內(nèi)燃機的熱效率和排放問題一直是制約其進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。作為汽油機燃料，乙醇具有較高的汽化潛熱、較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣群洼^大的辛烷值等優(yōu)點，是最有前景的替代燃料之一。同時雙燃料復(fù)合噴射技術(shù)結(jié)合了汽油氣道噴射(GPI)和缸內(nèi)直噴兩種噴油方式，可以根據(jù)發(fā)動機運轉(zhuǎn)條件靈活供應(yīng)燃料，進而受到廣泛關(guān)注。雖然目前在汽油/乙醇雙燃料復(fù)合噴射技術(shù)對發(fā)動機排放性能的影響方面研究較多，但對缸內(nèi)氣體排放生成機理的研究則鮮見報道?；诖耍P者在發(fā)動機臺架試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立EDI＋GPI 雙燃料發(fā)動機的計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模型，深入研究不同工況下缸內(nèi)混合氣的形成和燃燒過程，以期探明污染物在缸內(nèi)的分布和生成特點，并為結(jié)合試驗數(shù)據(jù)揭示污染物的產(chǎn)生機理提供參考。

一、 試驗臺架及CFD模型

1.1 試驗臺架及方法

試驗用燃料為92號無鉛汽油和無水乙醇(體積分數(shù)≥99.5% )。通過一臺Yamaha YBR250 摩托車的GPI 發(fā)動機作為原始樣機，加裝了一套乙醇直噴系統(tǒng)，使之成為了EDI＋GPI 雙噴射發(fā)動機，基本參數(shù)如表1所示。

表1 EDI＋GPI發(fā)動機參數(shù)


首先，發(fā)動機在GPI的條件下啟動并預(yù)熱，隨后逐漸減少汽油的噴射量，加噴乙醇替代汽油，直到乙醇能量占比(EER)達到目標要求。試驗中，GPI噴油壓力恒為0.25MPa，EDI噴油壓力隨著乙醇質(zhì)量的增加由4MPa 提高至6MPa，以縮短噴油持續(xù)期．以0° CA 作為壓縮上止點，GPI 和EDI 噴油時刻分別為410° CA BTDC 和300° CA BTDC．試驗在中等負荷下進行，節(jié)氣門開度為50%，平均指示有效壓力(IMEP)為0.85 MPa，發(fā)動機轉(zhuǎn)速恒為3500 r/min。其試驗臺架示意圖見圖1。


圖1 發(fā)動機試驗臺架示意

1.2 CFD模型

基于CFD 軟件Converge 建立了發(fā)動機的三維數(shù)值模型。模型表面網(wǎng)格為三角形，Converge 軟件求解器自動生成；模型內(nèi)部的體網(wǎng)格為完全正交的立方體，其基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸設(shè)為4mm，進/排氣閥間隙、火花塞等部位模型自適應(yīng)加密。GPI 噴油器位于節(jié)氣門附近，EDI 噴油器位于進氣道一側(cè)，并使乙醇噴霧束向火花塞方向偏移。燃料蒸發(fā)霧化過程中所用的具體模型見表2。

表2 計算模型

二、結(jié)果與分析

2.1 不同乙醇能量占比對排放的影響

圖2為40°CA ATDC 時刻缸內(nèi)各組分、λ 和溫度分布. 圖2a中，EER為0的GPI工況下，整個燃燒室范圍內(nèi)都分布有一定濃度的CO，但在氣缸上側(cè)區(qū)域，CO濃度明顯增加；EER大于0的EDI＋GPI 工況下，CO主要分布在進氣閥下方區(qū)域，但隨EER的增加，CO分布面積有所增大．根據(jù)不同EER下的O2和λ(圖2b、圖2c)分布可知，EER 為0時O2在缸內(nèi)的分布更為均勻，整體λ 沒有較大的變化，因而GPI 況下生成的CO在缸內(nèi)分布廣泛，同時氣缸上側(cè)較稀薄的O2分布是該區(qū)域CO濃度較大的原因．隨著乙醇被直噴入缸內(nèi)，雙燃料工況下的O2主要分布在排氣閥與火花塞附近區(qū)域，導(dǎo)致此處的λ＞1；而在進氣閥下方區(qū)域O2 含量十分稀少，同時未蒸發(fā)的乙醇液滴在噴霧射流的擾動下也隨氣流運動在此區(qū)域聚集，形成了λ＜0.85 的濃混合氣，因而CO主要在進氣閥下方區(qū)域生成．相較于GPI工況，EDI＋GPI 工況下的CO 排放較低。圖2d中，EER 為0時NOx分布于氣缸內(nèi)絕大部分區(qū)域；隨著EER的增加，NOx 分布面積逐漸減小，僅存在于氣缸中心部位，缸壁附近幾乎沒有明顯的NOx分布。由圖2g可知，GPI工況下缸內(nèi)溫度較高且均勻，只有氣缸上側(cè)壁面附近溫度較低；EDI＋GPI工況下的缸內(nèi)溫度下降明顯，特別是近壁區(qū)域溫度更低。O和OH 在高溫下裂解產(chǎn)生，因而O和OH的分布與溫度分布一致，火花塞附近是其集中分布的區(qū)域)．圖2h中，GPI工況下，HC主要生成于氣缸上側(cè)壁面附近；EDI＋GPI工況下，在缸壁周圍雖都有HC的分布，但在進氣道一側(cè)HC生成量明顯增多。


