摘要：在一臺(tái)經(jīng)過1130單缸柴油機(jī)改造的直噴火花點(diǎn)火甲醉發(fā)動(dòng)機(jī)上，利用商用CFD模擬軟件AVL-FIRE通過模擬計(jì)算分析了進(jìn)氣氧濃度對(duì)缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式甲醉發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)首循環(huán)燃燒的影響。結(jié)果表明：提高進(jìn)氣氧氣濃度缸內(nèi)燃燒壓力略微升高，但是缸內(nèi)燃燒放熱率和缸內(nèi)燃燒溫度明顯升高。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣氧濃度;直噴甲醉發(fā)動(dòng)機(jī);燃燒溫度;燃燒壓力;放熱率

中圖分類號(hào)：TK411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）22-0212-02

1 引言

自20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)汽車工業(yè)得到飛速發(fā)展，國內(nèi)汽車保有量屢創(chuàng)新高，但是巨大的汽車保有量又給環(huán)境及能源問題帶來了極大壓力。尋找一種清潔替代燃燒迫在眉睫。在能源問題日益嚴(yán)峻的環(huán)境下甲醇被認(rèn)為是最具潛力的可持續(xù)發(fā)展替代燃料之一[1]。點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用甲醇燃料燃燒時(shí)不產(chǎn)生碳煙，同時(shí)具有超低CO、NO_x、HC、PAH排放[2]。然而甲醇燃燒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中卻有較高的醇醛等非法規(guī)排放，造成新的環(huán)境污染，其中甲醛對(duì)人體健康傷害尤為嚴(yán)重，日本和歐美等國已經(jīng)將一些醛類物質(zhì)列人重點(diǎn)污染物名單[3]。經(jīng)研究甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的醇醛類排放物主要是產(chǎn)生于冷啟動(dòng)階段，主要是和甲醇的理化特性有關(guān)，甲醇的汽化潛熱是汽油的3倍，在冷啟動(dòng)階段由于水溫較低，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體溫度也較低，為了能夠使得甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)能夠順利啟動(dòng)需要噴射大量的甲醇以確保足夠的甲醇可燃混合氣;加上發(fā)動(dòng)機(jī)提溫度低導(dǎo)致甲醇混合氣在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒不充分產(chǎn)生大量的未燃燒的甲醇及甲醇的不完全燃燒物甲醛[4～6]。因此改善冷啟動(dòng)階段甲醇混合氣的燃燒質(zhì)量是降低醇醛排放有限手段[7]。

本文主要研究不同進(jìn)氣氧氣含量對(duì)缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒的影響，包括缸內(nèi)燃燒壓力，缸內(nèi)燃燒溫度及缸內(nèi)燃燒放熱率。

2 計(jì)算方法

計(jì)算采用三維商用CFD模擬軟件AVL-FIRE完成。發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

3 模型驗(yàn)證

為確保模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，本文主要是通郭將仿真計(jì)算的邊界條件設(shè)置為和試驗(yàn)的邊際條件一致，通過對(duì)比模擬計(jì)算的缸內(nèi)燃燒壓力與模擬計(jì)算的更內(nèi)燃燒壓力進(jìn)行對(duì)比分析。模擬計(jì)算與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如圖1所示。從圖1可知模擬計(jì)算得出的缸內(nèi)燃燒壓力與試驗(yàn)得出的缸內(nèi)燃燒壓力吻合很好，誤差在5%以內(nèi)，完全滿足模擬計(jì)算的精度要求。

4 計(jì)算結(jié)果

本文主要研究環(huán)境溫度為298K，大氣壓力為98.3kPa，起動(dòng)轉(zhuǎn)速為295r/min，過量空氣系數(shù)為1.0，點(diǎn)火正時(shí)為-8°CA ATDC、噴油正時(shí)為-39°CA ATDC及噴油量不變條件下，不同進(jìn)氣氧濃度（進(jìn)氣氧濃度分別為0.26、0.31、0.36、0.41）對(duì)缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響。

