点火正时和EGR对甲醇发动机爆震特性影响研究＊

丁明峰 洪伟 解方喜 钟兵 刘伟

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室；2.福特汽车工程研究（南京）有限公司）

点火正时和EGR对甲醇发动机爆震特性影响研究＊

丁明峰1洪伟1解方喜1钟兵1刘伟2

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室；2.福特汽车工程研究（南京）有限公司）

以一台改装的点火式甲醇发动机为研究对象，通过控制进气压力保证每循环油量为定值，并且按过量空气系数为1进行燃烧，应用CFD软件Fire在易发生爆震的低速大负荷工况分别研究点火正时、EGR率和EGR温度对该发动机爆震指数的影响。结果表明：推迟点火正时可以使压力波动出现在缸压的下降段，有效改善爆震；随EGR率增加，初始爆震指数变化并不明显，之后爆震指数迅速下降；随EGR温度的降低，爆震指数也随之减小；上述3种方式中使用冷EGR降低爆震对缸压的影响最小。

1 前言

爆震燃烧是指火花塞点火后，火焰以30～70 m/s的正常速率向前传播，末端混合气由于受到进一步的挤压和热辐射作用，在正常火焰传播到达之前产生自燃的现象。爆震会导致发动机过热以及零部件应力过大等不利后果，而甲醇已作为高抗爆性、环保性燃料逐渐得到推广。EGR技术在柴油机上应用比较广泛，主要目的是利用废气比热容高、稀释新鲜空气、减缓燃烧速率的作用降低柴油机的NOx排放。虽然甲醇发动机的排放有很大改善，但随着大气环境的日益恶化，EGR在甲醇发动机上的应用也越来越广泛[1～6]。本文在高压缩比发动机上研究点火正时和EGR对甲醇发动机爆震的影响，利用软件AVL FIRE对一台2气门发动机在不同点火正时、EGR率和EGR温度下对发动机的燃烧过程进行模拟计算。

2 CFD模型及试验台架的建立

2.1 CFD模型的建立

2.1.1 计算网格的划分

所研究的甲醇发动机是在一台自然吸气柴油机上加装节气门、EGR系统和点火系统，并改造进气歧管燃料供给系统，从而将其改装成进气道喷射点燃式发动机。该发动机基本工作参数如表1所列。

表1 发动机基本工作参数

定义进气上止点为360°曲轴转角，用FIRE软件中的Fame Engine+工具对发动机模型从进气上止点360°到排气门开启时刻869°的曲轴转角进行动网格划分，后期对活塞、气门、气道等不同部位进行网格细化，最大动网格数为839 717，最小动网格数为149 688。图1所示分别为进气行程下止点540°、压缩上止点720°的计算网格。

2.1.2 边界条件

边界条件的设置对仿真计算精度有重要影响，计算边界包括进气入口、进气道壁面、活塞顶面、缸壁和气缸盖，并分别进行设置：活塞顶面为移动边界，温度为600K；缸壁、气缸盖和进气道壁面为固定边界，温度分别为450K、550K和330K。

2.1.3 初始条件

初始条件设置涉及进气、压缩、做功行程。初始湍动能为：

式中，h为行程；n为转速。湍流尺度为：

式中，hv为气门升程最大值，hv=10.265 mm

2.1.4 数学模型

点火模型选用相关火焰模型中的ECFM模型，该模型适用于火花点火式发动机。湍流模型采用计算稳定性较好的k-ε模型。燃烧模型采用扩展的相关火焰CFM模型。

2.2 模型验证

为验证模型的准确性，对本计算模型与试验数据进行气缸压边和放热率的对比，图2所示为转速为1 400 r/min、循环燃料喷射量为25%、点火提前角为上止点前20°时的气缸压力曲线对比。由图2可知，模拟结果与试验结果吻合度较好，证明所建模型和计算方法合理。

3 爆震评价指标

3.1 爆震监测点选取

选择活塞压缩上止点720°时的网格，按照不同坐标轴对燃烧室进行切割，然后记录需要读取点的坐标，在计算过程中对选取的点进行监控（主要监控该点的压力变化）。火焰由火焰核心正常传播至末端混合气所需时间为T1，由火焰中心形成至末端混合气自燃所需时间为T2，当T1大于T2时，发生爆震。

在燃烧室模型的边缘设置监测点，检测其压力波动，火花塞的位置在进、排气门之间，所以选取离火花塞较远的8个点位置（图3），其中1点靠近排气门，2点靠近进气门，监测点为直径0.001m的球形结构，能够明显测得其平均压力波动。在压缩上止点附近700°～740°范围内的主燃期会出现比较明显的压力波动，在计算过程中为节省时间，设置计算步长为0.02°，其它曲轴转角下的计算步长可适当调大一些。

