MPI+GDI发动机稀薄燃烧性能研究

韩荣，蒋炎坤，陈烨欣，何都

(华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

面对能源安全、环境污染、排放法规日趋严格等问题，实现内燃机的清洁、高效燃烧已成为现阶段内燃机行业的主要目标[1]。甲醇作为最简单的饱和一元醇，其燃烧性能良好，排放清洁，被研究人员认为是性能优良的汽车替代燃料；而稀薄燃烧技术可让混合气得到更加充分的燃烧，提高燃油经济性[2]。研究人员针对甲醇燃料和稀薄燃烧做了大量研究。

甲醇作为车用燃料采用柴油-甲醇复合燃烧(DMCC)时，可以减少CO、HC、NOx和炭烟的排放[3-4]，当配合柴油氧化催化剂(DOC)和颗粒氧化催化剂(POC)使用时，微粒数量和质量浓度显著降低[5-6]。关于汽油-甲醇的复合喷射研究发现，进气道喷射甲醇-缸内直喷汽油和进气道喷射汽油-缸内直喷甲醇相比于纯汽油发动机，均能提高经济性、抑制爆震和降低颗粒物排放[7]。使用甲醇汽油混合燃料的缸内直喷发动机随着过量空气系数增加，缸内峰值压力和峰值温度降低，燃烧持续期增长，CO排放降低，NOx排放先增大后降低，颗粒物质量浓度和数量浓度都呈下降趋势[8]。使用纯甲醇的缸内直喷发动机在分层稀燃大负荷下经济性和排放性都比较好，小负荷工况下较差[9]。

可见，复合喷射系统能根据工况变化采用不同的喷油策略，通过进气道喷射和缸内直喷两种方式灵活调节双燃料的替代比，更容易实现稀薄燃烧，优化发动机性能。现有文献表明，对MPI+GDI复合喷射发动机在稀燃模式下的燃烧和排放性能研究较少。因此，本研究基于1台缸内直喷光学发动机，加装进气道喷射系统，形成MPI+GDI的复合喷射系统，研究稀薄燃烧条件下发动机的缸内燃烧和排放特性。

1 发动机建模和试验验证

为了保证计算精度，采用自适应加密和指定区域加密技术对流体区域进行网格划分，同时比较了使用不同网格尺寸计算得出的缸内压力曲线，如图1所示，网格基础尺寸小于6 mm时，缸内压力曲线基本重叠，考虑到3 mm网格计算时间大大增加，本研究网格基础尺寸选为4 mm[10]；根据流体速度和温度梯度加密网格，最小网格为0.44 mm；对气缸内区域和喷油器液滴控制区加密至1 mm，进气门座加密至0.44 mm。网格划分结果如图2所示。

图1 网格密度敏感性

图2 发动机进排气缸内计算区域网格划分结果

仿真计算模型参数选择如表1所示。边界条件设置如表2所示。表3示出发动机基本参数。图3示出光学机台架布置示意，试验台架配备甲醇和汽油供给和喷射系统、点火系统、润滑油供油系统、冷却水供应系统、火花塞式缸压传感器和倒拖电机等。计算机中的上位机、CAN卡和发动机ECU组成电控系统，可灵活调节燃料的喷射时刻、喷射脉宽以及点火时刻。图4示出发动机台架实物。

表1 仿真模型设定

表2 边界条件确定

表3 发动机基本参数

图3 光学机台架布置示意

图4 光学机实物

缸压曲线验证工况选取M80燃料，转速1 200 r/min，GDI喷射质量3.57 mg，GDI喷射压力15 MPa，GDI喷射时刻630°ATDC，MPI喷射质量31.62 mg，MPI喷射压力0.5 MPa,MPI喷射时刻310°ATDC，节气门全开，过量空气系数1.3，点火时刻-20°ATDC。图5示出了模拟和试验的缸压曲线，两者变化趋势相同，试验缸内压力峰值5.64 MPa，出现时刻9.82°ATDC，模拟缸压峰值为5.76 MPa，出现时刻10.82°ATDC，缸内压力峰值误差仅2.13%，表明计算模型能够基本准确反映发动机真实性能[16]。

图5 试验和模拟缸压曲线

本研究按热值计算燃料替代比，例如M80燃料代表甲醇燃料热值占总热值的80%。参数设置如表4所示。本研究中过量空气系数选取1.2，1.3，1.4，1.5，燃料选取M60，M70，M80，M90。当探究过量空气系数的影响时，燃料选取M80；当探究甲醇替代比的影响时，过量空气系数选取1.3。

