雷星星，甄旭東，田智，耿杰，李小燕,李汝寧

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，天津 300222；2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨著汽油、柴油等傳統(tǒng)石油能源日益匱乏，尋找替代能源成為現(xiàn)在的重要問(wèn)題。甲醇被視為最有前途的替代燃料之一，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問(wèn)題也逐漸受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員的重視。Gong等研究了稀薄燃燒條件下噴油時(shí)刻以及點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分層混合燃料濃度、燃燒、排放特性的影響，研究表明，存在一個(gè)最佳的噴油和點(diǎn)火時(shí)刻來(lái)獲得缸內(nèi)壓力峰值、放熱率峰值等，且在最佳噴油和點(diǎn)火時(shí)刻，CO、未燃甲醇和HC排放最低，NO排放較高。孫景震和C.Gong等對(duì)直噴式雙火花塞同步點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣體濃度分布、燃燒和排放特性進(jìn)行了數(shù)值研究，研究表明，隨著點(diǎn)火延遲期的增加，未燃甲醇排放顯著增加，NO排放迅速下降。李小平等開(kāi)展了點(diǎn)火時(shí)刻、EGR率及過(guò)稀混合氣3種策略對(duì)降低NO排放的影響研究，結(jié)果表明，隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，NO和HC排放減少，排放溫度升高，而CO先減少后增加。X.Zhen等模擬了不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的初始排放，并基于LES(大渦模擬)和詳細(xì)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，研究了不同點(diǎn)火時(shí)刻、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、混合氣濃度和燃燒室形狀對(duì)火花點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，研究發(fā)現(xiàn)：推遲點(diǎn)火正時(shí)或增加發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比均可降低CO排放；隨著當(dāng)量比的增加，CO排放逐漸增加，當(dāng)量比小于0.9時(shí)，CO逐漸減少，在稀薄燃燒條件下幾乎為0；甲醛在燃燒過(guò)程的后期消耗很快，所以燃燒后殘留的甲醛很少。陳麗麗等研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化點(diǎn)火正時(shí)，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性，在中低負(fù)荷時(shí)尤為明顯。袁泉等研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火時(shí)刻提前能有效降低甲醛排放。趙建峰等研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火時(shí)刻提前可提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度和燃燒穩(wěn)定性，減少炭煙排放，緩解怠速工況下甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放問(wèn)題。本研究基于甲醇的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，開(kāi)展了高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)和非常規(guī)排放特性研究，為大功率甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 模型建立及驗(yàn)證

1.1 研究對(duì)象

與傳統(tǒng)汽油、柴油燃料相比，甲醇有著許多優(yōu)點(diǎn)：汽化潛熱高、辛烷值高、抗爆震性強(qiáng)、著火范圍較寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快、沸點(diǎn)低、凝固點(diǎn)低等。

本研究中甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

本研究根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)建立了火花點(diǎn)火式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的一維仿真模型(見(jiàn)圖1)和三維仿真模型(見(jiàn)圖2)。一維仿真模型能夠?yàn)槿S仿真模型提供計(jì)算初始條件，三維仿真模型用來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮與燃燒過(guò)程。

圖1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型

圖2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型

1.3 計(jì)算模型

本研究基于GT-Power軟件平臺(tái)開(kāi)展一維仿真計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中缸內(nèi)傳熱模型采用Woschi模型，燃燒模型采用SITurb模型。本研究基于Converge軟件平臺(tái)開(kāi)展三維仿真計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中湍流模型采取RNG--模型，點(diǎn)火模型采用Source模型，燃燒模型采用SAGE詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)求解器，其中化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用了Ultan Burke等提出的甲醇化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，該機(jī)理包含46種物質(zhì)和247步基元反應(yīng)。仿真計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量約為1 000 000，最大網(wǎng)格尺寸為4 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.125 mm。

1.4 模型驗(yàn)證

本研究采用的一維發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程整機(jī)仿真模型已在文獻(xiàn)[14]中進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。除此之外，對(duì)于一維模型NO仿真計(jì)算結(jié)果還參考對(duì)比了Li等在相似機(jī)型上的試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖3)，兩者得到的結(jié)果趨勢(shì)較為一致，最大誤差小于7%，可見(jiàn)建立的一維發(fā)動(dòng)機(jī)模型滿足性能仿真的要求。圖4示出了三維模型采用不同的網(wǎng)格尺寸所得到的仿真計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，3種網(wǎng)格尺寸的仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。圖5示出了三維模型仿真計(jì)算結(jié)果與一維模型仿真計(jì)算結(jié)果，同時(shí)參考對(duì)比了C.Gong等在相似機(jī)型上的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，壓力和放熱率的趨勢(shì)基本一致，三者之間的最大誤差小于5%。因此，所建立的三維模型可以用來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮和燃燒過(guò)程。

