王斌

摘 要：基于一款經(jīng)柴油機(jī)改裝的非均勻分布的五噴孔的缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機(jī)，利用商用CFD數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算模擬了不同燃空當(dāng)量比下缸內(nèi)混合氣濃度分布情況。計(jì)算結(jié)果表明：經(jīng)特殊改裝的噴孔能夠提高火花塞附近的混合氣濃度，同時(shí)還改善缸內(nèi)整體混合氣濃度分布，使得缸內(nèi)混合氣濃度分布更加合理，縮小混合氣濃度極度稀薄區(qū)域面積。

關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動機(jī)；混合氣濃度；模擬計(jì)算；燃空當(dāng)量比

中圖分類號：TK16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0123-02

Abstract： Based on a modified diesel engine with non-uniform distribution of five injection holes， a commercial CFD numerical calculation software was used to simulate the distribution of in-cylinder mixture concentration under different fuel/air equivalent ratios. The calculation results show that the specially modified nozzle can increase the mixture concentration near the spark plug and improve the overall mixture concentration distribution in the cylinder， which makes the mixture concentration distribution in the cylinder more reasonable and reduces the area of extreme rarefaction of mixture concentration.

Keywords： methanol engine； mixture concentration； simulation calculation； fuel/air equivalent ratio

2016年國家環(huán)保局聯(lián)合各個機(jī)動車車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心及各大車企法規(guī)部擬定了堪稱史上最嚴(yán)法規(guī)的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》。該法規(guī)不僅加嚴(yán)了相應(yīng)排放物的限值，增加了排放顆粒物數(shù)量的要求，測試循環(huán)也更加貼近目前汽車在道路上所面臨的復(fù)雜多變的工況。而且增加了實(shí)際行駛污染物排放（RDE）的排放測量，同時(shí)加大了對加油過程污染物的控制要求。根據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，我國在用的汽車保有量已經(jīng)突破2億輛，且絕大部分為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，并且還保持高速增長的趨勢，研究表明汽車尾氣排放已成為大氣污染物的最主要的來源之一；更為嚴(yán)重的是國際油價(jià)屢創(chuàng)新高，給消費(fèi)者帶來了更大的經(jīng)濟(jì)壓力。因此在能源能與環(huán)保的雙重壓力下，迫切尋找一種清潔的可持續(xù)發(fā)展的替代燃料已成為當(dāng)今最為重要的任務(wù)。

甲醇燃料來源廣泛，可由化學(xué)合成等方式大量獲取[1]，最為關(guān)鍵的是甲醇為液態(tài)燃料，能量密度高，便于存儲和運(yùn)輸；同時(shí)由于甲醇是一種含氧燃料，作為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃料，尾氣中的CO、HC、NOx等排放物很少，能夠減小環(huán)境污染壓力[2]。然而由于甲醇所具有的物理化學(xué)性質(zhì)，其燃燒后容易生成未燃甲醇及甲醛等非常規(guī)排放物。其中甲醛對人體的傷害非常大，已經(jīng)被歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家列為重點(diǎn)污害排放物[3]。此外甲醇的理化特性決定了甲醇的汽化潛熱大，和汽油相比甲醇的汽化潛熱是汽油的近三倍，高的汽化潛熱導(dǎo)致甲醇蒸發(fā)時(shí)吸收大量熱有利于降低缸內(nèi)溫度從而提高進(jìn)氣效率，然而在低溫條件下也造成了冷啟動困難等問題。大連民族大學(xué)的宮長明教授針對甲醇發(fā)動機(jī)的冷啟動問題研究了三種不同預(yù)熱方式對冷啟動著火特性的影響及DISI分層稀薄燃燒、噴嘴開啟壓力、及點(diǎn)火時(shí)刻對甲醇發(fā)動機(jī)燃燒及排放的影響[4-5]。國外學(xué)者對于甲醇在缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)上稀薄燃燒下的分層混合氣做出了大量研究，大部分研究結(jié)果表明未燃甲醇及甲醛是點(diǎn)燃式缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機(jī)的主要問題[6]。本文主要針對甲醇在低溫環(huán)境下汽化潛熱大，蒸發(fā)困難導(dǎo)致冷啟動困難從而導(dǎo)致排放劇增的問題，通過三維仿真計(jì)算研究了不同空燃比對缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度分布的影響。

1 仿真平臺搭建

1.1 計(jì)算方法

本文基于一款經(jīng)柴油機(jī)改裝的缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動機(jī)使用三維仿真軟件AVL-Fire耦合甲醇氧化機(jī)理進(jìn)行模擬計(jì)算。其中模擬計(jì)算的邊界條件均為環(huán)境溫度。

