高压缩比甲醇发动机非常规排放影响分析

甄旭东,雷星星,田智,耿杰,李汝宁,李小燕

(1.天津职业技术师范大学汽车与交通学院,天津 300222;2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072;3.合肥工业大学汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

2016年颁布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》法规对汽车的减排提出了更高要求。随着我国汽车保有量的增加,以及在环保及节能的双重压力下,寻找一种新的替代燃料已刻不容缓[1]。甲醇作为一种新型燃料,与汽油、柴油相比,它有着辛烷值高、沸点低、能量密度高、抗爆震性强等优势,但其存在燃烧后易产生未燃甲醇及甲醛等非常规排放物等缺点[2]。对于非常规排放物的研究,孙景震等[3]研究发现,当燃空当量比由0.33增大到0.4时,缸内燃烧温度大幅度升高,甲醛能够得到氧化分解,甲醛浓度降低;Gong等[4]和吴继盛等[5]通过进气温度的提高降低了甲醛及未燃甲醇排放;张超等[6]与彭乐高等[7]都发现富氧措施能使缸内燃烧温度升高,缸内环境得到改善,有利于甲醛生成,导致缸内甲醛质量分数升高,同时未燃甲醇质量分数减少;Cheung等[8]研究发现了生物柴油甲醇混合燃料的非常规排放量更高,同时随着混合燃料中甲醇含量的增加,醛类物质和未燃烧甲醇排放量增加。宫长明[9]和袁泉[10]等研究人员发现：增加点火角提前角有利于改善混合气燃烧,提高缸内燃烧温度,有效降低甲醛排放。关于甲醇发动机稀薄燃烧的大量研究表明,未燃甲醇及甲醛排放是点燃式缸内直喷甲醇发动机的首要问题[11-12]。有研究者通过对电控汽油机燃用中高低比例的掺醇燃料的燃烧、排放特性进行研究,得出了掺醇后燃料的一些醇醛排放变化规律[13-14]。目前国内外学者针对甲醇发动机的研究主要集中在小功率发动机上,对于大功率甲醇发动机的非常规排放特性的研究还较为薄弱。本研究通过使用三维CFD软件耦合甲醇的详细化学反应动力学机理,基于不同边界条件,开展了高压缩比甲醇发动机的非常规排放特性研究,以期为大功率甲醇发动机的开发提供借鉴。

1 模型建立及验证

1.1 模型的建立

本研究中发动机是基于某款柴油机改造而成,发动机主要参数见表1。

通过GT-Power仿真平台,根据发动机结构及参数建立了一维仿真模型,其作用是模拟进气过程,为三维CFD仿真计算提供初始条件和边界条件。本研究运用三维CFD仿真软件模拟了进气门关闭 (136°BTDC)到排气门开启(107°ATDC)的压缩与燃烧做功过程,其模型见图1。通过三维仿真计算分析发动机燃烧过程中的非常规排放物的生成与演变过程。

表1 甲醇发动机的参数

图1 甲醇发动机三维仿真模型

基于GT-Power仿真平台开展一维仿真计算,计算过程中缸内传热模型采用Woschi模型,燃烧模型采用SITurb模型。基于CFD软件平台开展三维仿真计算,计算过程中湍流模型采取RNG-k-ε模型,点火模型采用Source模型,燃烧模型采用SAGE详细化学反应求解器,其中化学反应机理采用了Shuojin Ren等[15]提出的包含了178种物质和758步基元反应的甲醇化学反应动力学机理。仿真计算过程中,计算网格数量约为1 000 000,最大网格尺寸为4 mm,最小网格尺寸为0.125 mm[16]。

1.2 模型验证

本研究所采用的发动机工作过程整机一维仿真模型已在文献[17]中进行过试验验证。对于三维模型的验证,由图2a的网格无关性验证可知,网格对计算结果没有太大影响。图2b示出三维模型与一维模型计算结果的对比,同时参考对比了Gong等[18]在相似机型的研究结果,可以看出压力和放热率的趋势基本一致,最大误差在5%以内。因此,本研究所建立的三维模型可以用来模拟发动机的压缩和燃烧过程。

图2 计算模型验证

2 结果与分析

2.1 点火角及负荷对非常规排放的影响

表2列出不同点火角及负荷下的非常规排放计算条件。图3和图4分别示出点火角在-12°ATDC和-6°ATDC条件下排气门开启时刻非常规排放物质未燃甲醇与甲醛的排放结果。由图3可知,随着负荷的增加,未燃甲醇与甲醛的排放都是呈现先减小后增大的趋势。当负荷为50%时,未燃甲醇与甲醛的质量分数分别是9.19×10-6和0.934 4×10-6,都达到最小值。怠速条件下,为了达到减少失火率以及燃烧稳定的目的,过量空气系数小于1,混合气较浓,部分未燃烧甲醇来不及反应而直接被排出,因此这时的甲醇排放量较高;中等负荷时,为了获得良好的燃油经济性以及排放性,过量空气系数约等于1,混合气浓度较均匀,燃烧较为完全,甲醇排放有所减少;在大负荷时,为了获得更好的动力性,发动机过量空气系数也是小于1,混合气较浓,导致甲醇排放增多。甲醛是燃烧过程的中间产物[19],在怠速及大负荷条件下,混合气浓度较高,过量的甲醇燃料在缸内高温高压的条件下发生不完全氧化反应,生成主要产物甲醛。而在中等负荷下,过量空气系数约等于1,燃烧较完全,甲醛生成较少。

