甲醇-汽油双燃料发动机分层稀燃与均质稀燃特性对比分析

鲁伟，蒋炎坤，韩荣，陈烨欣

华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074

0 引言

提高内燃机热效率和减少排放，实现内燃机清洁、高效燃烧是业界关注的焦点[1]，甲醇被认为是性能优良的汽车替代燃料[2]。稀燃技术可以提高循环热效率，降低燃烧温度，有利于减少NOx排放，同时燃烧产物中的氧可以进一步氧化HC和CO，降低油耗和排放[3]。

研究发现，稀燃条件下甲醇掺烧甲醇裂解气，在过量空气系数为1.5、裂解气掺烧比为80%时，醇氢发动机指示热效率高达41.32%，并且NOx、HC和CO排放较低[4]。与92#汽油相比，燃用M15甲醇汽油的发动机动力性下降，有效燃油消耗率增加，但NOx、CO和THC排放在大部分工况下明显降低[5]。利用废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)和过量空气系数协同控制方式，可使甲醇发动机获得较高热效率并降低NOx排放，实现清洁燃烧[6]。分层稀燃和均质稀燃是2种不同的稀薄燃烧方式，缸内直喷时刻不同，影响缸内混合气的均匀分布，从而影响发动机的燃烧及排放特性[7]。

本文中通过在一台缸内直喷光学发动机上加装甲醇进气道喷射装置，实现甲醇进气道喷射(methanol port injection, MPI)-汽油缸内直喷(gasoline direct injection, GDI)双燃料复合喷射，通过控制GDI喷射时刻实现均质稀燃和分层稀燃，研究在MPI-GDI双燃料复合喷射发动机上均质稀燃和分层稀燃的应用。

1 发动机仿真模型及其标定

基于MPI-GDI光学发动机结构参数，利用Solidworks软件创建进、排气系统及燃烧室模型，随后将其装配为几何模型并生成STL格式文件导入到Converge软件中进行网格划分，将模型划分为进排气口、进排气道、进排气阀、火花塞、喷油器、气缸盖、气缸壁及活塞等区域。某缸内直喷进气道喷射、单缸、4冲程、4气门、水冷、光学发动机主要技术参数如表1所示。

表1 光学发动机主要技术参数

为在保证计算精度的情况下提高计算效率，选择3、4、6、8 mm 4种基础网格尺寸，对应网格总数分别为1 154 840、487 198、144 355和60 899，对比分析不同网格尺寸对发动机缸压计算的影响，网格尺寸敏感性如图1所示(本文中所有图中曲轴转角为上止点后曲轴转角)。由图1可知：基础网格尺寸小于8 mm时，缸压曲线基本重合，计算误差均较小；基础网格尺寸为3 mm时计算精度最高，但耗时最多；基础网格尺寸为6 mm时，耗时较少但计算精度相对偏低。综合考虑权衡网格经济性及计算精度2种因素对计算结果的影响，选择基础网格尺寸为4 mm[8]。对流体速度和温度梯度较大的位置和时刻进行网格加密，气缸内区域和喷油器液滴控制区域网格尺寸加密至1 mm，网格划分结果如图2所示。

图1 网格尺寸敏感性

图2 发动机进、排气缸内计算区域网格划分结果

由于汽油成分非常复杂，考虑到计算效率，选择质量分数为92%的异辛烷和8%的正庚烷混合物作为汽油替代物，并且耦合文献[9]的骨架机理，该机理包含56种物质，168种反应，加入文献[10]的甲醇氧化机理，文献[11]研究表明该机理下的仿真和试验较吻合。本文中按燃料的热值计算甲醇替代比，例如M80代表甲醇燃料热值占甲醇汽油总热值的80%。

通过对比分析及参考课题组前期研究成果，确定湍流模型为RNGk-ε模型，喷雾破碎模型为KH-RT模型[12]，喷雾蒸发模型为Frossling模型[13]，碰撞-聚合模型为NTC模型[14]，燃烧模型为SAGE详细化学反应机理模型，NOx排放模型为扩展的Zel′dovich机理模型。

计算边界条件为进、出口边界和壁面边界。设置进、排气口为压力边界，温度及压力由试验数据设定，壁面边界由进排气道内壁面、缸盖内壁面、缸套内壁面和活塞顶面组成，其中活塞顶面需设定为运动边界，模拟其在发动机工作过程中的运动状态[15]。边界条件参考相关文献和工程经验[16]，如表2所示。

