楊疑

摘要：指出了低溫環(huán)境下受霧化及蒸發(fā)的影響，甲醇發(fā)動機(jī)此時啟動十分困難，容易導(dǎo)致失火現(xiàn)象，從而帶來巨大的HC排放。如何在低溫環(huán)境下使得缸內(nèi)形成理想的可燃混合氣是解決甲醇發(fā)動機(jī)低溫冷啟動排放的有效手段。利用數(shù)值計算方法對低溫冷啟動甲醇發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度分步進(jìn)

行了模擬計算。計算結(jié)果表明：推遲噴射時刻能夠改善缸內(nèi)混合氣濃度分布，使得在火花塞附近能夠聚集較高濃度的混合氣，同時缸內(nèi)濃混合氣分布區(qū)域逐漸增大，有利于改善缸內(nèi)混合氣濃度分布。

關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動機(jī)；低溫冷啟動；燃燒；蒸發(fā)

中圖分類號：X705

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）18014403

1引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展同時，汽車已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，汽車尾氣污染物排放也成為當(dāng)今環(huán)境的主要污染源之一。為改善環(huán)境污染提高人們生活環(huán)境質(zhì)量，2016年國家環(huán)保部和國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》全面提高了輕型汽車尾氣排放測試要求，對排放污染物限值也更加嚴(yán)格＼[1，2＼]。同時提出了對PM及PN的排放限值要求。“國六”排放法規(guī)的實施必將給國內(nèi)汽車企業(yè)帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)及壓力。

為使汽車達(dá)到“國六”法規(guī)排放要求，國內(nèi)汽車企業(yè)將投入巨大資金對滿足“國六”排放法規(guī)的發(fā)動機(jī)平臺進(jìn)行研究開發(fā)；大大增加了開發(fā)周期，不利于新產(chǎn)品的投入，也給汽車企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)壓力的雙重作用下，尋求一種清潔可持續(xù)發(fā)展的替代燃料是解決當(dāng)前困難的有效途徑。經(jīng)過不斷地探索和研究，發(fā)現(xiàn)甲醇是一種很理想的替代燃料。甲醇是一種含氧燃料在燃燒過程中不會產(chǎn)生PM和PN，同時具有很低的CO和HC排放＼[3，4＼]，這將使得在原有國五發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上燃燒甲醇燃料能夠?qū)崿F(xiàn)國六法規(guī)對排放污染物的要求。雖然甲醇發(fā)動機(jī)具有眾多優(yōu)點，然而甲醇燃燒時發(fā)動機(jī)尾氣含氧中卻有較高的醇醛等排放，造成新的環(huán)境污染，其中甲醛對人體健康傷害尤為嚴(yán)重，日本和歐美等眾多國家已經(jīng)將一些醛類物質(zhì)列入重點污染物名單＼[5＼]。甲醇具有很高的汽化潛熱，因此冷啟動困難，會帶來大量的污染物排放，研究發(fā)現(xiàn)在測試循環(huán)中超過75%的污染物排放是在冷啟動階段產(chǎn)生的，因此如何有效控制冷啟動階段排放是重中之重。針對甲醇發(fā)動機(jī)低溫冷啟動困難的問題，國內(nèi)許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)如果改善缸內(nèi)混合氣濃度分布，進(jìn)而改善缸內(nèi)混合氣燃燒質(zhì)量是改善甲醇發(fā)動機(jī)冷啟動排放的有效手段＼[6，7＼]。

針對甲醇發(fā)動機(jī)低溫環(huán)境下甲醇霧化及蒸發(fā)困難，本文主要是在一臺經(jīng)柴油機(jī)改裝的缸內(nèi)直噴點燃式甲醇發(fā)動機(jī)上運(yùn)用商業(yè)三維仿真軟件AVL-FIRE研究噴射時刻對甲醇發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度分布的影響。

2計算模型

本文研究對象是基于一臺大缸徑的單缸柴油機(jī)改裝而成的缸內(nèi)直噴點燃式發(fā)動機(jī)，為了在火花塞附近聚集大量濃混合氣改善缸內(nèi)混合氣燃燒，對發(fā)動機(jī)噴嘴做了特殊改進(jìn)，將原柴油機(jī)4噴空均勻分布的噴嘴改裝成7噴空不均勻分布。計算使用AVL-FIRE軟件進(jìn)行三維瞬態(tài)計算，針對噴霧過程，破碎模型采用Huh/Gosman模型，碰壁模型采用Walljet模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型；湍流模型采用k-zeta-f模型。

使用三維瞬態(tài)計算首先必須對發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行動態(tài)網(wǎng)格劃分，發(fā)動機(jī)動態(tài)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1。為減少計算工作量，對CFD模型進(jìn)行了簡化，省略了進(jìn)氣道和排氣道，仿真計算從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻（560°CA）到排氣門打開時刻（850°CA BTDC）。由于省略了進(jìn)氣過程，通過AVL-BOOST軟件對缸內(nèi)氣流運(yùn)動渦流比進(jìn)行模擬計算，然后將模擬計算值對進(jìn)氣門關(guān)閉時刻缸內(nèi)氣