表2 不同点火角及负荷下的非常规排放计算条件

图3 -12°ATDC点火角、不同负荷下排气门开启时刻未燃甲醇及甲醛的排放

图4 -6°ATDC点火角、不同负荷下排气门开启时刻未燃甲醇及甲醛的排放

由图4可知,未燃甲醇与甲醛排放特性与图3较为相似,都是随着负荷的增大呈现先减小后增大的趋势,但排放量大幅上升：怠速条件下未燃甲醇的质量分数达到4 100×10-6,甲醛质量分数达到490×10-6;50%负荷时未燃甲醇的质量分数达到640×10-6,甲醛质量分数达到96.9×10-6。通过对比图3和图4可知,增加点火提前角能显著降低未燃甲醇以及甲醛排放,且在小负荷时减小幅度较为明显。其原因是随着点火提前角的增加,缸内压力、温度和放热率等都得到显著改善,燃烧较为完全,从而甲醇和甲醛排放量有所减少[9]。

图5示出未燃甲醇与甲醛的浓度分布。由图5可知,未燃甲醇主要集中在缸壁附近的小范围区域,其原因是混合气浓度分布不均匀,远离火花塞位置温度低,燃烧不完全,过量的甲醇在这里得不到充分燃烧,导致吸附残留在此,随后排出,从而导致未燃甲醇浓度较高。当发动机负荷较小时,随着负荷的增加,未燃甲醇生成的区域逐渐缩减,随着负荷进一步增加,未燃甲醇的生成区域又呈现增加的趋势。对于甲醛,其主要产生位置首先是缸壁附近的小范围区域,其原因则是缸壁附近温度低,燃油碰壁造成雾化不良,加之壁面冷激作用共同导致壁面附近区域的甲醛浓度较高。小负荷工作时,其生成的质量分数较高,甲醛生成的区域也是由几乎充满整个气缸,到最后集中在缸壁小范围区域。相比于中等负荷,当发动机接近高负荷工作时,其生成的质量分数也偏高,甲醛生成区域有向中心扩散的趋势。

图5 -12°ATDC、不同负荷下排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布

图6示出在怠速工况不同点火角条件下,排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布。由图6可知,当点火角从-6°ATDC增加到-12°ATDC时,未燃甲醇与甲醛浓度都会减少,且都集中在缸壁以及缸壁附近小范围区域,靠近火花塞区域浓度较低。原因是增加点火提前角能使缸内燃烧质量变好,燃烧稳定,未燃甲醇与甲醛的生成量都有所减少。

图6 怠速工况不同点火角下排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布

2.2 EGR率及转速对非常规排放的影响

表3列出不同EGR率及转速下的非常规排放计算条件。图7示出在10%EGR率、不同转速条件下,未燃甲醇与甲醛的质量分数变化曲线。由图7可知,随着转速的增加,未燃甲醇的排放不断增加,原因是转速增加导致发动机每循环工作所占的时间减少,燃烧时间变短,甲醇氧化反应时间减少,部分甲醇无法完全反应而残留下来并最终排出缸外。由图7可知,随着转速的增加,甲醛排放则呈现先增加后减小的趋势。低转速下,燃烧时间较长,甲醛有较为充足的时间进一步氧化,导致甲醛生成量较少。高转速下,燃烧时间缩短,缸内气流运动加快,燃烧速度加快,导致甲醛生成量较少。除此之外,发动机在怠速工况下,每次进入缸内进行反应的燃料较少,燃烧室内的空气流动随着转速的升高而加强,这样就使燃料更加的分散从而产生过稀混合气,这部分混合气燃烧延缓,从而导致一部分甲醇会堆积残留,最后以不完全燃烧状态而排出。当转速由1 400 r/min升高至1 800 r/min时,缸内温度占据了主导地位,从而导致甲醛排放量会有所降低[20]。

由图8可知,未燃甲醇与甲醛的排放与图7中的趋势较为一致,都是随着转速的增加,未然甲醇的排放不断增加,甲醛排放则呈现先增加后减小的趋势。由图7和图8中可以看出,相比于EGR率为0%,当EGR率为10%时,未燃甲醇和甲醛的排放量都有明显的下降。由于EGR废气对气体具有加热作用,有利于改善甲醇的蒸发及扩散,因而可进一步提高甲醇与空气的混合质量,促进化学反应速率的增加,导致缸内燃烧质量明显改善,从而有利于降低未燃甲醇和甲醛的排放。因此,采用EGR技术能够有效降低未燃甲醇及甲醛的排放。

