李仁春;王忠;袁银男;张登攀;李铭迪
【摘 要】On a 4B26 turbocharged engine ,the methanol-diesel combustion was realized by injecting the methanol in the intake pipe and its process was analyzed .With AVL Fire software ,the mixing and ignition process of diesel and air premixed with methanol were researched .The results show that the methanol-diesel fuel has the characteristics of wider constant volume heat release region ,less heat loss ,higher thermal efficiency ,higher peak combustion pressure ,higher peak thermal efficiency and higher peak combustion temperature .In the compressed air premixed with methanol ,the atomizing speed of fuel drop decreases at the beginning of diesel injection and the ignition delay extends ,but the richer mixture and higher temperature of ignition point accelerate combustion velocity and thus shorten combustion duration .%在4B26增压发动机上，采用进气管喷射甲醇的方式实现甲醇-柴油的燃烧，对甲醇-柴油发动机燃烧过程进行分析，基于AVLFire软件研究甲醇氛围内柴油的喷雾混合以及着火过程。结果表明：与燃烧柴油相比，甲醇-柴油发动机具有定容放热区域宽
、热损失小、燃烧效率高等优点，但最高燃烧压力、放热率峰值以及燃烧最高温度较高；在甲醇氛围内，柴油喷射初期的油滴雾化速度较慢，滞燃期延长，着火点浓度和温度较高，燃烧速度较快，燃烧终点提前。
【期刊名称】汽车烧甲醇《车用发动机》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】5页(P82-85,89)
【关键词】甲醇;柴油;燃油喷雾;燃烧过程;数值模拟
【作 者】李仁春;王忠;袁银男;张登攀;李铭迪
【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013; 南通大学机械工程学院，江苏南通 226019;江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013
【正文语种】中 文
【中图分类】TK464
甲醇具有含氧量高、燃烧火焰传播速度快、着火界限宽、不含硫等特点，是一种清洁的柴油替代燃料。柴油机采用进气管喷射方式可以实现高比例掺烧甲醇［1－2］。国内外学者针对甲醇－柴油发动机燃烧和排放特性开展了大量的研究工作，研究表明［3－5］，甲醇－柴油燃烧有助于改善发动机的燃烧过程，降低发动机的炭烟和氮氧化物排放。
甲醇通过安装在进气管处的低压喷嘴喷入，经过汽化、蒸发，与空气混合进入气缸。在柴油喷入之前，缸内已经形成了均质的甲醇预混合气（称为甲醇氛围），可以认为柴油的喷雾、着火和燃烧是在甲醇氛围中进行的。这种燃烧方式既不同于柴油机，也不同于汽油机，甲醇氛围对发动机的混合气形成、着火、燃烧以及排放都会产生影响。天津大学的学者研制了一种用于研究柴油在甲醇氛围中燃烧特性的定容试验装置［6］，该装置能灵活控制热力学参数，实现对发动机着火、燃烧的模拟，但试验装置的研制周期长、成本高。多维燃烧模拟能够分析缸内各个参数随时间和空间分布的变化规律，既能重现缸内工作过程的表面特征，还能反映微观机理，是分析发动机缸内燃烧特征的重要研究手段。
