噴油時(shí)刻對(duì)汽油-丁醇混合燃料GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

何 浪

(貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

隨著全球化石燃料日益枯乏，嚴(yán)重威脅各國(guó)的能源安全，因此尋找新能源取代現(xiàn)有汽油和柴油成為當(dāng)務(wù)之急。醇類燃料在替代燃料中比較常見，與汽油相比，醇類燃料的熱值低，如乙醇的熱值為汽油的63%，甲醇熱值僅為汽油的47%。相對(duì)于汽油，丁醇汽化潛熱大，因此具有較高的辛烷值[1]，從而可以降低燃燒的最高溫度，一定程度上提高了抗爆性以及降低了NOx的排放，但其點(diǎn)火能量也高于汽油的。

噴油時(shí)刻對(duì)于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響是比較大的。這是因?yàn)樵谥眹娤到y(tǒng)中，噴油時(shí)刻在新鮮充量汽化的熱量對(duì)于熱量的傳遞和混合時(shí)的溫度都有影響，提早噴油能早些冷卻混合氣溫度，這能提高充量系數(shù)。

本文選擇的是B10(90%的汽油與10%的丁醇混合)，原因是丁醇的研究還不完善，現(xiàn)有的研究很少有關(guān)于丁醇的，且都是按照乙醇的研究模式來研究丁醇的。另外，丁醇的汽化潛熱及著火點(diǎn)都相對(duì)較低，如果選擇較高比例的丁醇混合燃料，可能會(huì)導(dǎo)致在壓縮行程的壓燃，使得燃燒不受控制。所以本文選擇丁醇比例相對(duì)較低的混合燃料B10。

1 仿真模擬計(jì)算

1.1 Fluent軟件

Fluent是目前世界上在復(fù)雜流動(dòng)方面最常用的CFD軟件。Fluent軟件計(jì)算熱傳遞、流體等方面問題具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此Fluent軟件在汽車設(shè)計(jì)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等應(yīng)用得比較廣泛[2]。

1.2 燃燒模型

在動(dòng)網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算模擬中，第一步是利用Gambit畫出需要計(jì)算的區(qū)域，指定相應(yīng)的邊界條件類型，第二步得出相應(yīng)的計(jì)算類型，第三步用Fluent對(duì)模型進(jìn)行求解，同時(shí)將某些重要的結(jié)果進(jìn)行直觀的展現(xiàn)。

本文所用到的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸參數(shù)尺寸如下：氣缸缸徑70 mm、沖程67 mm、曲軸半徑33.25 mm、連桿長(zhǎng)度117.5 mm。根據(jù)以上的尺寸，在Gambit畫出相應(yīng)的三維網(wǎng)格模型，然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，本網(wǎng)格的圓柱體部分的網(wǎng)格間距是1.5 mm，頂蓋部分的網(wǎng)格間距是1 mm。要注意網(wǎng)格畫好后在Fluent中要對(duì)其進(jìn)行檢查，若是出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格，可能是網(wǎng)格劃分得過細(xì)，這時(shí)就要對(duì)網(wǎng)格間距稍微放大些，使得網(wǎng)格數(shù)減少，但網(wǎng)格間距不易過大，因?yàn)榫W(wǎng)格間距過大時(shí)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)變性過大從而影響到計(jì)算的精度，所以對(duì)于網(wǎng)格間距的選取要適中。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算過程及噴油時(shí)刻含義

本研究發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸模型參數(shù)如表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸模型參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)在Fluent軟件里設(shè)置一系列的邊界條件，包括網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置、區(qū)域設(shè)置(moveface區(qū)域設(shè)置和deform區(qū)域設(shè)置)、運(yùn)動(dòng)邊界設(shè)置(發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)和下止點(diǎn)位置)等，邊界條件設(shè)置是為了檢驗(yàn)其是否符合氣缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。滿足邊界條件后，用Fluent軟件對(duì)汽油丁醇混合氣的燃燒過程進(jìn)行模擬。在所用的模型中根據(jù)丁醇的比例計(jì)算出丁醇和汽油的噴油持續(xù)時(shí)間、噴油速率及噴油的起始結(jié)束時(shí)刻，作為研究噴油時(shí)刻對(duì)混合氣的影響，故采用控制變量法，即保證其他參數(shù)(噴油持續(xù)時(shí)間、噴油速率、噴油起始結(jié)束時(shí)刻)不變的情況下，改變噴油的起始結(jié)束時(shí)刻也就是改變了噴油的時(shí)刻。

本文使用了含10%的丁醇及90%的混合燃料(后稱為B10)作為燃燒的燃料，在Fluent軟件中進(jìn)行燃燒過程的模擬。分別對(duì)各設(shè)置好的case文件進(jìn)行模擬，待模擬完成后，然后改變噴油的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，生成另外一個(gè)case文件，然后再進(jìn)行下一次的模擬計(jì)算，從而得出不同噴油時(shí)刻下的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度及缸內(nèi)平均NOx變化數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel，然后畫出不同噴油時(shí)刻(70°CA、80°CA、90°CA、100°CA、110°CA)下的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度曲線圖。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1 噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力的影響