表3 不同EGR率及转速下的非常规排放计算条件

图7 10%EGR率、不同转速下未燃甲醇与甲醛的质量分数变化曲线

图8 0%EGR率、不同转速下未燃甲醇与甲醛的质量分数变化曲线

图9示出在10%EGR率及不同转速条件下,排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布。由图9可知,未燃甲醇的浓度随着转速的增大都是由缸壁向中心区域扩散,整体浓度趋势有所上升,都是最先出现在缸壁区域,且集中在缸壁及附近小范围区域。其原因是随着转速的增加,甲醇后期参与反应的时间缩短,导致甲醇残留、浓度增大。随着转速的增加,甲醛的浓度有所增加,当转速为1 400 r/min时达到最大,之后随着转速的增加会有所减小。出现的位置也主要集中在缸壁及附近小范围区域,趋势也是从缸壁附近向中心区域扩散。其原因是该负荷条件下,缸内温度暂时还没有达到甲醛进一步氧化的条件,导致甲醛浓度会越来越高;随着缸内温度上升,甲醛在高温高压的缸内环境下进行下一步氧化,浓度降低。集中在缸壁及附近小范围区域的原因是该区域温度低,燃油碰壁造成雾化不良以及壁面冷激作用等[21]。

图10示出在1 600 r/min转速、两种EGR率条件下,排气门开启时刻的未燃甲醇与甲醛浓度分布。由图10可知,随着EGR率的增加,未燃甲醇和甲醛浓度明显减小,靠近缸壁区域的浓度较高。其原因是随着EGR率的增加,进入气缸的废气增加,缸内混合气的浓度被稀释,导致甲醇参与反应的量变少,未燃甲醇与甲醛有减少趋势。火花塞位置温度较缸壁位置偏高,混合气浓度条件也有利于降低未燃甲醇与甲醛的生成,而缸壁附近温度较低,燃油碰壁造成雾化不良以及壁面冷激作用导致壁面附近区域的未燃甲醇和甲醛浓度较高。

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图10 1 600 r/min、两种EGR率下排气门开启时刻的未燃甲醇与甲醛浓度分布

2.3 当量比及压缩比对非常规排放的影响

表4列出不同当量比及压缩比下的非常规排放计算条件。图11示出在当量比为0.7、不同压缩比条件下,排气门开启时刻未燃甲醇及甲醛的排放。由图11可知,随着压缩比的增加,未燃甲醇与甲醛排放逐渐减小,且未燃甲醇及甲醛减小幅度越来越小,在压缩比达到17.5之后,未燃甲醇与甲醛的生成几乎接近于0。具体原因是增大压缩比能增加缸内的温度和压力,有利于甲醇的燃烧,未燃甲醇与甲醛的质量分数会减小[22]。

表4 不同当量比及压缩比下的非常规排放计算条件

图11 当量比为0.7、不同压缩比下排气门开启时刻未燃甲醇及甲醛的排放

图12 当量比为0.5、不同压缩比下排气门开启时刻未燃甲醇及甲醛的排放

图13示出在当量比为0.7、不同压缩比条件下,排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布。由图13可知,当压缩比较低时,未燃甲醇与甲醛几乎都集中分布在缸壁和缸壁附近小范围区域以及活塞与缸盖的缝隙区域。主要原因则是低压缩比时,缸内燃烧环境较差,压力、温度都较低,燃烧不完全,导致未燃甲醇与甲醛的排放较多。同时甲醇的雾化速度受到缸内环境的影响从而变得缓慢,因此容易附着在活塞上表面与气缸盖之间的狭缝壁面上,导致未能及时燃烧。随着活塞下行,这些未燃甲醇才开始与火焰接触燃烧。当压缩比较高时,缸内温度、压力增加,缸内燃烧较完全,未燃甲醇与甲醛排放减少。

图13 当量比为0.7、不同压缩比下排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布

图14示出在压缩比为15.5、两种当量比条件下,排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布。由图14可知,随着当量比的增加,未燃甲醇及甲醛排放有所减少,且未燃甲醇及甲醛主要集中在缸内温度较低的缸壁附近小范围区域,靠近火花塞附近位置其浓度普遍较低。在靠近气缸壁附近,混合气浓度偏低,加上缸壁的壁面冷激效应,导致在缸壁及附近小范围的低温区域产生大量的未燃甲醇与甲醛。

图14 压缩比为15.5、两种当量比下排气门开启时刻未燃甲醇与甲醛浓度分布

3 结论

a) 随着负荷的增加,未燃甲醇与甲醛的排放呈现先减小后增大的趋势;

b) 点火提前角的增加能有效降低未燃甲醇以及甲醛排放,且在小负荷时减小幅度更为明显;

c) 随着转速的增加,未燃甲醇的排放有所增加,而甲醛排放则是呈现先增加后减小的趋势;

d) EGR能明显降低未燃甲醇及甲醛的排放,且在高转速时较为明显;

e) 增加压缩比能减少未燃甲醇与甲醛排放,当压缩比增加到17.5时,未燃甲醇与甲醛排放接近于0;

f) 当量比的增大能有效减小未燃甲醇与甲醛的排放,当压缩比较小时,减小幅度较为明显;

g) 未燃甲醇与甲醛主要分布在缸壁、缸盖底面与活塞顶面的部分缝隙区域。