由于甲醇有較大的汽化潛熱值導(dǎo)致蒸發(fā)困難，且相同負(fù)荷條件下，甲醇噴射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柴油的噴射量且甲醇的潤滑效果差，為減少甲醇對噴油嘴的磨損及在火花塞附近形成較濃的混合氣以助以著火。因此對噴油器進(jìn)行改進(jìn)，將4孔噴油嘴修改為7孔非均勻性噴嘴，改進(jìn)后的噴嘴見圖1。

1.2 模型的驗(yàn)證

本文仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性驗(yàn)證主要通過缸內(nèi)燃燒壓力進(jìn)行驗(yàn)證。主要通過在相同的試驗(yàn)工況下按照試驗(yàn)工況條件設(shè)置仿真計(jì)算的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，通過仿真計(jì)算得到的缸內(nèi)燃燒壓力曲線與試驗(yàn)采集到的缸內(nèi)壓力曲線進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和精度。圖2為缸內(nèi)燃燒壓力仿真計(jì)算與試驗(yàn)值對比，從圖中可以看出模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，因此表明仿真計(jì)算準(zhǔn)確性很高，完全能夠滿足計(jì)算精度要求。

2 結(jié)果與分析

本文主要研究缸內(nèi)之噴甲醇發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速為1600r/min、噴油時(shí)刻為45°CABTDC，燃空當(dāng)量比為0.33、0，40、0.50、0.67對缸內(nèi)混合氣濃度分布影響。

不同燃空當(dāng)量比對混合氣濃度分布的分布影響：

圖3為通過三維仿真計(jì)算的得到的缸內(nèi)混合氣濃度分布圖。從圖中可以看出燃空當(dāng)量比為0.33時(shí)，由于混合氣偏稀，加上噴嘴的特殊布置，導(dǎo)致在火花塞附近噴油器油束密集區(qū)域聚集了部分相對較濃的混合氣，然而在遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域存在大面積的混合氣極度稀薄區(qū)域。當(dāng)燃空當(dāng)量增大到0.4缸內(nèi)混合氣濃度分布規(guī)律不變，都是在火花塞附近噴油器油束密集區(qū)域聚集較濃的混合氣，在遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域都存在混合氣極度稀薄區(qū)域，但是相對燃空當(dāng)量比為0.33時(shí)，火花塞附近噴油器油束密集區(qū)域的混合氣濃度有比較明顯的增大且區(qū)域面積也有了一定程度的增大，且遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域混合氣極度稀薄的區(qū)域面積逐漸縮減。當(dāng)混合氣燃空當(dāng)量比增大到0.5由圖可知火花塞附近噴油器油束密集區(qū)域的混合氣濃度顯著增大，部分區(qū)域的混合氣濃度達(dá)到了0.95接近理論空燃比，且遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域混合氣極度稀薄區(qū)域面積顯著減小，且混合氣濃度也得到比較明顯的升高。當(dāng)混合氣燃空當(dāng)量比增大到0.67時(shí)火花塞附近噴油器油束密集區(qū)域混合氣濃度顯著增大，濃混合氣區(qū)域面積顯著增大，且大部分區(qū)域混合氣濃度都接近理論燃空當(dāng)量比，在遠(yuǎn)離火花塞區(qū)域混合氣濃度極度稀薄區(qū)域面積已經(jīng)很小，且混合氣濃度得到了明顯增大。綜上所知隨著混合氣燃空當(dāng)量比增大，缸內(nèi)混合氣濃度及分布均能得到改善，有利于改善燃燒質(zhì)量，降低排放。

3 結(jié)束語

（1）改進(jìn)后的噴油器能夠有效提高火花塞附近

混合氣濃度，并且濃混合氣區(qū)域面積也隨之增大，有利于改善缸內(nèi)燃燒條件。

（2）增大燃空當(dāng)量比能夠明顯改善缸內(nèi)混合氣

濃度分布，缸內(nèi)混合氣濃度極度稀薄區(qū)域面積顯著減小，能有效避免失火。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝滿，蔣炎坤.汽油機(jī)摻燒甲醇裂解氣試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2016（03）：35-39.

[2]彭樂高，宮長明，宮寶利，等.富氧下甲醇發(fā)動機(jī)冷起動燃燒及非法規(guī)排放[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2017（05）：423-428.

[3]張海燕，張仲榮，劉立東，等.汽油車尾氣中醛酮類化合物排放特征的研究[J].汽車工程，2013，335（3）：207-211.

[4]宮長明，宮寶利，彭樂高，等.點(diǎn)火時(shí)刻對甲醇發(fā)動機(jī)燃燒及非法規(guī)排放的影響[J].車用發(fā)動機(jī)，2017（6）：25-29.

[5]宮長明，彭樂高，張自雷，等.DISI甲醇發(fā)動機(jī)層稀薄燃燒試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2014，6：45-50.

[6]汪洋，王靜，史春濤，等.甲醇發(fā)動機(jī)排放特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25（1）：73-76.