流運(yùn)動進(jìn)行初始化賦值。模擬計算動態(tài)網(wǎng)格由軟件自帶的Fame Engine Plus 對模型進(jìn)行動網(wǎng)格劃分。從動態(tài)網(wǎng)格圖中可以看出，所畫的動態(tài)網(wǎng)格質(zhì)量較為滿意，

全部是質(zhì)量較好的網(wǎng)格，沒有出現(xiàn)影響計算結(jié)果的負(fù)網(wǎng)格，因此夠很好的保證模擬計算結(jié)果準(zhǔn)確性和精度。

為確保模擬計算準(zhǔn)確度，本文采用試驗所采集缸內(nèi)壓力曲線與模擬計算的缸內(nèi)進(jìn)行對比分析，缸內(nèi)壓力對比分析結(jié)果如圖2所示。從圖中可以得知，仿真計算所得數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)吻合較好誤差在5%以內(nèi)，完全滿足計算所需精度要求。

3計算結(jié)果分析

本文主要研究環(huán)境溫度為263K，進(jìn)氣預(yù)熱溫度為283K，發(fā)動機(jī)啟動轉(zhuǎn)速為800r/min，過量空氣系數(shù)λ=1.5，噴射時刻為41°CA BTD，45°CA BTD，49°CA BTD，53°CA BTD，57°CA BTD不同噴射時刻對缸內(nèi)混合氣濃度分布的影響進(jìn)行研究。

為了能夠得清楚得到發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度分布，將對氣缸內(nèi)混合氣三維濃度進(jìn)行分析，為了能夠清楚分析缸內(nèi)混合氣濃度分布，本文將對氣缸的橫向及縱向進(jìn)行三維切片制作，以便更加清楚明了展示發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣的空間分布。不同噴射時刻缸內(nèi)混合氣三維空間濃度分布如圖3所示。

從圖3可知，當(dāng)噴射時刻為41°CA BTD時，缸內(nèi)混合氣濃度分布比較理想，濃混合氣分布比較集中，在氣缸壁附近沒有聚集大量濃混合氣，隨著噴射時刻提前，缸內(nèi)濃混合氣分布區(qū)域面積逐漸減小且集中在缸壁附近區(qū)域，當(dāng)噴射時刻提前為57°CA BTD時缸內(nèi)混合氣濃度分布很分散，不能有效形成濃混合氣區(qū)域，并且在缸壁附近聚集大量濃混合氣，極大惡化了缸內(nèi)混合氣分布。分析其原因是當(dāng)噴射時刻為41°CA BTD時，由于此時缸內(nèi)空氣在活塞的壓縮做功作用下，缸內(nèi)氣體溫度和壓力得到有效升高，能夠極大促進(jìn)缸內(nèi)甲醇的蒸發(fā)，同時由于活塞上行壓縮的作用缸內(nèi)氣流運(yùn)動強(qiáng)度增大，在缸內(nèi)氣流運(yùn)動的作用下能夠使得蒸發(fā)的甲醇蒸汽得到有效聚集；隨著噴射時刻提前，缸內(nèi)氣體溫度和壓力都較低，使得甲醇的蒸發(fā)速率很慢，在缸內(nèi)的渦流作用下蒸發(fā)的甲醇和容易被吹散不能夠得到有效聚集，同時由于噴射時刻提前缸內(nèi)蒸發(fā)的甲醇蒸汽會在長時間的渦流作用下更容易被吹散；當(dāng)噴射時刻提前到57°CA BTD此時缸內(nèi)溫度更低甲醇蒸發(fā)速率更慢，甲醇蒸汽收到缸內(nèi)渦流的作用時間更長，從而使得甲醇蒸汽被吹散，缸內(nèi)混合器濃度分布更加惡劣，沒有聚集的濃混合氣區(qū)域，且在缸壁附近聚集較濃混合氣，極大惡化了缸內(nèi)混合器分布。

4結(jié)論

（1）當(dāng)噴射時刻為41°CA BTD時缸內(nèi)混合氣濃度分布較為理想，存在較大的濃混合氣區(qū)域，提前噴射時刻不利于缸內(nèi)混合氣濃度分布，缸內(nèi)混合氣濃度分布惡化，濃混合氣區(qū)域逐漸減小。

（2）提前噴射時刻不利于缸內(nèi)混合氣濃度分布，在缸內(nèi)渦流的作用下濃混合氣逐漸向缸壁附近區(qū)域靠近。

（3）當(dāng)噴射時刻提前到57°CA BTD時，缸內(nèi)混合氣濃度極大惡化，已經(jīng)不能夠形成有有效的濃混合氣區(qū)域，并且在缸壁附近區(qū)域存在較濃的混合氣。

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