压缩比对电热塞引燃甲醇发动机的影响研究

吴继盛，吴家正，秦超群，刘洪运，林易，樊宏彪

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 200092；2.上海夏雪科技有限公司，上海 200436)

随着交通运输业的快速发展，为了解决化石能源紧缺和环境污染问题，寻求清洁可再生能源已成为人们迫切的需求[1]。甲醇作为诸多替代燃料之一，凭借着来源广泛、用途多样的特点，在近年来吸引了大量的关注[2]。甲醇相比于传统化石燃料有优点也有缺点。比如甲醇辛烷值高，抗爆震性好，可以适当加大发动机压缩比以提高发动机性能、降低燃油消耗率，并且甲醇分子汽化潜热大，在发动机内燃烧时温度更低，有利于减少热损失和降低NOx排放[3]。但是甲醇十六烷值低，在压燃式发动机上难以直接压缩着火，需要其他的辅助手段帮助其着火燃烧[4]。甲醇的高着火浓度下限、低蒸气压力、高汽化潜热都使得以甲醇为燃料的发动机冷起动困难，容易产生甲醛及未燃甲醇排放[5]。尽管在内燃机上燃用甲醇还存在着诸多问题需解决，但甲醇仍然被认为是最具潜力的替代燃料之一。

柴油机因其高压缩比的特点，在动力性、燃油经济性和污染物排放上均优于汽油机，因此将甲醇应用在柴油机上逐渐成为了一个热门的研究领域。但是甲醇自燃温度达436 ℃，高出柴油燃点200 ℃以上，在柴油机中难以通过压燃的方式着火燃烧。为了解决这个问题，逐渐发展出了双燃料燃烧、柴油-甲醇组合燃烧、火花塞或电热塞助燃燃烧等多种技术手段。Yao等[6]、Wei等[7]、Soni等[8-9]和Prashant等[10]均对柴油-甲醇组合燃烧技术(DMCC)展开了研究，结果均表明在燃烧污染物排放及缸内燃烧特性方面，DMCC模式相较于传统的柴油发动机有着明显优势，DMCC模式下可以同时减少柴油机炭烟和NOx排放，并且也避免了低负荷下燃用醇类燃料的高醛类污染物排放的问题。

柴油-甲醇组合燃烧技术突破了甲醇稀混合气在柴油机上难以直接压燃的技术障碍，但是在中低负荷下主要燃料仍然是柴油，只能实现甲醇对柴油的部分替代。为了实现甲醇对柴油的完全替代，在柴油机上加装电热塞或采用火花塞辅助甲醇点火成为了一个重要手段。Gong等[11-12]和Li等[13-14]针对火花甲醇发动机低温冷起动的难点展开了研究。结果表明，进气预热和甲醇燃料预热都不能保证甲醇燃料发动机在冷起动过程中的可靠燃烧，但电阻丝和电热塞都能做到。

与火花塞助燃法相比，电热塞助燃法可以改善柴油机冷起动性能，也是辅助高自燃温度燃料在柴油机中着火燃烧的常用手段之一。早在20世纪80年代，电热塞助燃柴油机上燃用甲醇的研究便已展开，而早期的一些研究[15-17]均表明电热塞有助于解决甲醇发动机点火难的问题。Agama等[18]选择用铂涂层电火花塞催化燃烧柴油机中的甲醇，与标准不锈钢电热塞相比，催化电热塞始终将稳定燃烧所需的电热塞温度降低约 300 ℃。Kusaka等[19]研究了燃烧室形状和电热塞温度对电热塞压燃式直喷甲醇发动机着火燃烧的影响。结果表明，优化后的燃烧室可使电热塞附近甲醇浓度升高，能大幅降低未燃甲醇的产生，为保证不失火，电热塞温度必须保持在 900 ℃以上。Manente等[20]通过化学发光成像技术研究了电热塞助燃式发动机的燃烧过程。试验结果表明，电热塞辅助燃烧是一种自燃扩散燃烧，氧化过程的均匀性随发动机转速的增加而增加。虽然加装电热塞存在增加发动机缸盖的设计复杂程度、电热塞本身材质寿命及耗电问题等，但仍不失为解决柴油机冷起动问题的最优选方案。

