第4期（总第219期) 2015年8月
车用发动机
VEHICLE ENGINE
甲醇发动机缸内EGR 分层的研究
姜伟\王建军2，洪伟\李小平\王新超\解方喜1
(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春
130025;
2.保定长城内燃机制造有限公司，河北保定
071000)
摘要：针对一台具有螺旋进气道的点火式甲醇发动机，采用进气道加装E G R 管的方式实现了 E G R 和新鲜充 量的分开引入。应用C F D 仿真软件F ire 模拟了不同E G R 通入时间、不同燃烧室凹坑形状等对E G R 分层的影响。 结果显示，加装E G R 管能够实现E G R 的分层，E G R 的通入时长和燃烧室凹坑形状都对E G R 的分层产生影响。当 燃烧室凹坑形状为浅圆柱型、新鲜充量的通入压力为100 kPa 、E G R 通入压力为160 k P a 时，在300°BTDC (压缩上 止点前）停止通入，能够形成火花塞周围E G R 农度低、越远离燃烧室顶部E G R 农度越高的E G R 分层结构。同时， 在保证E G R 率和燃油消耗量相同条件下，通过改变点火提前角，分析分层E G R 和均质E G R 对甲醇发动机缸内燃 烧的影响。分层E G R 能有效地提高缸压峰值、缩短燃烧滞燃期、提前燃烧始点，有利于发动机缸内燃烧的改善。
关键词：甲醇发动机；废气再循环；分层；燃烧 DOI ： 10. 3969/j. issn. 1001-2222. 2015. 04. 008中图分类号：TK464
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2015)04-0037-06
甲醇是一种可以从天然气、煤、生物质中提取的 车用替代燃料，具有辛烷值高、汽化潜热大、燃烧速 度快、使用清洁、安全等众多优点[1]。将甲醇作为点 燃式发动机的替代燃料能够起到提高发动机经济 性、减少排放的作用。在甲醇发动机上进一步应用
E G R ，可以利用E G R 实现对负荷的控制，从而减少 泵气损失、抑制爆震、提高压缩比、改善燃烧性能，进 而提高发动机的燃油经济性[2_9]。然而，过高的 E G R 率却会恶化燃烧的质量，严重时甚至会造成发 动机失火[1("15]，分层E G R 技术为解决这类问题提 供了很好的选择。本研究在一台具有螺旋进气道的 高压缩比甲醇发动机上加装E G R 管，并利用CFD 仿真软件A V L
F ire 对在特定新鲜充量压力、不同
E G R 通入时长和不同燃烧室凹坑形状条件下的发
动机的进气、压缩和燃烧膨胀过程进行数值模拟。
1 CFD 模型及试验台架的建立1.1计算网格的划分
本研究中甲醇发动机是由一台柴油机改装而 来，加装了节气门、E G R 系统和点火系统，并对进气 歧管和燃油供给系统进行了改装。在螺旋进气道上
加装E G R 管，使其成为能够实现E G R 和新鲜充量 分开引入的点火式甲醇发动机。发动机的基本参数 见表1。
表1
发动机基本参数
型式4缸、两气门、自然吸气
缸径/m m 85行程/m m 88总排量/L 1. 997燃烧室C O 型压缩比
18 ： 1进气门关闭时刻（BTDC) / (°)144排气门开启时刻（A T D C )/(°)149连杆长度/m m 175最大扭矩/N • m
205最大扭矩转速/r • min-1
1 400标定功率/k W
55标定功率转速/r • min_1
3 000
采取逆向工程的思路，对发动机的进气道和燃 烧室进行三维扫描从而得到发动机的三维几何模 型，此模型的参数与发动机基本参数一致。在计算
收稿日期：2015-03-18；修回日期：2015-05-31
基金项目：国家高技术研究发展计划“863”资助项目（2012A A 111702)；吉林省科技引导计划青年科研基金项目（20140520128JH) 作者简介：姜伟（1989—），男，硕士，主要研究方向为发动机节能减排；1148714551@qq 。
通讯作者：解方喜（1982—），男，讲师，主要研究方向为内燃机工作过程的优化及控制;jlu x fx @ m
。
•38 •车用发动机2015年第4期
之前需要对甲醇发动机的三维模型进行动网格的划 分，包括387°BTDC〜144°BTDC的进气过程模型和 144°BTDC〜149°A T D C的压缩和膨胀过程模型。进气过程模型由进气道、进气门和燃烧室网格模型 组成，压缩和膨胀过程模型由燃烧室网格模型组成。对模型首先进行线网格和体网格的划分，之后使用 Fame Engine P lus模块进行动网格划分。气道、气 门、活塞顶等部件在划分后需要细化。加装EGR 管的分层方案的最大网格数是47. 7万。图1示出 了E G R管分层方案的计算网格。
