进气温度对甲醇发动机燃烧及非常规排放的影响研究

吴继盛

摘要：通过模拟软件CONVERGE耦合甲醇氧化详细化学动力学机理，在1台由DH1115单缸柴油机改装而成的电热塞助燃式直喷甲醇发动机上，研究了进气温度对甲醇发动机燃烧及非常规排放的影响。结果表明，提高进气温度，有利于改善甲醇的蒸发及扩散，提高甲醇与空气混合质量，改善燃烧质量、降低非常规排放。当进气温度从300K提高到360K时，压力、放热率和温度峰值提升显著，甲醛及未燃甲醇排放分别减少到了0.1mg·kWh-1、0.2mg·kWh-1，降低幅度接近100%。

Abstract： In this study， numerical study was performed for the effects of inlet temperature on combustion and unregulated emissions in a glow plug assisted direct-injection methanol engine using CONVERGE， coupling the methanol detailed chemical kinetic mechanism. The results show that increasing the inlet temperature improves the evaporation and diffusion of methanol. Meanwhile， increasing inlet temperature raises the combustion temperature， which improves the combustion quality of methanol and reduces the emissions. With the inlet temperature increasing from 300K to 360K， the peaks of pressure， heat release rate and temperature increase significantly， and the emissions of formaldehyde and unburned methanol are was reduced to 0.1mg·kWh-1 and 0.2mg·kWh-1， respectively， with a reduction of nearly 100%.

關键词：直喷甲醇发动机;进气温度;燃烧;非常规排放

Key words： direct-injection methanol engine;inlet temperature;combustion;unregulated emissions

0  引言

随着我国交通运输业的快速发展，为了解决能源安全及环境污染问题，寻求清洁可再生能源已成为人们迫切的需求。作为诸多替代燃料之一的甲醇凭借着来源广泛、用途多样的特点在近年来吸引了大量的关注[1]。甲醇具有辛烷值高，有良好的抗爆震性，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[2]，因此在内燃机上燃用甲醇逐渐成为了一个热门研究领域。

考虑到甲醇理化性质与汽油相近，我国在甲醇作车用替代燃料的研究方面，多倾向于将甲醇应用到汽油机上，比如近几年吉利汽车公司研发的甲醇出租汽车在国内五省一市以及欧洲冰岛开展试点运营，发现甲醇出租车在动力性方面与汽油车相当，并且在经济型及排放性方面具有明显优势[3]。而与汽油机相比，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，因此在柴油机上燃用甲醇更有利于缓解我国能源及环境压力。

柴油机燃用甲醇存在诸多技术难点亟需克服，比如甲醇十六烷值低，在柴油机上难以直接压着火，需要其他的辅助手段帮助其着火燃烧[4]，此外，甲醇的高着火浓度下限、低蒸汽压力、高汽化潜热都使得以甲醇为燃料的发动机冷启动困难，容易产生甲醛及未燃甲醇排放[5]。由此，相继出现柴油甲醇双直喷技术[6]、甲醇柴油掺混燃烧技术[7]、柴油甲醇组合燃烧技术[8]、火花塞或电热塞助燃式直喷甲醇技术[9，10]等方式，来实现在柴油机上燃用甲醇。

其中，电热塞助燃式直喷技术能解决柴油燃用纯甲醇时的着火困难问题，是目前柴油机燃用甲醇技术中较有前途的方法之一，但这一技术仍然有其他问题亟需解决，比如电热塞只对电热塞附近局部区域内的气体有较为明显的升温作用，对整个气缸内的气体影响十分有限[11]，当面对极端情况，比如进气温度过低，可能仍然需要采取其他辅助手段来帮助甲醇着火燃烧，包括采取进气加热、废弃再循环等方式来提高进气温度。宫长明等[12]在一台火花塞点燃式直喷甲醇发动机上研究了冷启动阶段下进气温度对混合气形成、燃烧过程及非常规排放的影响，发现提高进气温度到293K有利于改善甲醇燃烧，但进一步提高进气温度并不能达到更佳的效果。而对于电热塞助燃式直喷甲醇发动机，目前还没有关于进气温度这方面的研究，因此本文研究进气温度对甲醇发动机着火燃烧的影响十分必要。

除上述问题之外，甲醇发动机非常规排放问题也得到了广泛关注，在2019年工业和信息化部等八部门发布的《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》[13]，建议甲醇汽车的甲醛及未燃甲醇排放在20mg·kWh-1以内，因此研究甲醇发动机非常规排放问题具有重要意义。目前，关于电热塞引燃式直喷甲醇发动机试验和模拟研究都十分有限，本研究旨在利用数值模拟软件CONVERGE探索进气温度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，对甲醇发动机的设计和实际应用具有重要的指导作用。