甲醇辛烷值高，抗爆震性好，在将柴油机改装成甲醇发动机时，可以适当提高发动机压缩比来获得更佳的动力性和经济性，同时与原柴油机相比，CO,HC和NOx污染物排放也可以得到改善[21]。 但是过度提高压缩比会增大缸内爆震的可能[3]，续晗等[22]进一步揭示了这种烈性爆震现象，认为存在爆燃转爆轰和直接起爆这两种方式导致了爆轰波的形成。目前针对高压缩比甲醇发动机爆震的研究多集中于由汽油机改装而成的甲醇发动机，而缺少对高压缩比直喷甲醇发动机的研究。由于通过数值模拟研究缸内爆震过程对计算资源要求非常高，因此,本研究内容未涉及到缸内爆震的相关分析。除此之外，甲醇发动机中非常规污染物问题也值得关注，不久前，工信部等八部门发布的《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》[23]中便针对甲醇发动机中甲醇、甲醛排放限值提出了不大于20 mg/(kW·h)的控制标准。目前对这方面的试验或模拟研究都十分有限，因此本研究利用数值模拟软件Converge探索压缩比对电热塞引燃式直喷甲醇发动机燃烧及非常规排放的影响，对甲醇燃料在柴油机上的实际应用有一定的借鉴作用。

1 模型建立及验证

以一台由DH1115单缸柴油机改造而成的电热塞引燃式直喷甲醇发动机为基础，通过CFD模拟软件Converge耦合甲醇氧化详细化学动力学机理建立了计算模型[24-26]。表1和表2分别列出了甲醇与传统燃油理化性质对比以及甲醇发动机相关技术参数。模拟用到的主要物理模型和化学模型包括湍流模型(RNGk-εmodel)[27-28]、喷雾模型(KH-ACT-RT model)[29-31]、燃烧模型(SAGE详细化学求解器)[32]、蒸发模型(Frossling model)[33]。其中，SAGE详细化学求解器需要耦合化学动力学机理来进行计算，本研究参考了由Held等[34]基于试验数据提出的甲醇氧化详细机理，该机理包含了21种物质、89步反应，被广泛应用于甲醇发动机模拟计算并且得到了验证[3,11-12]。

表1 甲醇与传统燃油理化性质对比

表2 发动机主要技术参数

为了减少计算工作量，模拟过程选取从进气门关闭时刻142°BTDC开始到排气门开启时刻125°ATDC，因此，模型上不包含进气和排气过程和结构，模型及喷嘴喷孔分布见图1。Converge可以自动划分网格，并有网格自适应功能，可以在计算过程中自动调节网格疏密，减小计算量。基础网格尺寸设定为1.6 mm，并对喷油区域、电热塞表面、缸盖及活塞顶近壁面进行了网格加密，计算过程中平均网格数约为26万，最大网格数超过70万。表3列出了初始环境参数、边界参数及喷油参数设置，涡流比由Converge基于初始参数的设置自动模拟得到，甲醇喷孔呈均匀分布。

图1 燃烧室模型及喷嘴喷孔分布

表3 初始空气参数、壁面边界条件及喷油参数

参考了太原理工大学王晋[35]在一台DH1115单缸柴油机上的试验数据，选用了1 400 r/min、负荷80%工况对应的压力曲线和放热率曲线，调整模拟参数与试验参数一致，验证结果见图2。从图2可以看出模拟值与试验值吻合情况良好，可以认为本研究建立的计算模型对电热塞引燃式直喷甲醇发动机燃烧及排放情况的预测是可信的。

图2 压力及放热率的试验验证

2 结果与分析

由于发动机的压缩比是固定的，考虑到台架试验通过加工扩大活塞燃烧室来减小压缩比更容易实现，因此以原压缩比19.5的计算模型为基础，选择扩大燃烧室体积，得到了压缩比分别为16，17，18和19的计算模型。在发动机转速为 1 400 r/min下探究压缩比对电热塞引燃式直喷甲醇发动机的燃烧及排放的影响。

2.1 压缩比对甲醇空气混合情况的影响

图3示出了压缩比为16和19时，甲醇燃油当量比分布的变化情况。从图中可以看出，在曲轴转角为8° BTDC时，压缩比为16的工况下在电热塞附近形成的甲醇混合气数量明显少于压缩比为19的工况。造成这一现象的原因是压缩比为16相当于燃烧室容积较大，甲醇射流被活塞壁面引导至电热塞的行程更长，使得甲醇混合气运动至电热塞所需时间增加。从图中还可以看出，压缩比为19的工况下甲醇混合气当量比分布均匀性较好，同时在电热塞附近形成了浓度较高的甲醇混合气，而压缩比为16的工况下甲醇混合气分布均匀性不如前者，在燃烧室内存在部分低浓度区域，同时电热塞附近也未能形成浓度较高的甲醇混合气。因此增大压缩比可以提高缸内压力和温度，有助于甲醇液滴的蒸发，促使甲醇与空气更好地混合，更快地形成可燃混合气。