圖2所示的是噴油提前角從70°CA增加到110°CA時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的缸內(nèi)壓力變化圖，從圖中可以看出，噴油提前角越大，缸內(nèi)壓力逐漸隨著噴油提前角增大而增大。噴油提前角為70°CA時(shí)，最高壓力約為5.1 MPa；噴油提前角提前到110°CA時(shí)，缸內(nèi)最高壓力為6.9 MPa。此外，可以看出噴油提前角越大，最高壓力值離上止點(diǎn)越近，從圖2可以看出，在噴油提前角為70°CA時(shí)，最高壓力位于上止點(diǎn)后9度，80°CA時(shí)為10度，90°CA時(shí)為7度，100°CA時(shí)為6度，110度時(shí)為5度。顯然在110°CA的噴油提前角時(shí)，燃燒相對(duì)較完善，壓力升高率明顯增大。在100度時(shí)壓力升高點(diǎn)明顯變化，原因可能是丁醇前期部分自燃，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力溫度增大，丁醇分子鏈較短，燃燒速率快[3]，所以在點(diǎn)火時(shí)缸內(nèi)燃燒更加劇烈，從而有明顯的突變點(diǎn)。

噴油提前角越大，缸內(nèi)壓力增大是因?yàn)閲娪驮教崆?，燃料與空氣混合的時(shí)間越長(zhǎng)，混合越均勻，燃燒效果越充分[4]，燃燒過程迅速完成，缸內(nèi)平均壓力值越高，壓力峰值離上止點(diǎn)越近，缸內(nèi)壓力升高率越大。但缸內(nèi)壓力峰值并不是越高越好，通常情況下最佳的壓力峰值在上止點(diǎn)后10°CA左右是比較合適的。因此可以得出噴油時(shí)刻為70°CA左右，缸內(nèi)壓力是比較合適的。

2.2.2 噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

如圖3所示，噴油提前角從70°增加到110°的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度變化情況?？梢钥闯?，噴油提前角越大，缸內(nèi)最高平均燃燒溫度也隨之增大。噴油提前角為70°CA時(shí)，缸內(nèi)燃燒最高溫度是2200 K左右，當(dāng)噴油提前角進(jìn)一步增加到80°CA時(shí)，缸內(nèi)最高溫度為2350 K，90°CA的為2390 K，100°CA的為2400 K，110°CA達(dá)到最大值，為2560 K。這比傳統(tǒng)汽油的最高溫度要低，原因是丁醇的熱值沒有汽油高，另外直噴的燃料在噴射的過程中汽化而吸收熱量，使得最高燃燒溫度在一定程度上得到降低，并且能使充氣系數(shù)(大部分的提升是由于直噴機(jī)沒有了節(jié)氣門，使得進(jìn)氣阻力大大降低)得到提高，對(duì)于在進(jìn)氣沖程噴油的更是如此。另外，噴油的壓力對(duì)燃燒溫度及充氣效率都會(huì)產(chǎn)生影響，但本文不考慮噴油壓力的影響，僅僅看噴油時(shí)刻對(duì)燃燒的影響。需要說明的是，從圖中可以看出膨脹沖程后期的溫度較高，這是由于本模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)J(rèn)是一個(gè)忽略進(jìn)排氣過程的過程，所以燃燒后期的熱量并沒有通過排氣門排除缸外，因此導(dǎo)致了較高的溫度。另外，溫度峰值也是隨噴油時(shí)刻的提前而越接近上止點(diǎn)，因?yàn)槿缟厦鎵毫Ψ治龅哪菢?，這里就不再闡述。

我們還可以從圖中看出，噴油提前角越大，溫度曲線的斜率就越大，也就是說溫度上升的速率就越大。這是因?yàn)殡S著噴油提前角的增加，混合氣混合時(shí)間越長(zhǎng)，混合得就越充分，主燃燒期(燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)燃燒10%到燃燒90%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)燃料所經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角)就越短，導(dǎo)致燃燒速率越大，從而曲線就越陡。

3 結(jié)論

本文通過Fluent的對(duì)不同噴油時(shí)刻的丁醇/汽油燃料的燃燒特性模擬計(jì)算，在噴油持續(xù)時(shí)間、噴油速率、噴油壓力、點(diǎn)火提前角等其他因素不變的前提下，改變噴油時(shí)刻，對(duì)丁醇占10%的汽油-丁醇缸內(nèi)直噴混合氣進(jìn)行燃燒過程的模擬。從模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出：缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度隨噴油時(shí)刻的提前而升高，燃料與空氣混合的時(shí)間更長(zhǎng)，燃燒更迅速。