甲醇喷射正时对柴油/甲醇双燃料HCCI发动机燃烧及排放特性的影响研究

王柯莹，朱建军，张翠平，米一铭，刘 鹏，张步勇，杨 涛

（太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

由于世界各国对内燃机污染排放的监管日渐严格以及燃油价格的大幅提高，寻找发动机清洁替代燃料和转变燃烧模式已成为交通运输行业的重中之重。甲醇是一种无色透明的液体燃料，具有含氧量和辛烷值高、汽化潜热高、燃烧速度快、抗爆性好、来源广泛等优点，拥有与汽油和柴油相同的储存和运输特性，被认为是极有发展前景的替代燃料之一[1]。

甲醇本身的理化特性使其难以在柴油发动机上应用，但均质充量压缩点火（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）燃 烧 模 式 的 提出很好地解决了甲醇在柴油机上的应用难题。HCCI燃烧模式结合了火花点火发动机和压缩点火发动机的优点，在HCCI燃烧模式下，燃烧室内局部燃烧温度较低，燃料和空气预先混合所形成的稀薄混合物分布均匀，因此，氮氧化物（NOx）和烟 尘 的 排 放 量 较 低[2]～[5]。此 外，HCCI燃 烧 模 式 所 具有的压缩点火和进气过程中进气门损失少的特点提高了发动机的热效率[6]。发动机中混合气浓度和温度的均匀程度对HCCI燃烧模式的燃烧特性有重要影响。

研究表明，喷油参数可通过影响燃料雾化、混合气形成和燃料燃烧等，间接调节发动机的动力性和经济性。文献[7]研究了低温冷启动环境下，喷射正时对甲醇发动机燃烧与排放特性的影响，研究结果表明，推迟喷射正时可以提高燃烧质量，减少甲醛和未燃甲醇的排放量。文献[8]研究了甲醇喷射正时对压燃式发动机性能的影响，研究结果表明：当负荷较小时，缸内压力随着甲醇喷射正时提前而降低；当负荷较大时，缸内压力随着甲醇喷射正时提前而升高。文献[9]研究了甲醇喷射正时对柴油/甲醇缸内双喷发动机燃烧与排放特性的影响，研究结果表明，甲醇喷射正时较早或较晚均不利于缸内燃烧，当甲醇喷油正时为70°CA BTDC时，发动机的污染物排放得到改善。

目前，有关甲醇喷油正时对柴油/甲醇双燃料HCCI发动机燃烧和排放特性的影响研究较少。因此，本文使用CFD仿真软件Converge分析了甲醇喷射正时对柴油/甲醇双燃料HCCI发动机燃烧和排放特性的影响，揭示了燃料与空气混合质量和缸内温度分布随甲醇喷射正时的变化规律，为柴油/甲醇双燃料HCCI发动机的优化提供了依据。

1 发动机模型的建立与实验验证

1.1 仿真模型建立与初始条件的确定

仿真计算所用发动机为一款由常柴3M78型多缸水冷发动机改装的柴油/甲醇缸内双直喷压燃式发动机，该发动机的主要参数如表1所示。

表1 发动机的主要参数Table1 Main parameters of engine

本研究利用CFD仿真软件Converge进行缸内燃烧仿真计算。图1为油束分布位置。从图1可以看出，甲醇喷油器布置在偏离气缸中心处，为使甲醇油束与 ω型燃烧室更好地配合，甲醇喷油器倾斜布置。仿真过程中的初始条件如下：缸内温度为600K，缸内压力为101325Pa，进气道和排气道内温度分别为330K和650K，压力均为101325Pa。仿真计算从进气门开启时刻开始，到排气门关闭时刻结束，定义0°CA为压缩冲程上止点。为保证计算结果的精准，仿真模型的基础网格大小为2mm，最小的网格大小为0.2mm。

