出了不同甲醇替代比下缸内NOx质量的变化。缸内NOx质量在火焰开始传播之后经历了一个迅速上升然后略有下降最后平稳的过程。随着甲醇替代比的提高，NOx的生成量不断变大。这可以用Extended Zeldovich model解释，其中最重要的反应如式(1)所示：

(1)

该式正方向的反应条件为温度2 000～5 000 K，从反应式本身来看需要一定的氧浓度，6种不同燃料都是在当量比条件下进行燃烧的，因此，造成NOx生成量有所不同的主要原因在于燃烧温度的不同。甲醇替代比越大，缸内燃烧速度越快，温度上升速率越快，此时NOx生成速率也越快，因此，NOx峰值也随甲醇替代比的增加而逐渐增加，并且出现时刻也越来越早。随后NOx生成量有所下降，主要是因为燃烧过后氧气浓度迅速下降，反应式负方向反应速率提高；其次，缸内整体温度下降，正方向反应速率下降。在温度下降到2 000 K以下之后，NOx生成量逐渐平稳。

图6 不同甲醇替代比下缸内NOx质量的变化

图7示出了不同甲醇替代比燃料燃烧过程中NOx质量分数变化规律。普遍认为，NO的生成速度小于火焰传播速度，因此，NO主要生成于已燃区，在火焰前锋面上只有少量NO生成。在-10°ATDC时，火花塞开始点火，在0°ATDC之后，火焰开始逐渐向外传播，生成NOx的区域也随着火焰的传播逐渐扩大。在5°ATDC时，由于不同替代比燃料的火焰传播速度不同，替代比越大的燃料此时生成NOx的区域也越大，基本集中于已燃气体区，在火焰前锋面上能看到明显的NOx梯度。随后，在15°ATDC时，由于缸内燃料分布不均匀性，火焰传播出现靠近喷油器一侧速度快、另一侧速度慢的现象，因此，NOx生成区域也集中在气缸中部与喷油器一侧。在25°ATDC时，火焰也逐渐传播到了远离喷油器一侧，但是由于该处当量空燃比较低，缸内温度低于喷油器一侧，所以，在远离喷油器一侧NOx生成量小于喷油器一侧。整体来看，随着甲醇替代比的提高，缸内火焰传播速度加快，NOx生成区域扩大，NOx生成量有所提高。由于燃料分布的不均匀性，缸内远离喷油器一侧的NOx生成量小于喷油器一侧。

图7 不同甲醇替代比下缸内NOx质量分数变化云图

2.3.2对CO排放的影响

图8a示出了不同甲醇替代比下缸内CO质量变化趋势。由图中可以看出，在点火之后，CO在燃烧放热过程中快速生成，之后由于燃烧放热的结束，缸内CO开始被氧化而减少。最终，甲醇替代比越高，缸内CO质量越低。在燃烧放热阶段，甲醇替代比越高，CO生成速率越大。这主要是因为CO的生成是伴随燃烧过程的，高甲醇替代比的燃烧放热速度更快，但是由于高甲醇替代比整个燃烧放热过程很短，使得CO生成反应时间减少，因此，从M20到M100缸内CO峰值量依次减少。但是M0燃料的CO峰值量却小于M20，这主要是因为CO生成的主要基元反应为

(2)

而甲醇氧化过程经过了CH2O和HCO，即

(3)

图8b示出了不同甲醇替代比下HCO质量的变化趋势。由图中可以看到，HCO质量先上升后下降，说明与上述HCO先生成后消耗的反应过程相符合。随着甲醇替代比的升高，HCO峰值量有所提高，加快了CO在燃烧阶段的生成速率。因此，甲醇的加入促进了CO生成，使得M20燃料CO的峰值量大于M0燃料。但高甲醇替代比燃料由于反应时间的限制，CO峰值量小于M20燃料。此后，CO还会在缸内进一步氧化为CO2，其基元反应为

(4)

