基于混合氣濃度分析的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究

李小燕，甄旭東，耿 杰，劉大明，赫 洋

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

石油作為一種非可再生能源，短缺問題日益嚴(yán)峻，亟需特性大致相同的替代燃料。甲醇由于技術(shù)體系成熟、獲取方便、成本低等優(yōu)勢有望作為戰(zhàn)略備用燃料。然而，甲醇燃燒尾氣中可能含有醛類和未燃甲醇，導(dǎo)致環(huán)境受到污染。近年來國內(nèi)外相關(guān)研究人員持續(xù)開展了這一領(lǐng)域的研究，如天津大學(xué)的姚春德、汪洋、美國西南研究院等[1-18]，對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能、排放等做了深入研究，為日后的大馬力甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究提供了新的途徑。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對混合氣濃度進(jìn)行匹配標(biāo)定，耗時(shí)冗長且需要大量人力、物力、財(cái)力，本文借助軟件工具進(jìn)行仿真優(yōu)化，采用GT-Power軟件進(jìn)行計(jì)算仿真，設(shè)置不同混合度、點(diǎn)火提前角和負(fù)荷，對比發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的性能變化，提出較為恰當(dāng)?shù)幕旌蠚鉂舛葏?shù)，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，縮短系統(tǒng)匹配的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

1 點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

GT-Power是由美國GTI公司開發(fā)的可用于內(nèi)燃機(jī)性能模擬與仿真計(jì)算的軟件，它的理論基礎(chǔ)為時(shí)域的方法，并基于非線性一維流體力學(xué)模型對實(shí)體模型進(jìn)行分析計(jì)算，采用有限體積法計(jì)算流體的能量方程、焓方程、動(dòng)量方程和連續(xù)性方程組成的聯(lián)合方程組[19]，建立發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字模型，為后續(xù)GT-Power建立發(fā)動(dòng)機(jī)物理模型打下良好的理論基礎(chǔ)。

1.1 燃燒模型

為了獲得缸內(nèi)壓力示功圖，本文采用零維模型，即韋伯函數(shù)模擬燃燒放熱率：

式中：QB為燃料燃燒放出的熱量；φ為瞬時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角；Qg為每循環(huán)燃料燃燒放熱量；Δφ為燃燒持續(xù)角度；m為燃燒品質(zhì)指數(shù)；φVB為燃燒開始曲軸轉(zhuǎn)角。

1.2 傳熱模型

傳熱計(jì)算公式為：

式中：α為瞬時(shí)換熱系數(shù)；QW為與外界交換的熱量；i為氣缸數(shù)；TW為傳熱表面平均溫度；ω為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)量；A為傳熱表面積。

1.3 進(jìn)氣管模型

在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，應(yīng)滿足如下方程：

（i）連續(xù)性方程

（ii）動(dòng)量方程

式中：ρ為密度；u為速度；A為截面積；x為軸線；V為單位體積；F為摩擦力；E為氣體能量；qw為傳熱。

（iii）能量方程

2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真模型的建立及分析

利用仿真軟件GT-Power，在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，建立火花點(diǎn)燃式甲醇四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，其參數(shù)如表1所示。

表1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程整機(jī)仿真模型，如圖1所示。所建模型在文獻(xiàn)[10]中已就類似的發(fā)動(dòng)機(jī)模型在所屬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過測試驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算結(jié)果符合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試結(jié)果，可用于對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)仿真模型

與汽油混合氣空燃比一樣，甲醇混合氣濃度同樣可以用過量空氣系數(shù)（下文簡述為系數(shù)）表示。系數(shù)為1.0時(shí)，為理論混合氣；系數(shù)大于1.0時(shí)，為稀混合氣；系數(shù)小于1.0時(shí)，為濃混合氣。本文所選取的分析工況參數(shù)：轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，節(jié)氣門開度為90%，EGR率為 0。當(dāng)系數(shù)分別為 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 時(shí)，分析甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力曲線、熱效率曲線和NOx排放曲線，并優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2.1 混合氣濃度對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和排放的影響

不同混合氣濃度的缸內(nèi)壓力、放熱率和NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖2所示。

圖2 不同混合氣濃度的缸內(nèi)壓力、放熱率和NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)