图1 油束分布位置图Fig.1 Oil beam distribution position

1.2 数学模型

湍流模型选用雷诺平均（RANS）的重整化群RNG k-ε模型。燃烧模型选用SAGE模型，以更好地模拟出HCCI燃烧模式的着火和燃烧情况。排放模型中，NOx排放模型选取Extended Zeldovich NOx模型，碳烟模型采用修正的Hiroyasu模型。喷雾模型中，液滴破碎模型采用KH-RT（Kelvin Helmholtz-Rayleigh Taylor）组 合 模 型，KH-RT组合模型得到的油束贯穿距和平均索特直径仿真结果更贴合试验结果[10]；液滴碰撞模型选用Wall film模型；液滴碰撞和聚合模型选用NTC模型；燃油蒸发模型选用Frossling模型。反应机理采用正庚烷/甲醇反应氧化机理，包含43种组分，65步化学反应[11]。

1.3 模型验证

选取转速为1200r/min的满负荷工况进行模型验证。甲醇占能比为70%，柴油的喷射压力为88MPa，喷射正时为8°CA BTDC，甲醇的喷射压 力 为50MPa，喷 射 正 时 分 别 设 为320，237，150，60，10°CA BTDC，研究甲醇喷射正时对HCCI模式的燃烧和排放特性的影响。

试验过程中，使用四川诚邦公司的ET2000型测控辅助系统，采用Kistler公司的6052C型缸压传感器测量缸压数据，使用德维公司的DEWE-800-CA-SE燃烧分析仪采集与分析缸压数据，曲轴转角分辨率设定为0.1°CA。

在台架试验中测得的缸内压力和放热率与纯柴油模式下的仿真计算结果的对比如图2所示。从图2可以看出，缸内压力和放热率的试验值与仿真值吻合良好，缸压峰值对应的曲轴转角相差0.4°CA，缸压峰值的误差为1.8%，误差在5%之内，表明所搭建的仿真模型是合理的。

图2 仿真值与台架试验值对比Fig.2 Comparison of simulation value and test value

2 结果与分析

2.1 甲醇喷射正时对缸内混合气分布的影响

甲醇在低温环境下很难蒸发，其在缸内的蒸发 速 率（φ）和 蒸 发 量（Q）的 计 算 式[7]分 别 为式 中：p为 缸 内 压 力，Pa；T为 缸 内 温 度，K；ω为 缸内涡流强度；S为甲醇液滴与空气接触的面积，mm2；t为 甲 醇 在 缸 内 存 留 的 时 间，s。

甲醇喷射正时对缸内混合气分布的影响如图3所示。从图3可以看出，当甲醇喷射正时为320～237°CA BTDC时，甲醇-空气混合气在整个气缸内的分布更均匀。这是因为，此时缸内压力、温度和涡流强度均比较小，甲醇的蒸发速率偏小，但甲醇在缸内的存留时间长，蒸发的甲醇总量大，所以缸内混合气的平均浓度较大，且混合气在长时间涡流作用下可进行充分扩散，因此缸内混合气分布得相对均匀。随着甲醇喷射正时推迟，混合气分层现象逐渐明显，当甲醇喷射正时为10°CA BTDC时，甲醇-空气混合气在燃烧室凹坑处较浓。这是由于喷射提前角较小时，缸内涡流对甲醇与空气混合的作用时间短，甲醇蒸气得不到有效扩散，混合气容易在燃烧室凹坑积聚，使得甲醇-空气混合气分层严重，不利于火焰传播。

图3 甲醇喷射正时对缸内混合气分布的影响Fig.3 Mixture distribution in the cylinder under different injection timings

2.2 甲醇喷射正时对缸内燃烧的影响

甲醇喷射正时对缸内压力、压力升高率和缸内温度的影响如图4所示。由图4（a）可知：随着甲醇喷射正时提前，缸内压力峰值逐渐升高；当甲醇喷射正时由10°CA BTDC提前到60°CA BTDC时，缸内压力峰值由8.65MPa升高到10.11MPa,增幅为16.8%；当甲醇喷射正时由60°CA BTDC继续提前时，缸内压力峰值的增量变小。当甲醇喷射正时提前到237，320°CA BTDC时，缸内压力峰值的大小基本一致。这是因为，甲醇越早喷入缸内，在燃烧始点前与空气混合的时间会更充足，容易在缸内形成更为均质的可燃混合气，爆发出的峰值压力就会越高，但是，当甲醇喷射正时提前到60°CA BTDC时，甲醇已有足够的时间在缸内形成均质混合气，此时继续提前甲醇喷射正时对可燃混合气的混合程度影响很小，所以缸内压力峰值的大小基本一致。