表2 边界条件

MPI-GDI复合喷射示意如图3所示，光学发动机台架试验原理示意如图4所示。该台架包括甲醇与汽油供给系统及喷射系统、点火系统、润滑系统、冷却系统、缸压传感器等，进气道喷射甲醇由高压气瓶经过调压阀提供压力，缸内直喷汽油由高压气瓶经过调压阀和增压泵达到所设置压力，电控系统由上位机、控制器局域网络(controller area network, CAN)网卡和发动机控制单元(electronic control unit, ECU)组成，可灵活控制喷油时刻、喷油脉宽及点火时刻。

图3 MPI-GDI复合喷射示意图

图4 光学发动机台架试验原理示意图

通过发动机台架试验，对MPI-GDI发动机的仿真模型进行校核。喷雾校核选择发动机转速为1200 r/min，GDI喷射压力为15 MPa，喷油脉宽为1.2 ms，喷油时刻曲轴转角为450°。缸内喷雾试验图像与模拟图像如图5、6所示。由图5、6可知：仿真图像与试验图像形状相似。

a)曲轴转角454° b)曲轴转角455° c)曲轴转角456° d)曲轴转角457° e)曲轴转角458°

a)曲轴转角454° b)曲轴转角455° c)曲轴转角456° d)曲轴转角457° e)曲轴转角458°

模拟和试验得到的喷雾贯穿距对比如图7所示。由图7可知：喷雾贯穿距最大相对误差为4.7%，对应的曲轴转角为454°，贯穿距相差1.4 mm，因此，该喷雾模型能反映缸内喷雾状况，可以进行后续计算分析。选择发动机转速为1200 r/min，燃料为M80，GDI喷射压力为15 MPa、喷射时刻曲轴转角为630°、每循环喷油质量为3.57 mg，MPI喷射时刻曲轴转角为310°、每循环喷油质量为31.62 mg，过量空气系数为1.3，点火提前角对应的曲轴转角为20°，进行缸压验证。仿真与试验缸压对比如图8所示。由图8可知：模拟缸压与试验缸压吻合性较好，模拟压力峰值为5.76 MPa，试验压力峰值为5.64 MPa，误差在3%以内，模型能够准确反映发动机缸内情况。

图7 试验和模拟喷雾贯穿距对比 图8 试验和模拟缸压曲线对比

2 均质稀燃和分层稀燃对燃烧特性的影响

甲醇替代比直接影响双燃料发动机缸内混合气形成、燃烧及排放，基于课题组前期研究成果，分层稀燃下，当甲醇热值比例低于60%，缸内燃烧不充分，存在大量区域失火现象，各类排放物较高[17]。选取低甲醇替代比的M40燃料，转速为2000 r/min，GDI喷射时刻曲轴转角为470°时为均质稀燃，GDI喷射时刻曲轴转角为630°时为分层稀燃，分层稀燃与均质稀燃的燃烧特性对比如图9所示，图例命名规则为“燃烧方式-过量空气系数”，如“均质稀燃-1.4”表示过量空气系数为1.4时均质稀燃情况。

a)缸压 b)放热率

由图9可知：燃用M40燃料、过量空气系数为1.4时，均质稀燃下缸内正常燃烧放热，缸压峰值为4.92 MPa，放热率峰值为39.07 J/(°)；而分层稀燃放热率极低且放热严重滞后，缸压峰值为1.96 MPa，放热率峰值为5.86 J/(°)，表明缸内仅有少部分混合气燃烧，发动机工作异常。

为保证发动机正常工作，选取M80和M60燃料，过量空气系数选取1.3和1.5，均质稀燃和分层稀燃参数设置如表3所示。

表3 均质稀燃和分层稀燃参数设置

M60、M80燃料在分层稀燃和均质稀燃燃烧模式下放热率对比如图10所示。

a)M60燃料 b)M80燃料

由图10可知：与M40燃料相比，M60和M80燃料均能正常燃烧，不同工况下，均质稀燃的放热率峰值均高于分层稀燃，且峰值对应的相位提前，这是因为均质稀燃GDI喷射时刻提前，缸内混合气充分混合，燃烧完全。当甲醇替代比较低时，分层稀燃下大量汽油撞击活塞顶部和气缸壁，燃料附着在活塞顶部以及气缸壁，混合气质量较差，燃烧恶化；当甲醇替代比较高时，2种稀燃方式对缸内混合气形成及燃烧影响差距变小。

M60和M80燃料在均质稀燃和分层稀燃模式时的缸内温度和压力变化如图11所示。

a)M60燃料-缸温 b)M60燃料-缸压

由图11可知：发动机缸内温度与燃烧放热率密切相关，二者变化趋势相互对应，相同工况下，与分层稀燃相比，均质稀燃缸温升高率及缸温峰值更高，表明均质稀燃时火焰传播速度更快；M60燃料在过量空气系数为1.3和1.5时，2种稀薄燃烧方式下，缸内温度峰值差分别为197.31 K和382.86 K；M80燃料在过量空气系数为1.3和1.5时，缸温峰值差分别为97.24 K和114.82 K，表明随着甲醇替代比增加，均质稀燃和分层稀燃缸温升高率及缸温峰值差距减小；相同工况下，均质稀燃的缸压比分层稀燃高，尤其是燃用M60燃料时，过量空气系数为1.3时的分层稀燃缸压曲线与过量空气系数为1.5时的均质稀燃缸压曲线几乎重合，说明发动机均质稀燃的动力性比分层稀燃好。