3.2 爆震指数的界定

监测点发生压力波动时无法直接读出其压力波动的大小，需要通过滤波器对压力波动进行过滤。通过MATLAB中的信号处理模块，选择6阶巴特沃斯带通滤波器，采样频率420 kHz，以滤出5～30 kHz之间的波形，结果表明可以很好过滤出压力波动的大小。由于局部点压力波动的大小不能反映该工况下的爆震指标，所以通过以下方式进行衡量：定义相邻最大波峰与波谷的距离大小为局部最大压力（PP max），该值可直接在MATLAB信号图形中读出，定义爆震指数为KI，其计算公式为：

式中，N为监测点的个数[7，8]。

4 计算结果与分析

考虑到全负荷工况下不宜采用EGR，因此所选工况点为1 400 r/min，喷油量选择为进气门全开时喷油量的70%。该研究是保证甲醇发动机按过量空气系数为1进行燃烧，使每次喷油量保持不变，即保证每循环进入气缸的混合气为定值，同时为了使EGR率达到30%以研究高EGR率对发动机爆震的影响，此时进气压力为大气压力，由于发动机是自然吸气发动机，因此进气压力不能超过0.1 MPa。进而研究在无EGR条件下点火正时、EGR率、EGR温度对爆震指数的影响，其中EGR温度是废气和混合气均匀混合后的温度。

4.1 无EGR条件下点火正时对爆震的影响

计算过程中点火正时从上止点后-3°开始对气缸压力有比较明显的影响，而且间隔4°造成波动差异较大，因此调整点火角度分别为-3°、-7°、-11°、-15°，得到不同监测点位置的最大压力波动曲线如图4所示。由图4可以看出，3点的压力波动最大，这是由于火花塞位置并不处在正中央，而是位于图3圆心的偏上方，3点距火花塞位置较远。图5所示为点火正时对爆震指数和缸内最大压力的影响。可知，随着点火角的提前，爆震指数和缸内最大压力值随之提高。缸内最大压力是整个燃烧室平均压力的最大值，点火提前角越大则在压缩上止点前燃烧的燃油量越多，上止点时气缸内的温度和压力更高，随着活塞的进一步压缩，缸内温度和压力进一步升高，此时火焰通过热辐射继续向末端混合气传递能量，使T2更短，更容易引发爆震。推迟点火后，更多燃料在上止点后燃烧，活塞下行，燃烧定容性降低，缸内温度和压力大幅降低，降低了发动机爆震，但此时对发动机动力性影响较大。

由于3点压力波动比较明显，所以选取3点的压力曲线和滤波后的压力波动进行分析。不同点火正时对3点压力波动的影响如图6所示。由图6a～图6c可以看出，点火角推后，压力波动出现在缸内压力曲线的下降段，此时活塞开始下行，发生爆震的倾向大幅下降；由图6d可以看出，在上止点后-15°点火角发生压力波动时，缸内压力曲线处于上升段，活塞继续上行，压力波动大幅增加。

4.2 EGR率对爆震的影响

为了单独考虑EGR的影响，首先保证每次喷油量为定值，在设置边界条件时进气压力随EGR率的升高也随之提高，这使得进气终了时缸内压力增高，而且EGR率小于10%对爆震的影响并不明显，增至30%时缸压损失较大，所以EGR选择在10%～30%范围内。图7为不同EGR率对缸内平均压力的影响，此时点火角为上止点后-15°，混合气初始温度为313 K。由图7可知，随EGR率的增大，初始压力提高，峰值压力在20%EGR率范围内减小并不明显，这是由于少量EGR的抑制作用并不明显，足以保证甲醇的正常燃烧，而且为了保证相同的燃料量，需要开大节气门，初始缸内压力有所提高，这使得泵气损失减小，从而维持了燃烧时缸内压力，同时废气中惰性气体使燃烧减缓，后燃期延长，峰值相位后移。

图8和图9为不同EGR率对不同监测点压力波动、爆震指数和最大缸内压力的影响。可知，少量EGR可以有效维持缸内压力，同时燃烧过程延长使得末端混合气吸收的能量增多，导致压力波动略有增加；但随着EGR率的继续增大，其对燃烧的抑制占主导作用，使得缸压曲线大幅下降，同时废气的引入阻碍了燃烧，降低了火焰的传播速度，使T1增大，不利于降低爆震；另一方面，废气降低缸内最高燃烧温度和压力，火焰传播过程中已燃高温高压气体对末端混合气的挤压作用和热辐射作用降低，这使得T2增大，有益于抑制爆震倾向；另外，废气的稀释作用还会使末端混合气的滞燃期增加，同样会使T2增大。