图4 甲醇喷射正时对缸内压力、压力升高率和缸内温度的影响Fig.4 Effect of methanol injection timing on in-cylinder pressure，pressure rise rate and in-cylinder temperature

由图4（b）可知：随着甲醇喷射正时提前，压力升高率峰值逐渐上升；当甲醇喷射正时由10°CA BTDC提前到60°CA BTDC时，压力升高率峰值显著增加，当甲醇喷射正时继续提前，压力升高率峰值的增加幅度减小。这是因为，当甲醇在10°CA BTDC喷射时，缸内混合气进行扩散燃烧，所以压力升高率峰值最低，此时缸内燃烧最为粗暴；随着甲醇喷射正时提前，甲醇在缸内与空气混合程度变好，燃烧质量提高，因此压力升高率峰值升高。当甲醇喷射正时为320～150°CA BTDC时，甲醇在缸内的混合程度基本一致，压力升高率的变化情况也基本相同。

由图4（c）可知：随着甲醇喷射正时提前，缸内最高燃烧温度升高，当甲醇喷射正时由10°CA BTDC提前到60°CA BTDC时，最高燃烧温度大幅增加；随着甲醇喷射正时继续提前，缸内最高燃烧温度的增势变缓，当甲醇喷射正时为237～320°CA BTDC时，缸内燃烧温度的大小趋于一致。

甲醇喷射正时对缸内温度场分布的影响如图5所示。从图5可以看出：在2°CA ATDC时，当甲醇喷射正时为320，237°CA BTDC时，燃烧处在初始阶段，自燃点出现在燃烧室凹坑处；当甲醇喷射正时为150，10°CA BTDC时，火焰已在燃烧室内扩散和传播；当甲醇喷射正时为60°CA BTDC时，燃烧室还未有明显的着火迹象。这说明燃烧始点会随着甲醇喷射正时的提前而推迟。当甲醇喷射正时为10°CA BTDC时，甲醇在缸内与空气混合的时间明显短于其余喷射正时，从而使喷入缸内的甲醇未与空气充分混合就随着喷入缸内的柴油压燃，使火焰聚集在燃烧室的局部区域，未能充分传播。当甲醇喷射正时为320，237，60°CA BTDC时，活塞运动到压缩上止点后，缸内温度逐渐上升。当甲醇喷射正时为150，10°CA BTDC时，缸内温度在压缩上止点后迅速上升。随着甲醇喷射正时的提前角度增大，会得到更为均质的甲醇-空气混合气，但由于缸内没有明显的燃料浓度梯度，且过量空气系数较大，所以燃料的着火界限提高，引起燃烧相位推迟，燃烧等容度降低。甲醇 喷 射 正 时 为320，237，150°CA BTDC时 的 滞 燃期逐渐缩短，虽然甲醇喷射正时为60°CA BTDC时的着火界限较低，但混合气的均匀程度不如甲醇喷射正时为150°CA BTDC时，因此，当甲醇喷射正时为60°CA BTDC时，滞燃期更长。当甲醇喷射正时为10°CA BTDC时，虽然缸内混合气的均匀程度最差，但较低的着火界限和较高的缸内温度使得此时的滞燃期最短。

图5 甲醇喷射正时对缸内温度场分布的影响Fig.5 Effect of methanol injection timing on in-cylinder temperature field distribution

2.3甲醇喷射正时对污染物排放的影响

甲醇喷射正时对碳烟（SOOT）和NOx排放量的影响如图6所示。由图6可知，SOOT排放量随着甲醇喷射正时的提前而减少，甲醇喷射正时为320～150°CA BTDC时，SOOT排 放 量 基 本 相 当。SOOT的生成可以归结为甲醇燃料在高温缺氧环境下的部分氧化和裂解，随着甲醇喷射正时的提前，甲醇的汽化潜热对于缸内温度的影响不再显著，甲醇-空气混合气的浓度逐渐适合燃烧，从而导致SOOT排放量逐渐减少。当甲醇喷射正时为10°CA BTDC时，SOOT排放量急剧增加，这是因为，缸内此时主要进行扩散燃烧，大量的甲醇未能完全燃烧便被排出发动机外。