1  数值模型建立与验证

1.1 发动机模型

以一台由型号为DH1115的单缸柴油机改造而成的电热塞引燃式直喷甲醇发动机为研究对象，实验发动机主要技术参数见表1，喷油器喷孔分布及电热塞布置参见图1。燃料为纯甲醇，甲醇的理化性质如表2所示。

采用Solidworks与CONVERGE相结合的方式，建立了柴油机燃烧室模型，为了减少计算工作量，模拟过程选取从进气门关闭时刻142°CA BTDC（°或deg，degree，度;CA，crank angle，曲轴转角;BTDC，before top dead center，上止点前）开始到排气门开启时刻125°CA ATDC（ATDC，after top dead center，上止点后），因此模型上不包含进气和排气过程和结构，模型见图2。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。基础网格尺寸选定为1.6mm，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，并且网格经过了独立性检验，结果如图3所示，可以发现，网格基本尺寸从1.8mm缩小到1.6mm后，压力峰值变化小于1%，峰值对应曲轴转角度数变化小于0.2°CA，可以认为1.6mm的网格基本尺寸能够满足计算需求，继续缩小网格尺寸对计算结果的影响不大。

1.2 计算模型

模拟用到了主要物理模型和化学模型包括：湍流模型，RNG k-ε model;喷雾模型，KH-ACT-RT model;燃烧模型，SAGE详细化学求解器;蒸发模型，Frossling model。其中，燃烧模型耦合了甲醇氧化详细化学动力学机理，该机理包含了21种物质、93步反应，并且得到了Zhen[2]的验证。表3展示了初始环境参数、壁面边界参数及喷油参数设置。活塞顶、气缸壁、缸盖、电热塞及喷油器表面边界均视为恒温壁面边界，温度参考了诸多相关文献并取了经验值[14，15]。

1.3 模型验证

参考了太原理工大学的王晋[16]在一台DH1115单缸柴油机上的试验数据，选用了转速为1400rpm、负荷为80%的工况下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，验证结果如图4所示，从图中可以看出压力和放热率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，为了保证后文计算结果的合理性，模拟转速也设定在1400rpm。

2  结果与分析

针对甲醇发动机而言，提高进气温度既可以改善甲醇高自燃温度、高汽化潜热带来的着火困难问题，也可以进一步提高缸内燃烧质量、促进甲醇完全燃烧，达到降低污染物排放的效果，而目前提高进气温度可以通过废气循环、热交换器等方法来实现。本文选取280K、300K、320K、340K、360K及380K这6种进气温度，在转速1400rpm、油耗量4.68kg/h的模拟工况下探究进气温度对甲醇发动机燃烧及非常规排放的影响。

2.1 进气温度对滞燃期的影响

图5展示了进气温度对滞燃期的影响，进气温度为280K时甲醇未能着火，故图中无280K工况对应滞燃期。从图中可以明显看出，随着进气温度的提高，滞燃期逐渐缩短，当进气温度从300K提高到380K时，滞燃期从22.4deg缩短到了15.6deg。可以认为，对于电热塞引燃式直喷甲醇发动机而言，提高进气温度能有效改善甲醇着火困难和冷启动的问题。

2.2 进气温度对混合气均匀性的影响

图6展示了进气温度为300K至380K时活塞位于上止点时的燃空当量比分布情况。从图中可以看出，当进气温度为300K时，当活塞运行到上止点时，缸内混合气浓度分布仍较稀薄，虽然电热塞附近燃料浓度相对高于其他区域，但其燃空当量比低于1，不利于甲醇着火，造成滞燃期延长。当进气温度进一步提高至320K、340K、360K时，可以发现缸内混合气浓度整体明显上升，低浓度区域面积明显减少，并且电热塞附近燃空当量比显著提升，但是混合气均匀性仍较差。当进气温度提高到380K时，缸内混合气均匀性有所改善，燃烧室电热塞一侧的高浓度区域面积进一步扩大，而远离电热塞一侧的低浓度区域面积明显减少，燃烧室内燃空當量比趋于平均。当进气温度时300K时，缸内气体温度较低，不利于甲醇的蒸发，因此甲醇蒸发量少，缸内甲醇混合气浓度上升缓慢，当进气温度提高过后，甲醇蒸发速率得到提升，所以能迅速在电热塞附近产生较浓的甲醇混合气，这有助改善甲醇着火困难的问题，同时缸内温度的提升也有助于甲醇混合气的扩散，使得缸内混合气浓度趋向平均，有利于促进甲醇完全燃烧。

