基于混合气浓度分析的甲醇发动机性能研究

李小燕，甄旭东，耿 杰，刘大明，赫 洋

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

石油作为一种非可再生能源，短缺问题日益严峻，亟需特性大致相同的替代燃料。甲醇由于技术体系成熟、获取方便、成本低等优势有望作为战略备用燃料。然而，甲醇燃烧尾气中可能含有醛类和未燃甲醇，导致环境受到污染。近年来国内外相关研究人员持续开展了这一领域的研究，如天津大学的姚春德、汪洋、美国西南研究院等[1-18]，对发动机的燃烧性能、排放等做了深入研究，为日后的大马力甲醇燃料发动机的研究提供了新的途径。传统实验对混合气浓度进行匹配标定，耗时冗长且需要大量人力、物力、财力，本文借助软件工具进行仿真优化，采用GT-Power软件进行计算仿真，设置不同混合度、点火提前角和负荷，对比发动机在不同工况下的性能变化，提出较为恰当的混合气浓度参数，以提升发动机的性能，缩短系统匹配的开发周期，降低开发成本。

1 点燃式甲醇发动机数学模型的建立

GT-Power是由美国GTI公司开发的可用于内燃机性能模拟与仿真计算的软件，它的理论基础为时域的方法，并基于非线性一维流体力学模型对实体模型进行分析计算，采用有限体积法计算流体的能量方程、焓方程、动量方程和连续性方程组成的联合方程组[19]，建立发动机数字模型，为后续GT-Power建立发动机物理模型打下良好的理论基础。

1.1 燃烧模型

为了获得缸内压力示功图，本文采用零维模型，即韦伯函数模拟燃烧放热率：

式中：QB为燃料燃烧放出的热量；φ为瞬时曲轴转角；Qg为每循环燃料燃烧放热量；Δφ为燃烧持续角度；m为燃烧品质指数；φVB为燃烧开始曲轴转角。

1.2 传热模型

传热计算公式为：

式中：α为瞬时换热系数；QW为与外界交换的热量；i为气缸数；TW为传热表面平均温度；ω为发动机转速相关量；A为传热表面积。

1.3 进气管模型

在模拟发动机工作时，应满足如下方程：

（i）连续性方程

（ii）动量方程

式中：ρ为密度；u为速度；A为截面积；x为轴线；V为单位体积；F为摩擦力；E为气体能量；qw为传热。

（iii）能量方程

2 甲醇发动机工作过程仿真模型的建立及分析

利用仿真软件GT-Power，在单缸发动机的基础上，建立火花点燃式甲醇四缸发动机的仿真模型，其参数如表1所示。

表1 甲醇发动机的结构参数

建立发动机工作过程整机仿真模型，如图1所示。所建模型在文献[10]中已就类似的发动机模型在所属实验室进行过测试验证，发动机仿真计算结果符合发动机台架测试结果，可用于对发动机的性能进行优化。

图1 点燃式甲醇发动机整机仿真模型

与汽油混合气空燃比一样，甲醇混合气浓度同样可以用过量空气系数（下文简述为系数）表示。系数为1.0时，为理论混合气；系数大于1.0时，为稀混合气；系数小于1.0时，为浓混合气。本文所选取的分析工况参数：转速为2 600 r/min，节气门开度为90%，EGR率为 0。当系数分别为 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 时，分析甲醇发动机的压力曲线、热效率曲线和NOx排放曲线，并优化发动机性能。

2.1 混合气浓度对发动机动力性和排放的影响

不同混合气浓度的缸内压力、放热率和NOx质量分数如图2所示。

图2 不同混合气浓度的缸内压力、放热率和NOx质量分数

当转速、节气门开度、点火角保持一定时，随着混合气浓度的增加，缸内压力和放热率均增加，同时NOx的排放也较低。当系数为1.0时，压力峰值、放热率峰值同时达到最大；随着混合气变稀，峰值逐渐降低，而且峰值发生时刻较为接近，均在上止点后8°～10°附近，三者均反应了发动机的动力和排放性能；随着混合气浓度增加，滞燃期变短，火焰传播速度提高，气缸压力和温度降低，充气效率增加。此时，混合气为理想混合气，燃烧较为充分且理想，混合气变稀后动力性逐渐降低。NOx质量分数峰值变化趋势正好相反，在混合气浓度为1时，燃烧较为充分，排放较低，随着混合气变稀，缸内温度升高，NOx排放峰值逐渐增加，但如果混合气浓度过稀，则混合气体分子间距离过大，火焰传播变得困难，燃烧速率降低，燃烧时间变长，温度升高速率降低，燃烧效率降低，发动机动力性下降，NOx排放浓度大幅下降。

2.2 点火时刻对发动机性能的匹配影响

当点火时刻分别为-8°、-10°、-12°时，系数分别选取 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0，由图2可知，当系数为 1.0时，缸内压力峰值、放热率峰值均达到最大，NOx的排放量和排放量峰值相对较低，因此在此仿真图中，只提取了具有代表性的系数为1.0的情况进行分析，点火角分别为-8°、-10°、-12°时，缸内压力、放热率和NOx质量分数如图3所示。随着点火时刻的提前，气缸的压力和压力峰值、放热率和放热率峰值、NOx排放量峰值均呈现逐渐升高的变化趋势，在-12°时达到最高，并且峰值发生时刻有所提前，更加偏离压缩线，缸内平均有效压力提高，动力性提高；同时终燃混合气受到排挤作用加大，温度增加，NOx排放升高。因此，综合发动机动力性和排放等多方面因素考虑，点火时刻选取10°较为合理。

图3 点火角分别为-8°、-10°、-12°时，缸内压力、放热率和NOx质量分数

2.3 负荷对发动机性能的匹配影响

当节气门开度分别为90%、70%、50%时，系数分别选取 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0，由图2可知，当系数为1.0时，缸内压力峰值、放热率峰值均达到最大，NOx的排放量和排放量峰值相对较低，因此在此仿真图中，只提取了具有代表性的系数为1.0的情况进行分析。节气门开度分别为90%、70%、50%时，缸内压力、放热率和NOx质量分数如图4所示。当系数为1.0，在节气门开度从90%降至50%时，充气量大幅降低，但是缸内残余废气量不变，残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，散热损失相对增加，油耗率增加，气缸压力和温度的峰值有所降低，但是降低的幅度并不大，NOx排放量变化也不大。

图4 节气门开度分别为90%、70%、50%时，缸内压力、放热率和NOx质量分数

3 结语

本文采用GT-Power软件进行仿真计算，在转速为2 600 r/min，节气门全开，不同的混合度、点火提前角和负荷下，对比发动机的缸压、放热率和排放污染物变化，从而选出最为恰当的混合气浓度参数，仿真计算结果表明：当点火时刻为-10°，EGR率为0时，缸内压力和放热率随着混合气浓度的增加而增加，同时NOx的排放先增加后降低，系数在1.2附近达到最大值；当过量空气系数为1.0时，随着点火时刻的提前，气缸压力和放热率也随之增加，NOx的排放先增大后降低，当点火提前角为10°时，动力性能较大，排放相对较低；当混合气浓度不变时，随着负荷的变化，气缸压力、放热率及NOx质量分数变化均不明显。