【摘 要】
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无论是从国家能源安全角度,还是节能、减排、降碳等角度,都要求内燃机寻求可落地的替代燃料并优化机内净化技术。甲醇作为替代燃料燃烧碳排放相对更少,燃烧热效率更高,抗爆性好,燃烧速度快,有较好的稀薄燃烧性能,稀薄燃烧可以进一步提高热效率,获得更好的燃料经济性,但稀薄燃烧极限受制于循环变动,所以还需要改善缸内气流运动,从而提高燃烧速度和燃烧稳定性,进一步拓宽甲醇发动机稀薄燃烧极限。本文基于一台排量为2.0
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无论是从国家能源安全角度,还是节能、减排、降碳等角度,都要求内燃机寻求可落地的替代燃料并优化机内净化技术。甲醇作为替代燃料燃烧碳排放相对更少,燃烧热效率更高,抗爆性好,燃烧速度快,有较好的稀薄燃烧性能,稀薄燃烧可以进一步提高热效率,获得更好的燃料经济性,但稀薄燃烧极限受制于循环变动,所以还需要改善缸内气流运动,从而提高燃烧速度和燃烧稳定性,进一步拓宽甲醇发动机稀薄燃烧极限。本文基于一台排量为2.0L的四缸SIDI发动机,并使用CONVERGE软件,进行了相关试验和模拟研究工作。1.通过试验研究了不同进气翻板开度在不同过量空气系数、转速、负荷下的甲醇稀薄燃烧特性,并对比研究了进气翻板开度45°时,不同过量空气系数下甲醇和汽油的稀薄燃烧特性。试验研究发现:循环变动随过量空气系数增大、转速升高、负荷减小而增大,进气翻板开度45°时,能更好地加快不同过量空气系数、转速和负荷下的燃烧速度,更好地抑制循环变动增大,并拓宽甲醇发动机稀燃极限,对比发现汽油抑制循环变动增大、拓宽稀燃极限的效果比甲醇稍好;能优化甲醇发动机燃烧过程,增大燃烧温度,降低CO和HC排放,但会相对增加NOX排放,在重度稀薄燃烧（过量空气系数值大于等于1.5）时,能有效提高IMEP和指示热效率;当进气总量和过量空气系数相同时,甲醇稀薄燃烧的IMEP和指示热效率远大于汽油,IMEP最大差值约为0.6bar,指示热效率最大差值为6%,而汽油燃烧产生的HC和NOX排放明显大于甲醇;与此同时,能够提高甲醇发动机在各转速下的IMEP和指示热效率,拓宽甲醇发动机工作的最佳负荷区间,明显提高小负荷时的指示热效率。进气翻板开度15°和0°时各方面表现相近,而进气翻板开度30°时由于缸内产生了反向滚流,二者相互抵消,所以各方面表现相对最差。2.模拟研究了单独改变进气翻板和进气导板对甲醇发动机稀薄燃烧特性的影响,研究发现:与其他进气翻板相比,翻板2能大幅提高缸内滚流强度、增大湍动能、提高混合气质量、加快燃烧速度、增大缸压、缸内燃烧温度、降低CO和Soot排放,但最终对IMEP和指示热效率的提升效果却不明显,而翻板3、翻板4以及导板2、导板4对IMEP和指示热效率的提升效果更好,所以要提高IMEP和指示热效率不能过度追求更大的滚流强度。单独改变进气翻板对增强缸内滚流强度和湍流强度效果比单独改变进气导板更明显;增强缸内滚流强度最终可以提升点火时刻的湍流强度,加快燃烧速度,提升混合气均匀性,更有利于降低CO和Soot生成峰值质量,提升甲醇发动机动力性和经济性;原机翻板左高右低的结构会影响缸内气流运动,导致混合气形成明显的浓度分区,在一定程度上会抑制混合气均匀性的提升。3.模拟研究了优化进气翻板和进气导板交叉耦合对甲醇发动机稀薄燃烧特性的影响,研究发现:与其它交叉耦合导流板相比,翻板4导板4在提升缸内滚流强度和湍流强度方面效果较好,有利于缸内形成大尺度滚流漩涡,缸内混合气均匀性最好,燃烧速度快,CO和Soot生成表现较好,IMEP和指示热效率最大。翻板4导板4的缸内流动特性、燃烧特性、排放等均比原机导流板表现更好,其IMEP增大约0.106bar,指示热效率提升约0.79%,并能很好地解决原机翻板导致的混合气分区问题,极大地提高混合气均匀性,同时与单独改变进气翻板和进气导板结构相比也获得了更高的动力性和经济性。4.模拟研究了优化进气导流板在不同转速和负荷下的适用性,研究发现:优化导流板翻板4导板4能够有效加快各个转速和负荷下的燃烧速度,增大缸压、放热率和缸内温度峰值并提前峰值相位,并且转速越低或负荷越大对应缸压、缸内温度峰值越大。在转速大于1000r/min或中小负荷时能够有效提升甲醇发动机动力性和经济性,在1500r/min或50%负荷时提升效果最明显。在各转速和负荷下均能有效降低CO和Soot生成峰值,但是会略微增大NOX生成总质量和中间产物甲醛的生成峰值。
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