图3 不同压缩比时甲醇燃油当量比分布随曲轴转角的变化

2.2 压缩比对燃烧过程的影响

图4、图5和图6分别示出了压缩比为16～19.5时的缸内压力、放热率和缸内温度变化情况。从图中可以发现，缸压、放热率和缸温均随着压缩比的增大而增大，其峰值对应时刻均前移，其中压缩比19.5对应的最大缸压、最大放热率和最高缸温分别比压缩比16的高107.6%，637.4%，9.9%。主要原因是增大压缩比可以提高压缩冲程结束时缸内空气的温度和压力，一方面有助于喷入缸内的甲醇液滴迅速升温、蒸发，缩短了形成可燃混合气所需的时间，另一方面有利于提高混合气的温度和压力，从而扩大甲醇混合气的着火浓度界限，使得甲醇混合气更容易被电热塞引燃。同时，甲醇滞燃期随着压缩比增大而缩短(见图7)。但是压缩比提高带来了缸压峰值大幅增加，可能会造成发动机机械负荷加大，从而影响其工作稳定性以及发动机寿命。

图5 不同压缩比下的放热率曲线

图6 不同压缩比下的缸内温度曲线

图7 不同压缩比下的滞燃期变化

2.3 压缩比对甲醛及未燃甲醇排放的影响

图8和图9分别示出了压缩比为16～19.5时的甲醛及未燃甲醇排放。从图中可以发现，随着压缩比的增大，甲醛和未燃甲醇排放均逐渐降低，当压缩比从16提高到17时，排放降低幅度最大，当压缩比继续提高时，排放降低幅度减小，在压缩比提高到19及以上时，甲醛排放小于0.4 mg/(kW·h)，未燃甲醇排放小于3.1 mg/(kW·h)，远低于工信部等八部门指导意见[23]给出的甲醇、甲醛排放限值20 mg/(kW·h)，由此可以看出压缩比对甲醛及未燃甲醇的排放有着重要影响。提高压缩比可以提高压缩冲程结束时的缸内压力和温度，促进甲醇更快地着火燃烧，燃烧过程中缸内的压力和温度也可以进一步提高，促使甲醇燃烧更完全，有利于减少不完全燃烧产物的产生。

图8 不同压缩比下甲醛排放

图9 不同压缩比下未燃甲醇排放

图10 不同压缩比下甲醛质量变化

图11和图12示出了排气门开启时刻(125°ATDC)不同压缩比下甲醛与未燃甲醇的浓度分布情况。从图中可以明显看出，发动机压缩比较低时，在活塞顶面和缸盖底面残留较多未燃甲醇，主要是因为压缩比较低时，喷入缸内的甲醇液滴雾化速度慢，因此容易附着在活塞顶与气缸盖之间的狭缝壁面上，燃烧过程中火焰面未能及时传播到狭缝里，造成甲醇液滴的残留。而后随着活塞下行，狭缝间未燃甲醇才逐渐汽化并开始燃烧，但此时缸内温度不高，未燃甲醇氧化过程中会产生大量甲醛。从图中还可以看到，当发动机压缩比为19时，甲醛和未燃甲醇的浓度均非常低，说明通过提高压缩比，提高压缩过程结束时缸内的压力和温度，可以有效改善甲醇液滴雾化和燃烧，有利于减少甲醛和未燃甲醇的排放。

图11 排气门开启时刻不同压缩比下的甲醛分布

图12 排气门开启时刻不同压缩比下的未燃甲醇分布

3 结论

a) 提高压缩比可以提高压缩过程结束时的缸内压力和温度，有利于甲醇蒸发，改善甲醇混合气的均匀性；

b) 提高压缩比可以缩短滞燃期，使甲醇着火更加稳定，压缩比从16提高到19.5，缸内压力峰值、放热率峰值和温度峰值分别提高了107.6%，637.4%，9.9%，使得甲醇燃烧更完全，同时发动机机械负荷也会增大，对发动机工作稳定性和寿命会有不利影响；

c) 提高压缩比可以降低甲醛和未燃甲醇排放，其降低幅度随压缩比增大而减小，在压缩比提高到19及以上时，甲醛排放小于0.4 mg/(kW·h)，未燃甲醇排放小于3.1 mg/(kW·h)。