2 过量空气系数对燃烧和排放的影响

2.1 过量空气系数对燃烧过程的影响

图6示出不同过量空气系数下缸内温度随曲轴转角的变化情况。点火后，火焰产生于火花塞附近并逐步向外拓展；在-5°ATDC时，随着过量空气系数的增加，火焰传播变慢，高温区域面积和已燃区域温度随过量空气系数增加而降低；在10°ATDC时，过量空气系数1.2～1.4时火焰已经传播至气缸壁附近，而过量空气系数1.5时火焰仅传播缸内区域约三分之二处，直至上止点后20°才传播至气缸壁，这是由于过量空气系数较大，缸内混合气较为稀薄，导致着火较为缓慢。

图7示出了不同过量空气系数下的缸内放热率曲线。过量空气系数1.2时，放热靠前且集中，放热率峰值最大，达84.86 J/(°)。过量空气系数1.5时，放热严重滞后，放热率峰值出现在上止点后12°，后燃较严重。缸内温度的变化可从图8看出，过量空气系数1.2时，缸内温度峰值为2 508 K，过量空气系数1.5时下降至2 178 K。随着过量空气系数增加，温度峰值下降，且出现时刻推后，温度升高率下降，过量空气系数增加引起缸内火焰传播减慢，后燃现象增强。

图7 不同过量空气系数下放热率曲线

图8 不同过量空气系数下缸内平均温度

图9示出了过量空气系数对缸内压力的影响。由图可知，随着过量空气系数增加，缸压峰值从6.86 MPa下降至4.62 MPa，且出现时刻推迟。这是由于缸内混合气燃料总质量随过量空气系数增加而越来越少，导致缸内最大压力降低。峰值压力推迟的原因是火花塞附近混合气稀薄，不利于着火和初期火焰传播，放热重心后移，这与之前放热率曲线规律相契合。图10示出了过量空气系数对指示热效率的影响，随着过量空气系数增加，缸内混合气愈加稀薄，指示热效率呈上升趋势。过量空气系数1.5时，指示热效率为41.5%，比过量空气系数1.2时高2.01%，这是因为稀薄燃烧时缸内氧气含量充足，缸内燃料能得到充分燃烧，尽管燃料总能量减少，但是转化为指示功的能量比例增大。

图9 不同过量空气系数下缸内压力变化

图10 不同过量空气系数下指示热效率

2.2 过量空气系数对排放特性的影响

图11示出过量空气系数对CO排放的影响，过量空气系数增加，CO排放减少，在过量空气系数1.3时CO排放量仅为过量空气系数1.2时的12%，过量空气系数对CO排放的影响较大。稀薄燃烧时，CO排放量始终处于极低水平，其主要原因是：CO作为不完全燃烧的产物，在过量的氧气下被充分消耗。排放中存在的THC主要是燃烧不完全所致，图12示出了THC排放随过量空气系数的变化情况。由图可知，随着过量空气系数增加，THC排放总体呈先下降后升高趋势，过量空气系数为1.4时最低，这是因为过量空气系数增加，缸内氧含量丰富，燃烧较为充分，从而THC排放下降；但是随着过量空气系数进一步增加，缸内燃烧过程变差，不能保持稳定燃烧，从而导致THC排放升高，但是总体来说在保证持续燃烧的稀燃情况下，THC排放总体较少。

图11 不同过量空气系数下CO排放量

图12 不同过量空气系数下THC排放量

图13示出了过量空气系数对NOx生成及排放的影响。NOx排放随过量空气系数增加而降低，过量空气系数1.5时的NOx生成量仅为过量空气系数1.2时的13.7%，其原因主要是缸内温度的不同。由图8可知，过量空气系数1.2时峰值温度最大，高温停留时间最长，所以缸内NOx生成速率和生成量最大，排放量最高。

图13 不同过量空气系数下NOx生成量

3 甲醇替代比对燃烧和排放的影响

稀燃条件下，当甲醇热值比例低于60%时缸内燃烧不充分，存在大量的区域失火现象，各类排放物较高，故本研究给出的数据从M60开始。

3.1 甲醇替代比对燃烧过程的影响

图14示出了不同甲醇替代比下缸内温度云图。由图可知，点火后，火焰开始由火花塞向四周传播，在上止点时，M60燃料火焰仅传播了二分之一的区域，且温度较低，随着甲醇替代比增加，火焰传播区域面积明显增加，并且区域内温度明显升高。甲醇的火焰传播速度为0.523 m/s，高于汽油的火焰传播速度0.337 m/s，掺烧甲醇能明显提高缸内火焰传播速度，提升温度升高速度。当曲轴转角为8°ATDC时，M90燃料的火焰已传播至气缸壁附近，大部分燃料燃烧结束，而M60燃料正处于主要燃烧阶段，缸内温度也在不断上升。