圖3 一維仿真NOx排放的試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 網(wǎng)格尺寸無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖5 壓力、放熱率一維、三維仿真值與試驗(yàn)值的對(duì)比

2 結(jié)果與分析

本研究選取的工況參數(shù)以及模擬初始條件如下：轉(zhuǎn)速2 000 r/min，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度90%，初始溫度310 K，初始?jí)毫?.12 MPa，缸壁、缸蓋、活塞溫度均為450 K，活塞頂面溫度500 K。

2.1 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)常規(guī)與非常規(guī)組分排放的影響

點(diǎn)火時(shí)刻分別取-6°ATDC，-8°ATDC，-10°ATDC，-12°ATDC，-14°ATDC，研究其對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)有害排放甲醇、甲醛排放，常規(guī)有害排放CO，NO及CO的影響。

不同的點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)甲醇排放質(zhì)量的影響見(jiàn)圖6a，由圖可知, 隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，甲醇由排放峰值開(kāi)始下降的時(shí)刻也會(huì)相應(yīng)推遲，并且從峰值到最小值的持續(xù)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。點(diǎn)火角為-14°ATDC時(shí)，從甲醇排放峰值到最小值持續(xù)了9°，而在點(diǎn)火角為-6°ATDC時(shí)，其持續(xù)了10°。原因則是未燃甲醇的濃度直接受到甲醇消耗量的影響，當(dāng)點(diǎn)火角推遲時(shí)，缸內(nèi)燃燒會(huì)惡化，壓力、溫度都會(huì)降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，缸內(nèi)未燃甲醇近乎于0。

CO是在空氣較濃時(shí)，由于燃料的不完全燃燒而產(chǎn)生的。由圖6c可知, 隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，CO峰值排放量的出現(xiàn)時(shí)刻也會(huì)推遲。點(diǎn)火時(shí)刻從-14°ATDC推遲到-10°ATDC，排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻CO的排放量由0.328 mg減少到0.325 mg，而點(diǎn)火時(shí)刻從-10°ATDC推遲到-6°ATDC時(shí)，CO排放量則由0.325 mg增加到0.332 mg。

NO的主要成分為NO，NO的生成包含高溫NO、激發(fā)NO、燃料NO三個(gè)來(lái)源。小部分NO來(lái)自于預(yù)混合燃燒的高溫環(huán)境，而大部分NO產(chǎn)生在擴(kuò)散燃燒中。由圖6d可知，燃燒過(guò)程中NO生成量先增加后減少。隨著點(diǎn)火角的推遲，NO峰值出現(xiàn)時(shí)刻也有所推遲，并且峰值降低，其原因則是點(diǎn)火角的推遲會(huì)使缸內(nèi)燃燒溫度降低，NO的濃度因而減小。隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，缸內(nèi)的氧含量逐漸降低，導(dǎo)致NO生成量下降。

CO是一種無(wú)色氣體，本身沒(méi)有毒性，但它是產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”的主要成分，同時(shí)它也是表征燃燒性能的重要參數(shù)，相同噴油量下CO排放越多代表燃燒性能越好。由圖6e可知，CO會(huì)在燃燒前中期快速產(chǎn)生，在燃燒后期增加得比較緩慢。其原因是燃燒過(guò)程前期氧氣較充足，隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，氧氣越來(lái)越少，CO生成減緩。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，隨著點(diǎn)火角的推遲，CO的質(zhì)量會(huì)從-14°時(shí)的159.6 mg減少到-6°時(shí)的157.3 mg，表明缸內(nèi)燃燒變差。

圖6 不同點(diǎn)火時(shí)刻下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.2 當(dāng)量比對(duì)常規(guī)與非常規(guī)組分排放的影響