可见，CO的生成与消耗在燃烧阶段是同时进行的。在燃烧放热结束后，CO氧化速率大于其生成速率，CO质量开始下降，最终高甲醇替代比燃料CO质量低于低甲醇替代比燃料，主要原因有两个：首先，高甲醇替代比燃料的燃烧放热阶段结束早，其CO质量下降阶段早于低甲醇替代比燃料，使得CO有更加充裕的时间进行氧化；其次，由图8c可以看出，高甲醇替代比燃料缸内OH峰值量高于低甲醇替代比燃料，主要是因为甲醇燃料本身含有羟基，这有助于CO的氧化反应，OH质量稳定之后，甲醇替代比越大缸内OH质量越低，说明随着甲醇替代比的提高，缸内CO氧化反应更加充分。因此，随着甲醇替代比的提高CO排放量不断降低。

图8 不同甲醇替代比燃料燃烧过程CO、HCO、OH的生成质量

2.3.3对未燃THC排放的影响

图9示出了在100°ATDC时不同甲醇替代比下缸内THC质量和甲醇质量。由图中THC质量可以看出，随着甲醇替代比的提高，THC生成量显著提升，其中甲醇占了THC的很大一部分。对于M20～M100，甲醇占THC总量都在95%以上，由此可见，加入甲醇之后THC排放的增加主要是因为未燃甲醇排放的增加。

图9 不同替代比下THC生成量和甲醇生成量

图10示出了不同甲醇替代比下缸内甲醇质量分数变化规律。在不掺烧甲醇的M0燃烧工况中，甲醇主要产生在远离喷油器一侧接近缸壁的位置，主要是因为该处的混合气较稀，燃料在此处难以完全燃烧，另外，该处接近缸壁，在缸盖壁面、喷油器附近壁面和火花塞缝隙中也看到少量甲醇的生成，这主要是因为低温壁面的激冷作用和狭隙效应。在20°ATDC时，高甲醇替代比的燃料已经结束了火焰传播阶段，因此缸内甲醇质量分数较低，而低甲醇替代比的燃料火焰传播到了接近缸壁的位置，因此，在火焰前锋面和缸壁附近存在部分甲醇。到40°ATDC时，火焰都已经传播完毕，甲醇替代比越高缸内甲醇量越大，主要因为缸内燃烧不充分，仍有剩余甲醇聚积在火焰传播困难的缸壁附近；另外，甲醇替代比越高缸内未蒸发甲醇液滴越多，在经过缸内高温后，有部分未蒸发甲醇蒸发为气体甲醇。随着活塞的下行，未燃甲醇质量更多，范围更大，主要是因为在甲醇进入缸内时，部分燃料在缸壁上形成液膜，随着缸内高温高压过程以及经过一定的时间之后，缸内甲醇液膜蒸发为气体甲醇，随着活塞下行的缸内气流逐渐扩散到缸内其他部分，由图可以看到，缸内液膜主要分布在远离喷油器一端的缸壁和活塞上，逐渐蒸发扩散到缸内其他范围。

图10 不同甲醇替代比下缸内甲醇质量分数云图

3 结论

a) 不同甲醇替代比下缸内温差经历了先扩大后缩小、又扩大又缩小的过程，这主要是因为甲醇和汽油的喷射方式不同且饱和蒸气压存在区别；M60～M100燃料在点火时刻已经出现了过冷现象，由于过冷的原因，M60～M100燃料未蒸发液滴在缸内大幅增加，这将影响缸内燃烧排放状况；

b) 随着甲醇替代比的不断提高，缸内压力峰值不断上升，燃烧放热率峰值不断上升，温度峰值不断上升，所对应的曲轴转角不断提前，滞燃期、燃烧持续期缩短，θCA50有所提前，但是进一步增大甲醇替代比后温度峰值不再上升；

c) 随着甲醇替代比的不断提高，缸内NOx排放不断提高并集中于喷油器一侧，THC排放有所升高，主要成分为未燃甲醇。