图14 甲醇替代比对缸内温度分布的影响

图15示出缸内温度曲线。随着甲醇替代比增加，缸内温度提升加快，温度峰值增加且出现时刻不断提前，这是由于甲醇的火焰传播速度比汽油快。缸内燃烧完成后，温度随着甲醇替代比的增加而降低，这是由于高甲醇比例的燃料燃烧速度快，而低甲醇比例燃料燃烧较为靠后，后燃程度严重。图16示出燃烧放热率曲线，甲醇比例越高，放热率峰值越大且出现时刻提前，这主要是因为高甲醇比例燃料燃烧等容度高，甲醇燃烧速度快，氧摩尔分数高，有助于燃料集中放热，从而改善缸内燃烧状况。

图15 甲醇替代比对缸内温度的影响

图16 甲醇替代比对放热率的影响

图17示出了缸内压力和甲醇替代比的关系。随着甲醇替代比的增加，缸内压力峰值不断提高且出现时刻提前，M90的缸压峰值对应曲轴转角比M60提前了10°，缸压峰值提升1.445 MPa，这是由于甲醇替代比增加，局部燃油浓区的氧摩尔分数增加，燃烧更加充分，并且甲醇的火焰传播速度高于汽油，整体燃烧速度加快。图18示出了甲醇替代比对指示热效率的影响，随着甲醇替代比增加，指示热效率呈先增后减趋势，M90的指示热效率比M80低，原因是甲醇替代比过大，燃料燃烧速度大大加快，由图16可知M90部分燃料在上止点前放热，导致压缩负功增加，指示热效率下降。上述结果表明，在使用高甲醇比例的燃料时，要考虑到缸压峰值的提前，此时点火提前角也要重新标定，否则燃烧相位过于提前，使得发动机压缩过程的负功增加，影响发动机的稳定运行。

图17 甲醇替代比对缸内压力的影响

图18 甲醇替代比对指示热效率的影响

3.2 甲醇替代比对排放特性的影响

图19示出了甲醇替代比对CO排放的影响。由图可知，CO排放随甲醇替代比增加而降低，M90的排放量仅为M60的0.72%。CO为不完全燃烧产物，其排放量降低主要有两个原因：第一，甲醇含氧量高，氧摩尔分数高，且碳氢比例小，甲醇比例的增加提高了缸内混合气氧浓度，燃烧更加充分；第二，甲醇的火焰传播速度比汽油大，燃烧速度快，使得CO氧化更加充分。图20示出了甲醇替代比对THC排放的影响，随着甲醇替代比的增加，THC的排放呈先降后升趋势，原因主要是：当甲醇替代比较低时，大量GDI喷射的汽油与活塞头顶部和气缸壁碰撞，形成附壁油膜，造成不完全燃烧，甲醇替代比增加，撞壁现象减轻，点火时刻混合气形成情况好，燃烧得到改善，THC排放降低；当甲醇替代比高于M80，GDI喷射质量较少，在火花塞附近形成的分层混合气浓度较低，外周围存在较浓的甲醇氛围，甲醇燃烧不完全，所以THC排放增高。

图19 甲醇替代比对CO排放量的影响

图20 甲醇替代比对THC排放量的影响

图21示出了NOx排放和甲醇替代比的关系。由图可知，随着甲醇替代比增加，NOx排放呈上升趋势。在稀燃条件下，氧含量充足，NOx排放量的不同主要取决于缸内燃烧温度。甲醇替代比高，燃烧速度快，温度上升速率快，缸内峰值温度增加，所以NOx排放随甲醇替代比增加而升高。

图21 甲醇替代比对NOx生成量的影响

4 结论

a)过量空气系数越大，火焰传播越慢；相同曲轴转角时刻，高温区域面积和已燃区域温度随过量空气系数增加而降低，并且放热率峰值出现晚，导致后燃现象增强；缸内压力峰值降低且出现时间推迟；经济性方面，随着过量空气系数增加，指示热效率呈上升趋势，过量空气系数1.5时的指示热效率达41.5%；排放方面，CO和NOx随过量空气系数增加呈下降趋势，过量空气系数1.5时仅为过量空气系数1.2时的4.05%和13.7%，THC排放呈先降后升趋势，过量空气系数1.4时最低;

b)随着甲醇替代比增加，缸内压力峰值不断提高且相位提前，燃烧重心前移，排气温度降低；随甲醇替代比增加，CO氧化量增加，CO排放下降，THC排放先降后升，M70时最低，NOx排放呈上升趋势，指示热效率先增后减，降低的原因主要是燃烧速度快导致部分燃料在上止点前燃烧，所以，甲醇替代比增大后应适当推迟点火。