MPI+GDI發(fā)動機稀薄燃燒性能研究

韓榮，蔣炎坤，陳燁欣，何都

(華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

面對能源安全、環(huán)境污染、排放法規(guī)日趨嚴格等問題，實現(xiàn)內(nèi)燃機的清潔、高效燃燒已成為現(xiàn)階段內(nèi)燃機行業(yè)的主要目標[1]。甲醇作為最簡單的飽和一元醇，其燃燒性能良好，排放清潔，被研究人員認為是性能優(yōu)良的汽車替代燃料；而稀薄燃燒技術(shù)可讓混合氣得到更加充分的燃燒，提高燃油經(jīng)濟性[2]。研究人員針對甲醇燃料和稀薄燃燒做了大量研究。

甲醇作為車用燃料采用柴油-甲醇復(fù)合燃燒(DMCC)時，可以減少CO、HC、NOx和炭煙的排放[3-4]，當配合柴油氧化催化劑(DOC)和顆粒氧化催化劑(POC)使用時，微粒數(shù)量和質(zhì)量濃度顯著降低[5-6]。關(guān)于汽油-甲醇的復(fù)合噴射研究發(fā)現(xiàn)，進氣道噴射甲醇-缸內(nèi)直噴汽油和進氣道噴射汽油-缸內(nèi)直噴甲醇相比于純汽油發(fā)動機，均能提高經(jīng)濟性、抑制爆震和降低顆粒物排放[7]。使用甲醇汽油混合燃料的缸內(nèi)直噴發(fā)動機隨著過量空氣系數(shù)增加，缸內(nèi)峰值壓力和峰值溫度降低，燃燒持續(xù)期增長，CO排放降低，NOx排放先增大后降低，顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度都呈下降趨勢[8]。使用純甲醇的缸內(nèi)直噴發(fā)動機在分層稀燃大負荷下經(jīng)濟性和排放性都比較好，小負荷工況下較差[9]。

可見，復(fù)合噴射系統(tǒng)能根據(jù)工況變化采用不同的噴油策略，通過進氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種方式靈活調(diào)節(jié)雙燃料的替代比，更容易實現(xiàn)稀薄燃燒，優(yōu)化發(fā)動機性能?，F(xiàn)有文獻表明，對MPI+GDI復(fù)合噴射發(fā)動機在稀燃模式下的燃燒和排放性能研究較少。因此，本研究基于1臺缸內(nèi)直噴光學發(fā)動機，加裝進氣道噴射系統(tǒng)，形成MPI+GDI的復(fù)合噴射系統(tǒng)，研究稀薄燃燒條件下發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒和排放特性。

1 發(fā)動機建模和試驗驗證

為了保證計算精度，采用自適應(yīng)加密和指定區(qū)域加密技術(shù)對流體區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，同時比較了使用不同網(wǎng)格尺寸計算得出的缸內(nèi)壓力曲線，如圖1所示，網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸小于6 mm時，缸內(nèi)壓力曲線基本重疊，考慮到3 mm網(wǎng)格計算時間大大增加，本研究網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸選為4 mm[10]；根據(jù)流體速度和溫度梯度加密網(wǎng)格，最小網(wǎng)格為0.44 mm；對氣缸內(nèi)區(qū)域和噴油器液滴控制區(qū)加密至1 mm，進氣門座加密至0.44 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 網(wǎng)格密度敏感性

圖2 發(fā)動機進排氣缸內(nèi)計算區(qū)域網(wǎng)格劃分結(jié)果

仿真計算模型參數(shù)選擇如表1所示。邊界條件設(shè)置如表2所示。表3示出發(fā)動機基本參數(shù)。圖3示出光學機臺架布置示意，試驗臺架配備甲醇和汽油供給和噴射系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、潤滑油供油系統(tǒng)、冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)、火花塞式缸壓傳感器和倒拖電機等。計算機中的上位機、CAN卡和發(fā)動機ECU組成電控系統(tǒng)，可靈活調(diào)節(jié)燃料的噴射時刻、噴射脈寬以及點火時刻。圖4示出發(fā)動機臺架實物。

表1 仿真模型設(shè)定

表2 邊界條件確定

表3 發(fā)動機基本參數(shù)

