喷油时刻对汽油-丁醇混合燃料GDI发动机燃烧特性的影响

何 浪

(贵阳职业技术学院，贵州 贵阳 550081)

0 引言

随着全球化石燃料日益枯乏，严重威胁各国的能源安全，因此寻找新能源取代现有汽油和柴油成为当务之急。醇类燃料在替代燃料中比较常见，与汽油相比，醇类燃料的热值低，如乙醇的热值为汽油的63%，甲醇热值仅为汽油的47%。相对于汽油，丁醇汽化潜热大，因此具有较高的辛烷值[1]，从而可以降低燃烧的最高温度，一定程度上提高了抗爆性以及降低了NOx的排放，但其点火能量也高于汽油的。

喷油时刻对于直喷发动机性能的影响是比较大的。这是因为在直喷系统中，喷油时刻在新鲜充量汽化的热量对于热量的传递和混合时的温度都有影响，提早喷油能早些冷却混合气温度，这能提高充量系数。

本文选择的是B10(90%的汽油与10%的丁醇混合)，原因是丁醇的研究还不完善，现有的研究很少有关于丁醇的，且都是按照乙醇的研究模式来研究丁醇的。另外，丁醇的汽化潜热及着火点都相对较低，如果选择较高比例的丁醇混合燃料，可能会导致在压缩行程的压燃，使得燃烧不受控制。所以本文选择丁醇比例相对较低的混合燃料B10。

1 仿真模拟计算

1.1 Fluent软件

Fluent是目前世界上在复杂流动方面最常用的CFD软件。Fluent软件计算热传递、流体等方面问题具有显著优势，因此Fluent软件在汽车设计、涡轮机设计等应用得比较广泛[2]。

1.2 燃烧模型

在动网格的数值计算模拟中，第一步是利用Gambit画出需要计算的区域，指定相应的边界条件类型，第二步得出相应的计算类型，第三步用Fluent对模型进行求解，同时将某些重要的结果进行直观的展现。

本文所用到的发动机气缸参数尺寸如下：气缸缸径70 mm、冲程67 mm、曲轴半径33.25 mm、连杆长度117.5 mm。根据以上的尺寸，在Gambit画出相应的三维网格模型，然后对其进行网格的划分，本网格的圆柱体部分的网格间距是1.5 mm，顶盖部分的网格间距是1 mm。要注意网格画好后在Fluent中要对其进行检查，若是出现负网格，可能是网格划分得过细，这时就要对网格间距稍微放大些，使得网格数减少，但网格间距不易过大，因为网格间距过大时，在运动时变性过大从而影响到计算的精度，所以对于网格间距的选取要适中。

2 结果与分析

2.1 计算过程及喷油时刻含义

本研究发动机气缸模型参数如表1。

表1 发动机气缸模型参数

根据上述参数在Fluent软件里设置一系列的边界条件，包括网格参数设置、区域设置(moveface区域设置和deform区域设置)、运动边界设置(发动机上止点和下止点位置)等，边界条件设置是为了检验其是否符合气缸的运动规律。满足边界条件后，用Fluent软件对汽油丁醇混合气的燃烧过程进行模拟。在所用的模型中根据丁醇的比例计算出丁醇和汽油的喷油持续时间、喷油速率及喷油的起始结束时刻，作为研究喷油时刻对混合气的影响，故采用控制变量法，即保证其他参数(喷油持续时间、喷油速率、喷油起始结束时刻)不变的情况下，改变喷油的起始结束时刻也就是改变了喷油的时刻。

本文使用了含10%的丁醇及90%的混合燃料(后称为B10)作为燃烧的燃料，在Fluent软件中进行燃烧过程的模拟。分别对各设置好的case文件进行模拟，待模拟完成后，然后改变喷油的起始时刻和结束时刻，生成另外一个case文件，然后再进行下一次的模拟计算，从而得出不同喷油时刻下的缸内压力、缸内温度及缸内平均NOx变化数据，把数据导入excel，然后画出不同喷油时刻(70°CA、80°CA、90°CA、100°CA、110°CA)下的GDI发动机缸内温度曲线图。