对于MPI-GDI双燃料发动机，当甲醇替代比较低时，均质稀燃比分层稀燃燃烧情况好，随着甲醇替代比增加，分层稀燃燃烧状况改善，二者差距缩小，但总体来看，均质稀燃更好。主要原因为：甲醇燃烧速度快，过量空气系数小于1.5时，GDI喷射时刻对缸内燃烧影响有限，均质稀燃和分层稀燃差距不大；此外，分层稀燃时GDI喷射时刻为上止点后曲轴转角630°，距离点火时刻的曲轴转角为70°，高甲醇替代比时，燃料与空气仍能更好地混合，此时并未完全发挥分层稀燃的优势。

3 均质稀燃和分层稀燃对排放特性的影响

表4 M80燃料均质稀燃与分层稀燃每循环排放对比

根据以上分析可知，燃用M60燃料、过量空气系数为1.5、分层稀燃时，缸内燃烧状况较差，与同工况的均质稀燃相比，没有优势，故在排放特性上不考虑M60燃料，仅考虑M80燃料。燃用M80燃料时，2种稀薄燃烧方式的CO、THC、碳烟以及NOx每循环排放对比如表4所示。

由表4可知：过量空气系数相同时，均质稀燃下的CO和碳烟排放普遍比分层稀燃时低，由于分层稀燃时发动机缸内局部混合气较浓，易导致燃料燃烧不完全，生成较多CO及碳烟颗粒；而均质稀燃下发动机缸内混合气分布均匀，燃烧状况良好，所以CO和碳烟排放大幅下降，尤其是碳烟排放，均质稀燃时碳烟排放仅为分层稀燃的8%～25%；过量空气系数增大时，CO排放也会大幅下降，是由于过量空气系数越大，缸内空气越多，CO能够被充分氧化，故2种稀薄燃烧方式下CO生成量均随着过量空气系数的增大而大幅下降，而碳烟随着过量空气系数的增大呈现上升趋势；这是由于过量空气系数增大会导致缸内混合气过稀，燃烧稳定性变差，碳烟排放增加；由于缸内生成的NOx排放主要是热力型NOx，即在高温条件下，空气中的N2被氧化而成，NOx生成量主要由温度决定，分层稀燃时NOx排放比均质稀燃大幅降低，这主要与燃烧情况相关；均质稀燃条件下，缸内混合气燃烧完全，发动机缸内温度较高，相较于分层稀燃NOx排放增加40%～150%；过量空气系数为1.3、均质稀燃时THC排放较低，而过量空气系数为1.5、分层稀燃时的THC排放较低，这是因为过量空气系数低时，缸内混合气浓度高，燃烧完全，对于均质稀燃有利，过量空气系数增加，均质稀燃混合气整体浓度降低，缸内部分区域燃烧不完全，无法保证稳定燃烧，而分层稀燃混合气集中在燃烧室中心，分层稀燃能够保证大部分燃料充分氧化燃烧，因此分层稀燃条件下，过量空气系数增大，THC排放降低。

4 结论

1)低甲醇替代比(M40燃料)时，分层稀燃模式下燃烧放热率低，燃烧极不正常，表明低甲醇替代比燃料不适用于分层稀燃；均质稀燃的燃烧放热率高，缸内温度高，燃烧情况好，缸内压力峰值高；分层稀燃时，GDI喷射过迟，大量汽油液滴撞击活塞头部，点火时刻缸内混合气质量差，燃烧不稳定，而均质稀燃时混合气形成良好。

2)高甲醇替代比、低过量空气系数(M80-1.3)时，2种稀薄燃烧模式下燃烧效果均较好，缸压峰值高，分层稀燃时NOx排放更低，均质稀燃时CO、THC和碳烟排放更低；随着甲醇替代比增加，GDI喷射量减少，2种燃烧模式对发动机燃烧特性及排放特性的影响差距缩小，但此时过量空气系数不大，均质稀燃具有更明显的优势。

3)高甲醇替代比、高过量空气系数(M80-1.5)时，2种稀薄燃烧模式下燃烧效果均较好，缸压峰值高，分层稀燃时THC和NOx排放较低，均质稀燃时CO和碳烟排放较低。