圖3 光學機臺架布置示意

圖4 光學機實物

缸壓曲線驗證工況選取M80燃料，轉(zhuǎn)速1 200 r/min，GDI噴射質(zhì)量3.57 mg，GDI噴射壓力15 MPa，GDI噴射時刻630°ATDC，MPI噴射質(zhì)量31.62 mg，MPI噴射壓力0.5 MPa,MPI噴射時刻310°ATDC，節(jié)氣門全開，過量空氣系數(shù)1.3，點火時刻-20°ATDC。圖5示出了模擬和試驗的缸壓曲線，兩者變化趨勢相同，試驗缸內(nèi)壓力峰值5.64 MPa，出現(xiàn)時刻9.82°ATDC，模擬缸壓峰值為5.76 MPa，出現(xiàn)時刻10.82°ATDC，缸內(nèi)壓力峰值誤差僅2.13%，表明計算模型能夠基本準確反映發(fā)動機真實性能[16]。

圖5 試驗和模擬缸壓曲線

本研究按熱值計算燃料替代比，例如M80燃料代表甲醇燃料熱值占總熱值的80%。參數(shù)設(shè)置如表4所示。本研究中過量空氣系數(shù)選取1.2，1.3，1.4，1.5，燃料選取M60，M70，M80，M90。當探究過量空氣系數(shù)的影響時，燃料選取M80；當探究甲醇替代比的影響時，過量空氣系數(shù)選取1.3。

2 過量空氣系數(shù)對燃燒和排放的影響

2.1 過量空氣系數(shù)對燃燒過程的影響

圖6示出不同過量空氣系數(shù)下缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。點火后，火焰產(chǎn)生于火花塞附近并逐步向外拓展；在-5°ATDC時，隨著過量空氣系數(shù)的增加，火焰?zhèn)鞑プ兟?，高溫區(qū)域面積和已燃區(qū)域溫度隨過量空氣系數(shù)增加而降低；在10°ATDC時，過量空氣系數(shù)1.2～1.4時火焰已經(jīng)傳播至氣缸壁附近，而過量空氣系數(shù)1.5時火焰僅傳播缸內(nèi)區(qū)域約三分之二處，直至上止點后20°才傳播至氣缸壁，這是由于過量空氣系數(shù)較大，缸內(nèi)混合氣較為稀薄，導(dǎo)致著火較為緩慢。

圖7示出了不同過量空氣系數(shù)下的缸內(nèi)放熱率曲線。過量空氣系數(shù)1.2時，放熱靠前且集中，放熱率峰值最大，達84.86 J/(°)。過量空氣系數(shù)1.5時，放熱嚴重滯后，放熱率峰值出現(xiàn)在上止點后12°，后燃較嚴重。缸內(nèi)溫度的變化可從圖8看出，過量空氣系數(shù)1.2時，缸內(nèi)溫度峰值為2 508 K，過量空氣系數(shù)1.5時下降至2 178 K。隨著過量空氣系數(shù)增加，溫度峰值下降，且出現(xiàn)時刻推后，溫度升高率下降，過量空氣系數(shù)增加引起缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑p慢，后燃現(xiàn)象增強。

圖7 不同過量空氣系數(shù)下放熱率曲線

圖8 不同過量空氣系數(shù)下缸內(nèi)平均溫度

圖9示出了過量空氣系數(shù)對缸內(nèi)壓力的影響。由圖可知，隨著過量空氣系數(shù)增加，缸壓峰值從6.86 MPa下降至4.62 MPa，且出現(xiàn)時刻推遲。這是由于缸內(nèi)混合氣燃料總質(zhì)量隨過量空氣系數(shù)增加而越來越少，導(dǎo)致缸內(nèi)最大壓力降低。峰值壓力推遲的原因是火花塞附近混合氣稀薄，不利于著火和初期火焰?zhèn)鞑?，放熱重心后移，這與之前放熱率曲線規(guī)律相契合。圖10示出了過量空氣系數(shù)對指示熱效率的影響，隨著過量空氣系數(shù)增加，缸內(nèi)混合氣愈加稀薄，指示熱效率呈上升趨勢。過量空氣系數(shù)1.5時，指示熱效率為41.5%，比過量空氣系數(shù)1.2時高2.01%，這是因為稀薄燃燒時缸內(nèi)氧氣含量充足，缸內(nèi)燃料能得到充分燃燒，盡管燃料總能量減少，但是轉(zhuǎn)化為指示功的能量比例增大。