2.2 计算结果与分析

2.2.1 喷油时刻对缸内压力的影响

图2所示的是喷油提前角从70°CA增加到110°CA时的发动机模型的缸内压力变化图，从图中可以看出，喷油提前角越大，缸内压力逐渐随着喷油提前角增大而增大。喷油提前角为70°CA时，最高压力约为5.1 MPa；喷油提前角提前到110°CA时，缸内最高压力为6.9 MPa。此外，可以看出喷油提前角越大，最高压力值离上止点越近，从图2可以看出，在喷油提前角为70°CA时，最高压力位于上止点后9度，80°CA时为10度，90°CA时为7度，100°CA时为6度，110度时为5度。显然在110°CA的喷油提前角时，燃烧相对较完善，压力升高率明显增大。在100度时压力升高点明显变化，原因可能是丁醇前期部分自燃，导致缸内压力温度增大，丁醇分子链较短，燃烧速率快[3]，所以在点火时缸内燃烧更加剧烈，从而有明显的突变点。

喷油提前角越大，缸内压力增大是因为喷油越提前，燃料与空气混合的时间越长，混合越均匀，燃烧效果越充分[4]，燃烧过程迅速完成，缸内平均压力值越高，压力峰值离上止点越近，缸内压力升高率越大。但缸内压力峰值并不是越高越好，通常情况下最佳的压力峰值在上止点后10°CA左右是比较合适的。因此可以得出喷油时刻为70°CA左右，缸内压力是比较合适的。

2.2.2 喷油时刻对缸内温度的影响

如图3所示，喷油提前角从70°增加到110°的发动机缸内温度变化情况。可以看出，喷油提前角越大，缸内最高平均燃烧温度也随之增大。喷油提前角为70°CA时，缸内燃烧最高温度是2200 K左右，当喷油提前角进一步增加到80°CA时，缸内最高温度为2350 K，90°CA的为2390 K，100°CA的为2400 K，110°CA达到最大值，为2560 K。这比传统汽油的最高温度要低，原因是丁醇的热值没有汽油高，另外直喷的燃料在喷射的过程中汽化而吸收热量，使得最高燃烧温度在一定程度上得到降低，并且能使充气系数(大部分的提升是由于直喷机没有了节气门，使得进气阻力大大降低)得到提高，对于在进气冲程喷油的更是如此。另外，喷油的压力对燃烧温度及充气效率都会产生影响，但本文不考虑喷油压力的影响，仅仅看喷油时刻对燃烧的影响。需要说明的是，从图中可以看出膨胀冲程后期的温度较高，这是由于本模拟实验默认是一个忽略进排气过程的过程，所以燃烧后期的热量并没有通过排气门排除缸外，因此导致了较高的温度。另外，温度峰值也是随喷油时刻的提前而越接近上止点，因为如上面压力分析的那样，这里就不再阐述。

我们还可以从图中看出，喷油提前角越大，温度曲线的斜率就越大，也就是说温度上升的速率就越大。这是因为随着喷油提前角的增加，混合气混合时间越长，混合得就越充分，主燃烧期(燃料质量分数燃烧10%到燃烧90%的质量分数燃料所经过的曲轴转角)就越短，导致燃烧速率越大，从而曲线就越陡。

3 结论

本文通过Fluent的对不同喷油时刻的丁醇/汽油燃料的燃烧特性模拟计算，在喷油持续时间、喷油速率、喷油压力、点火提前角等其他因素不变的前提下，改变喷油时刻，对丁醇占10%的汽油-丁醇缸内直喷混合气进行燃烧过程的模拟。从模拟实验数据看出：缸内压力和缸内温度随喷油时刻的提前而升高，燃料与空气混合的时间更长，燃烧更迅速。