2.3 进气温度对燃烧过程的影响

图7、图8和图9分别展示了不同进气温度下的压力、放热率和温度曲线的变化情况。从图中可以发现，进气温度为280K时甲醇未能着火燃烧，进气温度为300K时压力、放热率和温度峰值均为最低，分别为8.80MPa、215.65 J·deg-1、1809.15K。当进气温度提高到360K时，压力、放热率和温度峰值分别上升了51.02%、836.90%、25.23%，分别为13.29MPa、2020.43J·deg-1、2265.55K。当进气温度提升到380K时温度、放热率峰值有所上升，但压力峰值有所下降。当进气温度为300K时，缸内气体温度低，甲醇蒸发缓慢，缸内混合气浓度上升缓慢，混合气分布整体较稀薄，燃烧室内电热塞一侧混合浓度低，造成了着火困难、滞燃期延长，燃烧质量较差。当进气温度提高后，缸内气体温度上升，甲醇蒸发速率加快，缸内混合气分布质量得到改善，整体浓度上升，电热塞一侧浓度显著提高，有利于甲醇着火燃烧，缸内压力、放热率和温度均提升明显，燃烧质量较好，并且缸内混合气分布趋向均匀化，缸内整体燃烧质量得到提高，有利于降低不完全燃烧污染物的产生。

2.4 进气温度对非常规污染物排放的影响

图10和图11分别展示了排气门开启时刻不同进气温度下的甲醛和未燃甲醇排放。从图中可以看出，随着进气温度的提高，甲醛和未燃甲醇排放逐渐降低，当进气温度从300K提高到360K，甲醛及未燃甲醇排放降低显著，分别从143.8mg·kWh-1、901.1mg·kWh-1减少到了0.1mg·kWh-1、0.2mg·kWh-1，降低幅度接近100%，满足了排放限值规定的20mg·kWh-1[13]。当进气温度进一步提高到380K时，由于甲醛及未燃甲醇排放量已经处于非常低的水平，对甲醛及未燃甲醇的排放改善效果有限，因此从非常规排放的角度来考虑，模拟工况下进气温度为360K较为适宜。

图12和图13分别展示了排气门开启时刻不同进气温度下的甲醛及未燃甲醇质量分数分布情况。从图中可以明显看出，甲醛浓度分布与未燃甲醛浓度分布情况十分契合，可以认为，造成甲醛排放的主要原因是未燃甲醇在燃烧后期不完全燃烧造成的。当进气温度为300K时，由于缸内温度较低，喷入气缸的甲醇喷雾蒸发缓慢，使得部分甲醇保持着液态附着在活塞顶、气缸壁等壁面上，随着燃烧过程的结束，壁面上的甲醇从缸内高温烟气吸热蒸发，并发生不完全燃烧，产生了大量甲醛，同时由于缸内燃烧温度较低，甲醛未能进一步氧化，使得甲醛的排放显著增加。当进气温度提高后，缸内温度得到提高，有利于甲醇蒸发及扩散，使得缸内残留的液态甲醇含量降低，同时进气温度提高后，进一步改善了甲醇的燃烧质量，缸内温度整体较高，有利于甲醛的氧化，从而使甲醛浓度显著降低。

3  结论

通过分析进气温度对直喷甲醇发动机的滞燃期、甲醇空气混合过程、燃烧及排放的影响，得到了以下结论：

①提高进气温度，有利于改善甲醇的蒸发及扩散，可以提高甲醇于空气的混合质量，缩短滞燃期，提高甲醇着火稳定性，当进气温度为280K时甲醇无法着火，当进气温度从300K提高到380K时，滞燃期从22.4deg缩短到了15.6deg。

②提高进气温度可以改善甲醇燃烧质量，当进气温度从300K提高到360K时压力、放热率和温度峰值提升显著，当进气温度进一步提高到380K时，改善效果不明显。

③提高进气温度有利于促进甲醇完全燃烧，降低甲醛及未燃甲醇排放，当进气温度从300K提高到360K时，甲醛及未燃甲醇分别减少到了0.1mg·kWh-1、0.2mg·kWh-1，降低幅度接近100%，低于排放限值20mg·kWh-1。

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