4.3 EGR温度对爆震的影响

在进行台架试验时，采用EGR中冷的方式研究EGR对爆震的影响。冷却水可以使EGR温度降到室温，设置初始EGR温度为293K，点火正时为上止点后-15°，EGR率选择在10%的工况下，图10为加入EGR后混合气温度对缸内压力的影响。可见，随EGR温度的降低，缸内压力和峰值相位平缓下降和推迟，不会出现大幅波动。这是由于同样进气量时EGR温度升高，初始压力增大，同时加速缸内工质分子的运动，使缸内的氧气和甲醇结合速度更快，燃料就越容易燃烧，燃烧释放热量的速度就会增大，缸内最大爆发压力增大。

图11和图12为不同EGR温度对监测点压力波动、爆震指数和最大缸内压力的影响。可知，监测点压力波动、爆震指数和最大缸内压力随EGR温度升高而升高。进气温度变化对爆震条件的影响较为复杂：一方面进气温度降低后，火焰传播速度有所降低，燃烧持续期变长，T1增加，这不利于降低爆震；另一方面，进气温度降低后，末端混合气滞燃期有所增加，有使T2增大的趋势，有利于降低爆震；另外，进气温度降低后最高燃烧温度降低，使得火焰传播过程中已燃气体对末端未燃混合气的挤压和热辐射作用降低，同样有使T2增大的趋势。进气温度对爆震倾向影响的综合结果为：进气温度降低使得压缩终了的温度和压力降低，距离火花塞较远的末端混合气的滞燃期增加，末端混合气需要更长的时间进行自燃前的先期反应，因此降低了爆震倾向。

4.4 3种降低爆震方法的对比

选择一个基准，分别通过推迟点火（A）、增大EGR率（B）和降低小EGR率温度（C）使爆震指数达到相同的值，对比工况主要工作参数如表2所列。表3所列为基准爆震指数为0.539 MPa，通过3种不同方式使其达到0.425 MPa附近，虽然这3种方式抑制了爆震，但不同程度上影响了缸内压力，使发动机的动力性有所改变。

表2 对比工况主要工作参数

表3 3种方式的爆震指数MPa

图13为4种工况缸内压力曲线对比。基准工况峰值缸压为10.79 MPa，A工况的峰值缸内压力为10.43 MPa，下降0.36 MPa；B工况的峰值缸内压力为10.23 MPa，下降0.56 MPa，缸内压力损失较大，峰值相位大幅度后移，后燃期延长，做功能力降低；降低小EGR率温度的峰值缸内压力为10.74 MPa，下降0.05 MPa。由此可见，在达到同样爆震指数的前提下，在小EGR率前提下降低EGR温度对缸内压力的影响最小。

5 结束语

a.随着点火正时的提前，缸内爆震指数随之增加，点火提前角较小时，监测点压力波动出现在缸内压力下降段，但进一步提前点火正时，监测点压力波动会出现在缸内压力上升段。

b.在小EGR率的影响下，泵气损失减小，缸内初始进气压力提高，其对爆震指数影响并不明显甚至有使其上升的趋势，但随EGR率的进一步增加，燃烧急剧恶化，使主燃期缸内压力迅速下降，爆震指数随之骤减。

c.在低EGR温度的作用下，缸内初始进气压力降低，使得爆震指数较低，随EGR温度的提高，燃烧温度和压力提高，火焰传播过程中已燃气体对末端未燃混合气的挤压和热辐射作用增强，爆震指数升高。

d.在小EGR率的前提下，降低EGR温度，在降低爆震的同时对缸内压力的影响比较小，可以很好保证发动机的动力性。

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（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2014年3月1日。

Effects of Ignition Tim ing and EGR on M ethanol Engine Knocking Performance

Ding Mingfeng1，Hong Wei1，Xie Fangxi1，Zhong Bing1，Liu Wei2
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University; 2.Ford Automotive Engineering Research(Nanjing)Co.，Ltd）

A modified spark ignition methanol engine is adopted as research object，and by controlling the inlet pressure to ensure that the fuel injection quantity is fixed value each cycle and combust with the excess air coefficient of 1.Selecting the low speed and high load condition in which knocking easily occur，to investigate the effect of ignition timing，EGR ratio and EGR temperature on knocking index by the CFD software FIRE.The results indicate that delaying the ignition timing can keep the pressure fluctuations appear in the decline period of cylinder pressure，which effectively improve knocking;with the increase of EGR ratio，the initial knocking index change is not obvious，afterwards，knocking index falls rapidly;whereas with the decrease of EGR temperature，the knocking index declines accordingly;among the above three methods，cold EGR has the minimal impact to the cylinder pressure.

M ethanol engine,Engine knocking,Ignition tim ing,EGR

甲醇发动机爆震点火正时EGR

U464.11+4

A

1000-3703（2014）08-0050-06

国家高技术研究发展计划“863”资助项目（2012AA111702）；国家自然科学基金资助项目（51276080）、（51206059）。