图6 甲醇喷射正时对SOOT和NOx排放量的影响Fig.6 Effect of methanol injection timing on SOOT and NOx emissions

当甲醇喷射正时为150～10°CA BTDC时，随着甲醇喷射正时的提前，NOx排放量急剧升高，当甲 醇 喷 射 正 时 为320～150°CA BTDC时，NOx排放量变化不大。影响NOx生成的因素包括温度、氧浓度以及反应持续时间，不同喷射正时下进入缸内的空气量以及甲醇的喷射量是相同的，所以缸内的氧浓度是相同的，且反应持续时间对NOx的生成影响有限，因此，缸内温度是影响NOx排放量的主要因素。结合图4（c）可知，随着甲醇喷射正时的提前，较高的缸内温度为NOx的生成提供了大量能量，但相比于纯柴油模式，HCCI模式的NOx排放量已大幅减少。当甲醇喷射正时为10°CA BTDC时，甲醇-空气混合时间较短，混合气质量的下降以及缸内最高温度的降低导致NOx的生成量减少。

甲醇喷射正时对HC和CO排放量的影响如图7所示。促使CO形成的因素较多，如缸内混合气过浓或过稀、O2浓度较低、燃烧温度较低和反应时间较短等。由图7可知，随着甲醇喷射正时的提前，CO排放量逐渐减少，这是由于当甲醇喷射正时提前时，甲醇与空气在燃烧前有较长的时间充分混合，形成均质混合气，且甲醇喷射正时越提前，着火时甲醇汽化潜热对缸内温度影响越小，因此，当甲醇喷射正时提前时，CO排放显著减少。当甲醇喷射正时为10°CA BTDC时，甲醇喷射时刻距燃烧始点较近，缸内的甲醇与空气混合质量较差，局部缺氧环境和甲醇的汽化潜热导致燃料不能完全燃烧，使得CO排放量增加。

图7 甲醇喷射正时对HC和CO排放量的影响Fig.7 Effect of methanol injection timing on HC and CO emissions

HC的生成是由于混合气在缸内温度较低的环境下产生淬熄和部分燃料的完全氧化[6]，这表明HC排放量的多少可在一定程度上显示燃烧进行得是否完全。由图7可知，随着甲醇喷射正时提前，HC排放量先大幅度降低后微弱增加。当甲醇喷射正时为150°CA BTDC时，HC排放量最少，说明此时缸内的温度、压力和混合气浓度最适宜燃烧，且未超出稀燃和富燃极限，此时缸内燃烧质量最好。当甲醇喷射正时为10°CA BTDC时，HC排放量最大，此时缸内燃烧质量最为恶劣。

3 结论

①在HCCI燃烧模式下，当甲醇喷射正时为320～237°CA BTDC时，甲 醇-空 气 混 合 气 的 混 合质量较好且分布均匀；当甲醇喷射正时提前角度较小时，甲醇与空气未能及时混合，导致局部燃油过浓，甲醇-空气混合气严重分层。

②随着甲醇喷射正时的提前，缸内压力峰值所对应的曲轴转角提前，压力峰值也逐渐增高；甲醇喷射正时的提前能够提高缸内混合气的雾化质量和燃烧质量，使压力升高率有所提高，缸内温度分布得更为均匀。

③随着甲醇喷射正时的提前，甲醇具有足够时间与空气混合，在缸内形成均匀的甲醇-空气混合气，使得缸内燃烧情况较好，SOOT，CO和HC的排放量降低，当甲醇喷射正时为150°CA BTDC时，HC排放量最低。随着甲醇喷射正时的提前，甲醇汽化潜热对缸内温度的影响减弱，因此NOx的排放量增加。