在不改变4B26发动机结构的前提下，安装了甲醇进气管喷射系统［7］，进行了甲醇－柴油燃烧过程的试验。在此基础上，基于AVL Fire软件进行了燃烧柴油和甲醇－柴油缸内工作过程的模拟，对比分析两者的缸内燃烧特征。
1 燃烧试验
1.1 试验设备和方案
4B26增压发动机的主要参数见表1。试验主要设备有WE32水力测功机、EIM0301D台架控制柜、HAM03醇耗仪、AVL 525燃烧分析仪。
表1 发动机主要参数缸径／mm 90 活塞余隙／mm 0.9～1.3行程／mm 100 标定功率／kW 55排量／L 2.5 标定转速／r·min－1 3 200压缩比 18∶1 最大扭矩／N·m 183连杆长度／mm 175 最大扭矩转速／r·min－1 2 200喷孔直径／mm 0.22 供油提前角／（°） 12喷射夹角／（°） 148 甲醇喷射时刻（BTDC）／（°） 150
试验工况为最大扭矩转速2 200r／min，136N·m负荷，测量了发动机燃用柴油和甲醇－柴油（甲醇掺烧比例45%）时的气缸压力和燃油消耗率。
1.2 试验结果与分析
发动机燃用柴油时，柴油消耗量为7.15kg／h；发动机燃用甲醇－柴油时，柴油消耗量为5.11kg／h，甲醇消耗量为4.18kg／h，计算掺烧比为45%，替代率为28.5%，替代比为2.05。与燃用柴油相比，发动机燃用甲醇－柴油能够大幅提高燃油经济性。
图1示出了发动机燃用甲醇－柴油和燃用柴油的p－V图对比。燃用甲醇－柴油最高燃烧压力比柴油高约1MPa，定容放热区域宽，热损失减小，燃用甲醇－柴油显著提高了发动机燃烧效率。这是因为甲醇在进气管内经喷射、雾化混合后形成甲醇蒸气进入气缸，在气缸内形成了几乎均质的预混合气，一旦燃烧，甲醇充分发挥了其含氧量高、燃烧速度快的特点，其燃烧速度比扩散燃烧的柴油快，最高燃烧压力较高。
图1 p－V图对比
发动机燃用甲醇－柴油和燃用柴油的瞬时放热率对比见图2。燃用柴油的放热率呈明显的双峰特征，分别代表预混燃烧和扩散燃烧过程。燃用甲醇－柴油的放热率曲线为单峰，即大部分燃烧是预混燃烧，扩散燃烧所占比例较小，且放热率峰值明显升高。与燃用柴油（50.04J
／（°））相比，燃用甲醇－柴油的放热率峰值升高约20%，放热开始时刻推迟，预混放热量明显增加。
图2 放热率的对比
图3示出了发动机燃用甲醇－柴油和燃用柴油的缸内平均温度对比。在喷射柴油之前，甲醇－柴油燃烧方式的缸内温度较低，着火时刻推迟，在上止点后开始着火，此后温度不断升高，最高燃烧温度比燃用柴油高出约200K。这主要是由于甲醇汽化潜热值高，进气温度降低，从而进一步降低了压缩终了温度，滞燃期延长。一旦燃烧室局部满足着火条件，将迅速燃烧，气缸压力、放热率以及缸内温度急剧上升。
图3 缸内平均温度的对比
2 缸内燃烧的模拟
2.1 模型的建立
计算网格的精度和质量是数值模拟计算效率和结果准确性的关键。采用Hypermesh软件进行
燃烧室三维网格的划分，然后使用Fire软件自带的动网格生成工具建立燃烧室和气缸工作容积的总体动网格（见图4）。计算中主要选用的数学模型有标准κ－ε气体湍流模型、Multi－component液滴蒸发模型、Walljet1液滴碰壁模型、Schmidt－O’Rouke粒子相互作用模型、KH－RT液滴破碎模型、ECFM－3Z燃烧模型、Enable湍流扩散模型。其中相关火焰模型ECFM－3Z中自然模型选用Table模型，模拟中采用Simple／Piso算法进行计算。
图4 计算网格
模拟过程从进气门关闭时开始，到排气门打开时结束。模拟时缸内初始压力和温度由试验得到，初始涡流比为1.8，壁面温度边界采用恒温边界，忽略活塞运动与缸内燃烧过程对壁面的传热。气缸盖、气缸壁和燃烧室底面平均温度分别设定为553K，403K，593K。
2.2 模型的验证
为了验证甲醇－柴油发动机缸内燃烧过程计算模型的准确性，对2 200r／min，136N·m负荷时发动机每循环缸内燃烧过程进行数值模拟计算，并与试验结果进行对比。
图5示出了气缸压力计算值与试验值的对比。对比结果表明，模拟计算出压缩初始阶段压力
、最高燃烧压力、着火时刻均与试验结果较为接近，所选模型能够较为准确地模拟和描述发动机燃用柴油和甲醇－柴油各阶段燃烧放热的基本特征。
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