不同進(jìn)氣氧氣濃度對(duì)缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力的影響如圖2所示。從圖2可知隨著進(jìn)氣氧氣濃度的升高缸內(nèi)燃燒壓力略微升高，但是基本保持不變，但是缸內(nèi)燃燒最高壓力的位置略微推遲。分子起主要的原因是在冷啟動(dòng)階段由于剛開始發(fā)動(dòng)機(jī)水溫以及燃燒室內(nèi)的溫度偏低，甲醇蒸發(fā)量少，不利于缸內(nèi)甲醇混合氣的燃燒，滯燃期大大加長(zhǎng)，從而使得在上止點(diǎn)缸內(nèi)可燃混合氣燃燒量特別少，釋放的燃燒化學(xué)能量也很少，不利于缸內(nèi)混合氣提的壓力提高;同時(shí)在上止點(diǎn)后膨脹過程中缸內(nèi)體積不斷增大，也不利于壓力的升高。

不同進(jìn)氣氧氣濃度對(duì)缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度的影響如圖3所示。從圖3可知隨著進(jìn)氣氧氣濃度的不斷升高，缸內(nèi)最高燃燒溫度也相應(yīng)升高，尤其是檔進(jìn)氣氧氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.21上升到0.26時(shí)候缸內(nèi)燃燒溫度上升十分明顯，溫度上升接近200K;當(dāng)進(jìn)氣氧氣濃度進(jìn)一步上升，缸內(nèi)燃燒溫度上升幅度逐漸減小。分析原因主要是進(jìn)氣氧氣濃度提高了，氧氣是助燃劑能夠促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的燃燒，加快燃燒速率，燃耗速率越快釋放出的化學(xué)能越多，缸內(nèi)溫度上升就更加明顯。

不同進(jìn)氣氧氣濃度對(duì)缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力的影響如圖4所示。

從圖4可知，隨著進(jìn)氣氧氣濃度逐漸上升缸內(nèi)燃燒的放熱率也逐漸增大，并且放熱率峰值也逐漸升高。檔進(jìn)氣氧氣質(zhì)量濃度由0.21上升到0.26時(shí)缸內(nèi)燃燒放熱率上升最為明顯，檔進(jìn)氣氧氣濃度進(jìn)一步升高，放熱率上升幅度減慢。分析原因是當(dāng)進(jìn)氣氧氣濃度上升，缸內(nèi)氧氣逐漸增多，氧氣作為一種助燃劑檔濃度增大能夠極大從今缸內(nèi)混合氣的燃燒，燃燒速率越快，放熱率越大。

5 結(jié)論

（1）提高進(jìn)氣氧氣濃度對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的升高作用不顯著，缸內(nèi)燃燒壓力升高不明顯;但是隨這進(jìn)氣氧氣濃度上升，缸內(nèi)燃燒最高壓力點(diǎn)時(shí)刻會(huì)略微推遲。

（2）提高進(jìn)氣氧氣濃度對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的提高效果比較顯著，尤其是檔進(jìn)氣氧氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.21上升到0.26缸內(nèi)燃燒溫度上升接近200K。

（3）提高進(jìn)氣氧氣濃度對(duì)缸內(nèi)燃燒放熱率的效果比較顯著，隨著就親你氧氣濃度的升高缸內(nèi)燃燒放熱率逐漸上升，且放熱率峰值也相應(yīng)上升，尤其是當(dāng)進(jìn)氣氧氣濃度從0.21上升到0.26缸內(nèi)燃燒放熱率峰值上升顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮寶利，崔連波，彭澤高，等.噴射時(shí)刻對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及非法規(guī)排放的影響[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2019（1）：16～20.

[2]宮寶利，彭樂高，宮長(zhǎng)明，等.進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及醇醛類排放影響研究[J].汽車技術(shù)，2019（1）：43～47.

[3]孫景震.油耗測(cè)試循環(huán)中混合動(dòng)力汽車48V電池電量特性研究[J].綠色科技，2019（18）：190～191.

[4]杜愛民，靳爭(zhēng)，陳垚伊，等.直噴汽油機(jī)潤(rùn)滑油行駛適應(yīng)性試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2019（4）：78～82.

[5]王開德，韓凱凱.基于增程式電動(dòng)汽車的能量管理控制策略研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2019（3）：38～45.

[6]呂大立，李海龍，景亞兵.基于混合建模的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸模態(tài)分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2019（4）：47～51.

[7]彭樂高，宮長(zhǎng)明，宮寶利，等.富氧下甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)燃燒及非法規(guī)排放[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2017，35（5）：423～428.

收稿日期：2019-11-05

作者簡(jiǎn)介：熊衛(wèi)東（1993-），男，助理工程師，主要從事排放質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)工作。