從圖6中可以看出，未燃甲醇和甲醛的生成量在排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)都近乎于0，CO的生成量在點(diǎn)火角為-10°ATDC時(shí)最低。隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，NO的排放量和CO排放量逐漸降低。本部分研究點(diǎn)火角取-10°ATDC，當(dāng)量比分別取0.83，0.91，1，1.11，1.25。

圖7示出了不同的當(dāng)量比對(duì)缸內(nèi)甲醇、甲醛、CO、NO、CO生成的影響。由圖7a可知，隨著混合氣濃度的增加，甲醇燃燒滯燃期和持續(xù)期縮短。其原因是當(dāng)量比大于等于1時(shí)，混合氣偏濃，火焰?zhèn)鞑ジ尤菀祝紵酶?，因此燃燒持續(xù)期更短；當(dāng)量比小于1時(shí)，則相反。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，無(wú)論當(dāng)量比為多少，缸內(nèi)未燃甲醇幾乎為0。

由圖7b可知，當(dāng)量比分別為0.83和1.25時(shí)，甲醛排放峰值分別達(dá)到最小和最大。由對(duì)比可知，甲醛排放量整體趨勢(shì)都是先增加然后減少，這完全可以由甲醛的生成機(jī)理來(lái)解釋。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，缸內(nèi)甲醛近乎于0。

CO主要是由缸內(nèi)缺氧而造成的不完全燃燒產(chǎn)生的，由圖7c可知，混合氣越濃，氧含量就越低，CO的生成量也會(huì)越高，同時(shí)CO峰值出現(xiàn)時(shí)刻也會(huì)越來(lái)越提前。其原因是稀薄混合氣下，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟瘜W(xué)反應(yīng)速率減小。由此可見(jiàn)，當(dāng)量比對(duì)CO的排放有很大的影響。

由圖7d可知，隨著混合氣濃度變稀，NO排放峰值以及排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)的排放量都在增大。當(dāng)量比在1.25到0.91這一范圍內(nèi)，混合氣濃度變稀，此時(shí)高溫富氧的NO生成條件都滿足，因此NO的生成增加；當(dāng)量比在0.91到0.83這一范圍內(nèi)，隨著當(dāng)量比的過(guò)度減小，混合氣濃度過(guò)稀，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度過(guò)低，抑制了NO的生成。

由圖7e可知，當(dāng)量比為1時(shí)，CO的生成量最大，達(dá)到158.7 mg，說(shuō)明此時(shí)缸內(nèi)混合氣燃燒較為充分。當(dāng)量比小于1時(shí)，CO排放量減小，原因是混合氣濃度變稀，有稀釋作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，?dǎo)致CO的生成量減少；當(dāng)量比大于1時(shí)，與完全燃燒時(shí)相比，CO的量也會(huì)減少，原因是濃度高的區(qū)域燃燒后的溫度也較高，已經(jīng)生成的CO也會(huì)有一小部分分解成CO和O。

圖7 不同當(dāng)量比下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.3 EGR率對(duì)常規(guī)與非常規(guī)組分排放的影響

本部分研究點(diǎn)火時(shí)刻取-10°ATDC，EGR率分別取0，10%，15%，20%，25%。

由圖8a可以看出，EGR率增大具有稀釋的功能，導(dǎo)致缸內(nèi)的氧含量降低，缸內(nèi)溫度降低，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，甲醇燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，同時(shí)甲醇著火滯燃期變長(zhǎng)，并且缸內(nèi)混合氣由于稀釋作用導(dǎo)致甲醇含量減少。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，無(wú)論EGR率為多少，缸內(nèi)未燃甲醇的排放近乎于0。

由圖8b可以看出，隨著EGR率增大，甲醛排放峰值下降，甲醛峰值出現(xiàn)時(shí)刻也會(huì)推遲，并且甲醛從生成到消耗的持續(xù)期變長(zhǎng),其原因在于缸內(nèi)EGR率增大，氧含量降低。甲醛的生成與消耗同溫度有很大關(guān)系，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)廢氣越來(lái)越多，溫度逐漸降低，甲醛消耗逐漸減少，兩者疊加，導(dǎo)致甲醛的排放峰值降低。隨著EGR率的增加，缸內(nèi)溫度降低，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，導(dǎo)致缸內(nèi)甲醛從生成到消耗的持續(xù)期變長(zhǎng)。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，缸內(nèi)甲醛量也近乎于0。