當(dāng)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、點(diǎn)火角保持一定時(shí)，隨著混合氣濃度的增加，缸內(nèi)壓力和放熱率均增加，同時(shí)NOx的排放也較低。當(dāng)系數(shù)為1.0時(shí)，壓力峰值、放熱率峰值同時(shí)達(dá)到最大；隨著混合氣變稀，峰值逐漸降低，而且峰值發(fā)生時(shí)刻較為接近，均在上止點(diǎn)后8°～10°附近，三者均反應(yīng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和排放性能；隨著混合氣濃度增加，滯燃期變短，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，氣缸壓力和溫度降低，充氣效率增加。此時(shí)，混合氣為理想混合氣，燃燒較為充分且理想，混合氣變稀后動(dòng)力性逐漸降低。NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值變化趨勢正好相反，在混合氣濃度為1時(shí)，燃燒較為充分，排放較低，隨著混合氣變稀，缸內(nèi)溫度升高，NOx排放峰值逐漸增加，但如果混合氣濃度過稀，則混合氣體分子間距離過大，火焰?zhèn)鞑プ兊美щy，燃燒速率降低，燃燒時(shí)間變長，溫度升高速率降低，燃燒效率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降，NOx排放濃度大幅下降。

2.2 點(diǎn)火時(shí)刻對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的匹配影響

當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻分別為-8°、-10°、-12°時(shí)，系數(shù)分別選取 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0，由圖2可知，當(dāng)系數(shù)為 1.0時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值、放熱率峰值均達(dá)到最大，NOx的排放量和排放量峰值相對較低，因此在此仿真圖中，只提取了具有代表性的系數(shù)為1.0的情況進(jìn)行分析，點(diǎn)火角分別為-8°、-10°、-12°時(shí)，缸內(nèi)壓力、放熱率和NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示。隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，氣缸的壓力和壓力峰值、放熱率和放熱率峰值、NOx排放量峰值均呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢，在-12°時(shí)達(dá)到最高，并且峰值發(fā)生時(shí)刻有所提前，更加偏離壓縮線，缸內(nèi)平均有效壓力提高，動(dòng)力性提高；同時(shí)終燃混合氣受到排擠作用加大，溫度增加，NOx排放升高。因此，綜合發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和排放等多方面因素考慮，點(diǎn)火時(shí)刻選取10°較為合理。

圖3 點(diǎn)火角分別為-8°、-10°、-12°時(shí)，缸內(nèi)壓力、放熱率和NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 負(fù)荷對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的匹配影響

當(dāng)節(jié)氣門開度分別為90%、70%、50%時(shí)，系數(shù)分別選取 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0，由圖2可知，當(dāng)系數(shù)為1.0時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值、放熱率峰值均達(dá)到最大，NOx的排放量和排放量峰值相對較低，因此在此仿真圖中，只提取了具有代表性的系數(shù)為1.0的情況進(jìn)行分析。節(jié)氣門開度分別為90%、70%、50%時(shí)，缸內(nèi)壓力、放熱率和NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖4所示。當(dāng)系數(shù)為1.0，在節(jié)氣門開度從90%降至50%時(shí)，充氣量大幅降低，但是缸內(nèi)殘余廢氣量不變，殘余廢氣系數(shù)增加，滯燃期增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆?，散熱損失相對增加，油耗率增加，氣缸壓力和溫度的峰值有所降低，但是降低的幅度并不大，NOx排放量變化也不大。

圖4 節(jié)氣門開度分別為90%、70%、50%時(shí)，缸內(nèi)壓力、放熱率和NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 結(jié)語

本文采用GT-Power軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，在轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，節(jié)氣門全開，不同的混合度、點(diǎn)火提前角和負(fù)荷下，對比發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓、放熱率和排放污染物變化，從而選出最為恰當(dāng)?shù)幕旌蠚鉂舛葏?shù)，仿真計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻為-10°，EGR率為0時(shí)，缸內(nèi)壓力和放熱率隨著混合氣濃度的增加而增加，同時(shí)NOx的排放先增加后降低，系數(shù)在1.2附近達(dá)到最大值；當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.0時(shí)，隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，氣缸壓力和放熱率也隨之增加，NOx的排放先增大后降低，當(dāng)點(diǎn)火提前角為10°時(shí)，動(dòng)力性能較大，排放相對較低；當(dāng)混合氣濃度不變時(shí)，隨著負(fù)荷的變化，氣缸壓力、放熱率及NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化均不明顯。