圖9 不同過量空氣系數(shù)下缸內(nèi)壓力變化

圖10 不同過量空氣系數(shù)下指示熱效率

2.2 過量空氣系數(shù)對排放特性的影響

圖11示出過量空氣系數(shù)對CO排放的影響，過量空氣系數(shù)增加，CO排放減少，在過量空氣系數(shù)1.3時CO排放量僅為過量空氣系數(shù)1.2時的12%，過量空氣系數(shù)對CO排放的影響較大。稀薄燃燒時，CO排放量始終處于極低水平，其主要原因是：CO作為不完全燃燒的產(chǎn)物，在過量的氧氣下被充分消耗。排放中存在的THC主要是燃燒不完全所致，圖12示出了THC排放隨過量空氣系數(shù)的變化情況。由圖可知，隨著過量空氣系數(shù)增加，THC排放總體呈先下降后升高趨勢，過量空氣系數(shù)為1.4時最低，這是因為過量空氣系數(shù)增加，缸內(nèi)氧含量豐富，燃燒較為充分，從而THC排放下降；但是隨著過量空氣系數(shù)進一步增加，缸內(nèi)燃燒過程變差，不能保持穩(wěn)定燃燒，從而導(dǎo)致THC排放升高，但是總體來說在保證持續(xù)燃燒的稀燃情況下，THC排放總體較少。

圖11 不同過量空氣系數(shù)下CO排放量

圖12 不同過量空氣系數(shù)下THC排放量

圖13示出了過量空氣系數(shù)對NOx生成及排放的影響。NOx排放隨過量空氣系數(shù)增加而降低，過量空氣系數(shù)1.5時的NOx生成量僅為過量空氣系數(shù)1.2時的13.7%，其原因主要是缸內(nèi)溫度的不同。由圖8可知，過量空氣系數(shù)1.2時峰值溫度最大，高溫停留時間最長，所以缸內(nèi)NOx生成速率和生成量最大，排放量最高。

圖13 不同過量空氣系數(shù)下NOx生成量

3 甲醇替代比對燃燒和排放的影響

稀燃條件下，當甲醇熱值比例低于60%時缸內(nèi)燃燒不充分，存在大量的區(qū)域失火現(xiàn)象，各類排放物較高，故本研究給出的數(shù)據(jù)從M60開始。

3.1 甲醇替代比對燃燒過程的影響

圖14示出了不同甲醇替代比下缸內(nèi)溫度云圖。由圖可知，點火后，火焰開始由火花塞向四周傳播，在上止點時，M60燃料火焰僅傳播了二分之一的區(qū)域，且溫度較低，隨著甲醇替代比增加，火焰?zhèn)鞑^(qū)域面積明顯增加，并且區(qū)域內(nèi)溫度明顯升高。甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.523 m/s，高于汽油的火焰?zhèn)鞑ニ俣?.337 m/s，摻燒甲醇能明顯提高缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋嵘郎囟壬咚俣?。當曲軸轉(zhuǎn)角為8°ATDC時，M90燃料的火焰已傳播至氣缸壁附近，大部分燃料燃燒結(jié)束，而M60燃料正處于主要燃燒階段，缸內(nèi)溫度也在不斷上升。

圖14 甲醇替代比對缸內(nèi)溫度分布的影響

圖15示出缸內(nèi)溫度曲線。隨著甲醇替代比增加，缸內(nèi)溫度提升加快，溫度峰值增加且出現(xiàn)時刻不斷提前，這是由于甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕涂臁８變?nèi)燃燒完成后，溫度隨著甲醇替代比的增加而降低，這是由于高甲醇比例的燃料燃燒速度快，而低甲醇比例燃料燃燒較為靠后，后燃程度嚴重。圖16示出燃燒放熱率曲線，甲醇比例越高，放熱率峰值越大且出現(xiàn)時刻提前，這主要是因為高甲醇比例燃料燃燒等容度高，甲醇燃燒速度快，氧摩爾分數(shù)高，有助于燃料集中放熱，從而改善缸內(nèi)燃燒狀況。