圖2 不同乙醇能量占比下各組分、λ 和溫度分布

圖3為不同EER下進氣門關(guān)閉(IVC)和EVO時刻未燃燃料的質(zhì)量。在EVO 時刻，EER為15.47%工況下仍有0.464 mg 的未燃燃料；隨EER增加，缸內(nèi)未燃燃料不斷增多，當EER達到31.72%時，EVO時刻共有1.16 mg 未燃燃料，這些未燃燃料將作為未燃碳氫(UHC)排出，因而雙燃料工況下的HC排放要高于GPI 工況。


圖3 不同乙醇能量占比下IVC和EVO時刻未燃燃料質(zhì)量

2.2 點火時刻對排放的影響

圖4a中，點火時刻的提前會使NOx排放大幅增加，由18° CA BTDC 時的4.28 g/(kW·h)增長為26° CA BTDC時的5.73 g/(kW·h)，增長幅度達到了33.88%。圖4b中，不同點火時刻下的HC 排放模擬和試驗值都呈上升趨勢，在實際發(fā)動機測試中，HC 排放隨點火時刻的提前，由1.12 g/(kW·h)增長到1.43 g/(kW·h)，增加了27.68%。


圖4 不同點火提前角下排放的模擬與試驗值

2.3 乙醇缸內(nèi)直噴時刻對排放的影響

圖5a中，直噴時刻晚于300° CA BTDC 時的NOx排放略低，為4.50 g/(kW·h)以下；在直噴時刻早于310° CA BTDC時的NOx排放都高于4.56 g/(kW·h)。圖5b中，隨直噴時刻的提前，HC 排放也呈上升趨勢。噴霧射流的擾動影響了缸內(nèi)混合氣的均勻性.另外，在實際發(fā)動機測試中，直噴時刻的提前使未燃混合氣有更多的時間被壓入到間隙中，同時更多的未燃燃料被缸內(nèi)油膜和積碳吸附，最終以UHC形式排出，因而得到的測量結(jié)果最終呈增加的趨勢。


圖5 不同直噴提前角下排放的模擬與試驗值

三、結(jié)論

(1) 汽油機加噴乙醇后，其CO和soot排放明顯低于純汽油工況；但雙燃料工況下，隨著EER 增加，缸內(nèi)混合氣質(zhì)量下降，CO、HC和soot排放又呈上升趨勢；乙醇直噴的充氣冷卻效果降低了缸內(nèi)的溫度，NOx排放降低。

(2) 點火提前使缸內(nèi)整體燃燒壓力和溫度上升，NOx 排放增多；但隨點火逐漸提前，缸內(nèi)混合氣沒有充足的時間蒸發(fā)，局部混合氣質(zhì)量下降，燃燒不充分導(dǎo)致CO和HC 排放增多；同時受過冷壁面淬熄作用的影響，火焰難以傳播至缸壁，燃燒反應(yīng)中斷，壁面附近的未燃燃料作為HC 排出，也導(dǎo)致最終排放的升高；而soot 被充分氧化，排放呈下降趨勢。

(3) 乙醇直噴時刻的提前使燃料有充分時間蒸發(fā)混合，缸內(nèi)混合氣質(zhì)量提高，燃燒更充分，CO 和soot 排放呈降低趨勢，而NOx 排放有所增加；HC排放則由于吸附作用和間隙效應(yīng)的增強也有所增加。


參考文獻
[1] 莊遠,?？¤?錢立軍,錢葉劍.汽油/乙醇雙燃料復(fù)合噴射對發(fā)動機排放性能的影響[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2021,39(02):114-122.