莫瑞 談秉乾 胡亞輝 李盼

1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院 云南省昆明市 650224 2.無錫恒和環(huán)?？萍加邢薰?江蘇省無錫市 214174

1 引言

內(nèi)燃機(jī)作為一種動(dòng)力機(jī)械，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、發(fā)電、建筑工程等領(lǐng)域，但隨之帶來的環(huán)境污染問題日益加劇，因此，探索綠色清潔替代燃料勢(shì)在必行，如甲醇、生物柴油、氫氣、天然氣、聚甲氧基二甲醚等。其中，甲醇因其成本低、易于儲(chǔ)存和廣泛分布而成為廣泛研究的柴油機(jī)替代燃料[1]。然而，添加醇類燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。甲醛已被美國(guó)環(huán)境保護(hù)局列為可能致癌物，工作場(chǎng)所中甲醛濃度受到嚴(yán)格限制。甲醛在室溫下是一種無色、劇毒、易燃的氣體，具有強(qiáng)烈刺激性氣味。甲醛是眼睛、皮膚和呼吸道的刺激物，甲醛蒸氣會(huì)導(dǎo)致支氣管變窄，肺部積液。低劑量的甲醛暴露可導(dǎo)致急性頭痛、鼻炎和呼吸困難，高劑量可能會(huì)引起嚴(yán)重的粘膜刺激、流淚和下呼吸道影響，如支氣管炎、肺水腫或肺炎[2]，攝入30mL37%的甲醛溶液就會(huì)導(dǎo)致成年人死亡。

甲醇和PODE 這兩種含氧燃料具有廣闊的應(yīng)用前景和研究基礎(chǔ)。但添加醇類燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比柴油機(jī)排出的甲醛更多，限制了其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[3]。因此，必須系統(tǒng)研究甲醛排放的生成影響因素，采取有效措施控制甲醛的排放。研究人員針對(duì)甲醇添加量對(duì)PODE/甲醇混合燃料在高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃燒和排放特性展開了研究，研究發(fā)現(xiàn)甲醇比例增加延長(zhǎng)了點(diǎn)火遲滯時(shí)間，而甲醛和甲醇等非常規(guī)排放量也會(huì)有所增加[4]。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、噴油時(shí)刻和進(jìn)氣溫度也是影響甲醛生成特性的重要因素[4]。因此，從污染物控制的角度上，有必要圍繞PODE/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛形成過程及其影響因素系統(tǒng)開展臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架及設(shè)備

試驗(yàn)研究采用的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)4 缸增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。圖1 所示為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意圖。為了實(shí)現(xiàn)PODE/甲醇雙燃料燃燒模式，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)增加了一套額外的甲醇控制系統(tǒng)。甲醇系統(tǒng)控制進(jìn)氣道噴射甲醇燃料，噴射壓力固定為0.4MPa。原機(jī)共軌系統(tǒng)控制缸內(nèi)直噴PODE 燃料，噴油壓力設(shè)定為150MPa。原機(jī)ECU 系統(tǒng)控制策略開放，可以通過INCA 軟件調(diào)整噴射參數(shù)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

在試驗(yàn)研究中，測(cè)試設(shè)備主要包括由電力測(cè)功機(jī)、油耗儀、醇耗儀、壓力傳感器、電荷放大器以及傅里葉紅外光譜儀等，主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)見表2。壓力傳感器用以測(cè)量雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力和放熱率，而傅里葉紅外光譜儀用來測(cè)量雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛排放。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)主要設(shè)備和測(cè)試儀器

2.2 仿真模型建立

本研究采用CFD軟件CONVERGE 建立PODE/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒數(shù)值模型，探討不同甲醇比例下雙燃料燃燒中的缸內(nèi)溫度場(chǎng)和甲醛的形成過程。采用了包含101 個(gè)組分和473 個(gè)反應(yīng)的PODE/甲醇燃燒反應(yīng)機(jī)理模型，采用RNG k-ε 模型模擬缸內(nèi)湍流，采用LEM 模擬燃料噴射過程，采用KH-RT 模型模擬液滴破裂過程，采用O‘Rourke 模型模擬PODE 噴霧液滴的碰撞。

根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用UG 軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室三維模型，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器為8 孔且均勻分布，因此建立1/8 燃燒室模型。燃燒室計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖2所示。該網(wǎng)格的基本網(wǎng)格尺寸為2.0mm，并采用3.0 的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化尺度，生成的最小網(wǎng)格尺寸為0.25mm，以提高預(yù)測(cè)精度。

圖2 缸內(nèi)燃燒仿真模擬的計(jì)算域

2.3 燃燒模型驗(yàn)證

選擇2400r/min 和50%負(fù)荷工況，甲醇比例為30%，進(jìn)行缸內(nèi)壓力和放熱率的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，其對(duì)比結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在雙燃料燃燒模式下的模擬與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致，最大誤差小于5%。其仿真的點(diǎn)火延遲期、燃燒壓力峰值、放熱率峰值等主要燃燒特征參數(shù)也與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。因此，該燃燒模型可用于預(yù)測(cè)PODE/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程。

圖3 缸內(nèi)壓力和放熱率的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

2.4 研究方法

在試驗(yàn)研究中，首先選定額定轉(zhuǎn)速2400r/min 的30%、50%、70%負(fù)荷，在PODE的噴油正時(shí)為-7CA ATDC（上 止點(diǎn)后）和進(jìn)氣溫度為50C 條件下，研究不同負(fù)荷下甲醇比例（M0、M10、M20、M30、M30、M40、M50）對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的影響。其次，在50%負(fù)荷和50C進(jìn)氣溫度下，研究M0 和M30 模式的甲醛排放隨著噴油正時(shí)（-10、-7、-4、-1 和 -2CA ATDC）的變化規(guī)律。最后，在50%負(fù)荷和噴油正時(shí)為-7CA ATDC 下，研究了進(jìn)氣溫度（30、40、50 和60C）對(duì)M0 和M30 模式甲醛排放的影響規(guī)律。