圖15 甲醇替代比對缸內(nèi)溫度的影響

圖16 甲醇替代比對放熱率的影響

圖17示出了缸內(nèi)壓力和甲醇替代比的關(guān)系。隨著甲醇替代比的增加，缸內(nèi)壓力峰值不斷提高且出現(xiàn)時刻提前，M90的缸壓峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角比M60提前了10°，缸壓峰值提升1.445 MPa，這是由于甲醇替代比增加，局部燃油濃區(qū)的氧摩爾分數(shù)增加，燃燒更加充分，并且甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂谄?，整體燃燒速度加快。圖18示出了甲醇替代比對指示熱效率的影響，隨著甲醇替代比增加，指示熱效率呈先增后減趨勢，M90的指示熱效率比M80低，原因是甲醇替代比過大，燃料燃燒速度大大加快，由圖16可知M90部分燃料在上止點前放熱，導(dǎo)致壓縮負功增加，指示熱效率下降。上述結(jié)果表明，在使用高甲醇比例的燃料時，要考慮到缸壓峰值的提前，此時點火提前角也要重新標定，否則燃燒相位過于提前，使得發(fā)動機壓縮過程的負功增加，影響發(fā)動機的穩(wěn)定運行。

圖17 甲醇替代比對缸內(nèi)壓力的影響

圖18 甲醇替代比對指示熱效率的影響

3.2 甲醇替代比對排放特性的影響

圖19示出了甲醇替代比對CO排放的影響。由圖可知，CO排放隨甲醇替代比增加而降低，M90的排放量僅為M60的0.72%。CO為不完全燃燒產(chǎn)物，其排放量降低主要有兩個原因：第一，甲醇含氧量高，氧摩爾分數(shù)高，且碳氫比例小，甲醇比例的增加提高了缸內(nèi)混合氣氧濃度，燃燒更加充分；第二，甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕痛螅紵俣瓤?，使得CO氧化更加充分。圖20示出了甲醇替代比對THC排放的影響，隨著甲醇替代比的增加，THC的排放呈先降后升趨勢，原因主要是：當甲醇替代比較低時，大量GDI噴射的汽油與活塞頭頂部和氣缸壁碰撞，形成附壁油膜，造成不完全燃燒，甲醇替代比增加，撞壁現(xiàn)象減輕，點火時刻混合氣形成情況好，燃燒得到改善，THC排放降低；當甲醇替代比高于M80，GDI噴射質(zhì)量較少，在火花塞附近形成的分層混合氣濃度較低，外周圍存在較濃的甲醇氛圍，甲醇燃燒不完全，所以THC排放增高。

圖19 甲醇替代比對CO排放量的影響

圖20 甲醇替代比對THC排放量的影響

圖21示出了NOx排放和甲醇替代比的關(guān)系。由圖可知，隨著甲醇替代比增加，NOx排放呈上升趨勢。在稀燃條件下，氧含量充足，NOx排放量的不同主要取決于缸內(nèi)燃燒溫度。甲醇替代比高，燃燒速度快，溫度上升速率快，缸內(nèi)峰值溫度增加，所以NOx排放隨甲醇替代比增加而升高。

圖21 甲醇替代比對NOx生成量的影響

4 結(jié)論

a)過量空氣系數(shù)越大，火焰?zhèn)鞑ピ铰?；相同曲軸轉(zhuǎn)角時刻，高溫區(qū)域面積和已燃區(qū)域溫度隨過量空氣系數(shù)增加而降低，并且放熱率峰值出現(xiàn)晚，導(dǎo)致后燃現(xiàn)象增強；缸內(nèi)壓力峰值降低且出現(xiàn)時間推遲；經(jīng)濟性方面，隨著過量空氣系數(shù)增加，指示熱效率呈上升趨勢，過量空氣系數(shù)1.5時的指示熱效率達41.5%；排放方面，CO和NOx隨過量空氣系數(shù)增加呈下降趨勢，過量空氣系數(shù)1.5時僅為過量空氣系數(shù)1.2時的4.05%和13.7%，THC排放呈先降后升趨勢，過量空氣系數(shù)1.4時最低;

b)隨著甲醇替代比增加，缸內(nèi)壓力峰值不斷提高且相位提前，燃燒重心前移，排氣溫度降低；隨甲醇替代比增加，CO氧化量增加，CO排放下降，THC排放先降后升，M70時最低，NOx排放呈上升趨勢，指示熱效率先增后減，降低的原因主要是燃燒速度快導(dǎo)致部分燃料在上止點前燃燒，所以，甲醇替代比增大后應(yīng)適當推遲點火。