由圖8c可以看出，隨著EGR率增加，CO峰值下降，峰值出現(xiàn)時(shí)刻推遲，生成到消耗的持續(xù)期變長(zhǎng)。其原因是隨著EGR率的增加，燃燒室溫度和氧含量都降低，CO的氧化反應(yīng)被減弱，導(dǎo)致CO排放下降。從圖中也可以看出，在排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻CO排放量增加得不太明顯，最大值僅在0.33 mg左右。

由圖8d可以看出，隨著EGR率增加，NO峰值出現(xiàn)時(shí)刻推遲，峰值也逐漸減小。排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)的排放量也逐漸降低，當(dāng)EGR率為25%時(shí)，NO的排放量甚至接近0。其原因是燃燒室高溫條件下空氣中的氮?dú)夂脱鯕獍l(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生NO，無(wú)EGR引入時(shí)，燃燒溫度較高，容易產(chǎn)生NO；隨著EGR率的增大，缸內(nèi)溫度降低，氧氣濃度下降，導(dǎo)致生成的NO減少。由此可見(jiàn)，EGR技術(shù)是降低NO的重要措施之一，當(dāng)EGR率大于25%時(shí)，NO的生成量接近于0。

由圖8e可以看出,隨著EGR率的增加，CO初始的量會(huì)越來(lái)越多，氧含量降低，溫度下降，反應(yīng)速率變慢，導(dǎo)致CO排放達(dá)到峰值的時(shí)間變長(zhǎng)。

圖8 不同EGR率下的甲醇、甲醛、CO、NOx、CO2排放量

2.4 缸內(nèi)常規(guī)與非常規(guī)組分的演變

在點(diǎn)火角為-10°ATDC、當(dāng)量比為1、EGR率為0的條件下，研究缸內(nèi)溫度、甲醇、甲醛、CO、NO以及CO的變化。

由圖9可知，隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，缸內(nèi)溫度越來(lái)越高，只有甲醇演變過(guò)程與其相反，其余組分都與溫度演變一致，說(shuō)明缸內(nèi)溫度是影響排放的主要因素之一。

圖9 燃燒過(guò)程中缸內(nèi)溫度、甲醇、甲醛、CO、NOx和CO2的演變圖

從圖中可以看出，隨著火花塞附近區(qū)域溫度增加，聚集在火花塞附近的甲醇、甲醛的量減少，通過(guò)觀察它們的位置，可推測(cè)在冷啟動(dòng)或者怠速下，未燃甲醇與甲醛殘留很多時(shí)，主要聚集在溫度比較低的氣缸壁附近，溫度是影響這兩種排放物的主要原因。隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，溫度逐漸增加，火花塞附近的氧含量逐漸降低，導(dǎo)致CO，NO，CO的排放量增加,并且它們的生成趨勢(shì)都是從火花塞附近向缸壁擴(kuò)展。當(dāng)排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)，除了NO和CO，其余物質(zhì)的排放量近乎于0，由此可得出此時(shí)的排放物主要為CO和NO。

3 結(jié)論

a)隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，CO排放有所降低，當(dāng)點(diǎn)火角為-10°ATDC時(shí)，CO排放最少；隨著當(dāng)量比和EGR率的增加，CO排放有所增加，其中當(dāng)量比的影響更為顯著；

b)當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，缸內(nèi)未燃甲醇和甲醛的排放量幾乎都為0，可推斷出甲醛與未燃甲醇是在排氣管內(nèi)產(chǎn)生的；隨著點(diǎn)火時(shí)刻推遲、當(dāng)量比增大、EGR率減小，甲醇的反應(yīng)持續(xù)時(shí)間都會(huì)縮短；隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲和EGR率的增加，甲醛峰值的出現(xiàn)時(shí)刻有所推遲，此外，增大EGR率還會(huì)使甲醛峰值減??；

c)當(dāng)缸內(nèi)未燃甲醇與甲醛濃度較高時(shí)，缸內(nèi)的溫度相對(duì)較低，由此推斷在低溫的氣缸壁區(qū)域能產(chǎn)生大量的未燃甲醇和甲醛；

d)隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，當(dāng)量比和EGR率的增加都會(huì)使NO的排放減少；

e)隨著點(diǎn)火角的推遲和EGR率的增加，CO排放減少，當(dāng)量比為1時(shí)，CO的排放量達(dá)到最大。