3 研究結(jié)果及分析

3.1 仿真研究結(jié)果

圖4（a）為在轉(zhuǎn)速2400r/min 和50%負(fù)荷工況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同甲醇比例條件下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)的分布特性。可以發(fā)現(xiàn)，隨著甲醇比例的增加，缸內(nèi)高溫區(qū)域面積減小，缸內(nèi)最高溫度下降，溫度場(chǎng)分布更加均勻。這是因?yàn)榧状既剂系膿]發(fā)性和汽化潛熱較大，在一定程度上延長(zhǎng)了著火滯燃期；同時(shí)，PODE 有良好的蒸發(fā)氧化特性，減少了缸內(nèi)的貧氧區(qū)域，使得缸內(nèi)混合氣分布更加均勻。因此，在燃燒后期，缸內(nèi)高溫區(qū)域面積減小，缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布變得均勻。

圖4 甲醇比例對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)和甲醛濃度場(chǎng)分布的影響

圖4（b）為在轉(zhuǎn)速2400r/min 和50%負(fù)荷工況下，不同甲醇比例下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)甲醛濃度場(chǎng)的分布特性?？梢钥闯?，雙燃料燃燒模式的甲醛排放隨著甲醇比例的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。結(jié)合圖4（a）缸內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況可以看出，甲醛濃度最高的區(qū)域出現(xiàn)在火焰前鋒面之后。此外，可以發(fā)現(xiàn)2000～2500K的溫度范圍內(nèi)的甲醛生成速率較快，這是由于該溫度范圍內(nèi)容易發(fā)生甲醇的脫氫反應(yīng)生成甲醛。

3.2 試驗(yàn)研究結(jié)果

圖5 為不同負(fù)荷下甲醇比例對(duì)PODE/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的影響?？梢钥闯?，隨著甲醇比例的增加，甲醛排放增加。在50% 負(fù)荷下，與M0 模式相比，M10、M30、M20、M40 和M50 的甲醛排放分別提高了129.6%、203.8%、289.0%、376.0%和385.0%。這是因?yàn)榧兹┦羌状既紵闹虚g產(chǎn)物，與甲醇燃料的不完全燃燒是直接相關(guān)的，因此隨著甲醇比例增加而增加。隨著負(fù)荷的增加，雙燃料模式的缸內(nèi)溫度和燃燒效率增加，因而降低了甲醛排放。

圖5 甲醇比例對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的影響

圖5 為在轉(zhuǎn)速2400r/min 和50%負(fù)荷下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放隨噴油正時(shí)的變化規(guī)律。可以看出，隨著噴油正時(shí)的延遲，甲醛排放增加。與M0 模式相比，M30 模式甲醇排放明顯增加。當(dāng)噴油正時(shí)從-10°CA ATDC推遲至2° CA ATDC時(shí)，M30 模式的甲醛排放增加了72.0%。這是因?yàn)閲娪驼龝r(shí)的延遲導(dǎo)致缸內(nèi)甲醇燃料不能完全氧化和燃燒，缸內(nèi)壓力和溫度也開始降低，且在較低溫度下甲醇非常容易生成甲醛排放。

圖6 為轉(zhuǎn)速2400r/min 和50%負(fù)荷下，進(jìn)氣溫度對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的影響。從圖中可以看出，M30 模式的甲醛排放隨著進(jìn)氣溫度的增加而減少，而M0 模式甲醛排放先上升后降低，但均維持在較低水平。當(dāng)進(jìn)氣溫度從30°C 依次上升至40°C、50°C和60°C 時(shí)，M30 模式的甲醛排放分別降低了1.5%、10.6%和11.2%。缸內(nèi)溫度在很大程度上決定了甲醛和未燃甲醇的生成和氧化進(jìn)程。較高的缸內(nèi)溫度減少未燃甲醇的形成，進(jìn)而促進(jìn)甲醛的氧化。這表明缸內(nèi)燃燒反應(yīng)過程變得更加激烈，有利于提高雙燃料燃燒效率，從而降低不完全燃燒產(chǎn)物甲醛生成。

圖6 噴油正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的影響

圖7 進(jìn)氣溫度對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醛排放的影響

4 結(jié)論

本研究通過臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了缸內(nèi)燃燒中甲醛分布特性與演變過程，并系統(tǒng)研究甲醇比例、噴油時(shí)刻和進(jìn)氣溫度對(duì)PODE/甲醇雙燃料燃燒模式甲醛排放特性的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）隨著甲醇比例的增加，雙燃料燃燒模式的缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布變的更加均勻，缸內(nèi)最高溫度值下降。隨著甲醇比例的增加，雙燃料燃燒的甲醛排放增加，而發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加會(huì)使得甲醛排放減少。

（2）隨著噴油正時(shí)的推遲，雙燃料燃燒的甲醛排放呈上升趨勢(shì)。當(dāng)噴油正時(shí)從-10° CA ATDC推遲至2° CA ATDC 時(shí)，M30 模式的甲醛排放增加了72.0%。進(jìn)氣溫度的增加將導(dǎo)致雙燃料燃燒的缸內(nèi)氧化反應(yīng)提前，降低甲醛排放。當(dāng)進(jìn)氣溫度從30°C升高至60°C 時(shí)，M30 模式的甲醛排放降低了11.2%。