图1进气始点的计算动网格
1.2计算条件设定
计算条件的设定包括时间步长、边界条件、初始 条件的设定和计算模型的选取四部分。时间步长在 Run m ode条件下设定：喷油和点火过程设定为〇.5°，燃烧和膨胀过程分别设定为0.25°和1°。边界 条件设定实际上是对活塞顶面、气缸壁面和气缸盖 底面组成的燃烧室边界分别进行初始值的设定，在 本研究中就是对387°B T D C时刻的燃烧室进行温度 的设定。完成设定后，F ire会根据所选择的传热模 型自动计算出之后过程中相应时刻的燃烧室各部分 温度。根据甲醇发动机燃烧特性将活塞顶面、气缸 壁面和气缸盖底面的温度分别设为600 K，450 K和550 K。同时，进出口温度和压力以试验值为准。初始条件中燃料为甲醇，E G R设定为甲醇按化学 计量比燃烧形成的废气，E G R温度设定为313. 15K。E G R管入口的E G R率设为1(100%废 气）；燃烧室内E G R率同样设置为1，压力为101 kPa;E G R管和进气歧
管之间的新鲜充量入口 的混合气设定为理论混合气。发动机气缸内工质多 维模型流动过程的模拟主要是在满足质量、动量、能 量守恒方程和理想气体状态方程的基础上对黏性不 可压缩流体动量守恒运动方程，即纳维-斯托克斯方 程(简称N-S方程）的求解过程。本研究中湍流模 型采用标准形式的ats模型，缸内气体流动和混合 采用标准的物质输运模型，燃烧模型采用CFM 模型。
1.3模型的验证
在计算之前要采用试验数据对模型的准确性进 行验证。本研究中，在转速为1400 r/m in、负荷为 50%、点火提前角为27°、E G R率为30%的均质 E G R工况分别进行了模拟和试验，缸压曲线对比结 果见图2。由图可见，模拟值与试验值结果基本吻合。
曲轴转角/(°)
图2试验和模拟缸压曲线对比
2计算结果与分析
对在螺旋进气道加装E G R管的E G R分层方 案进行研究，选取的转速为1400 r/m in，新鲜充量 (过量空气系数为1的均质混合气）的通入压力为 lO OkPa。为了保证缸内的平均E G R率不小于30%，E G R通入压力设定为160kPa。首先，研究 E G R通入时间对E G R分层效果的影响，采用的方 法是在F ire中设
定E G R进口的E G R率随曲轴转 角变化，然后研究此方案下气缸内的新鲜充量质量 和E G R率，这样，就可以对比在1400 r/m in、确定 E G R率和燃油消耗量条件下，随着点火提前角的改 变，分层E G R和均质E G R对甲醇发动机缸内燃烧 的影响效果。
2. 1EGR通入时长对EGR分层的影响
图3示出了 E G R通入压力为160 kPa，分别在 240°BTDC，270°BTDC 和 300°BTDC停止通入（对 应的E G R通入时长分别为147°，117°和87°)时，不 同时刻缸内纵向E G R分布情况。
从图中可以看出，E G R通入时长为147°时，缸 内的E G R浓度整体较高，从120°BTDC时刻开始，E G R气体就开始聚集在燃烧室顶层，并且随着活塞 的上移，顶层的E G R浓度一直较高，最终在20°BT- D C时刻形成了越靠近燃烧室顶层中心废气浓度越 高的E G R分层结构。这种分层结构是不利于发动 机稳定点火和抑制爆震的。当E G R通入时长为 117°和87°时，由于E G R提前关闭，继续通入的新鲜 充量很好地稀释了燃烧室顶层的废气，同时借助挤 流，将废气挤向燃烧室底层。在120°BTDC时刻，
可
2015年8月姜伟，等：甲醇发动机缸内EGR 分层的研究• 39 •
以明显看出气缸内已经形成了燃烧室顶层E G R 浓 度低、越远离燃烧室顶层中心E G R 浓度越高的分 层结构。这种结构也随着活塞的进一步上移而保持
到了 20°B T D C 时刻。对于火花塞点燃式发动机， 这样的EGR 分层结构能够较好地起到稳定点火和抑
制爆震的作用。当E G R 通入时长为117°和87°时， 发现在燃烧室凹坑中形成了中心区域E G R 浓度较 高、越外层E G R 浓度越低的分层结构，而这种分层 结构是不利于抑制爆震的。
P I
EGR 质量分数
!0.75，0.62
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300° BTDC
EGR 质量分数EGR 质量分数
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240° BTDC
120° BTDC
60° BTDC
a 240。BTDC 停止通入（通入时长147。）
EGR 质量分数EGR 质量分数
EGR 质量分数
EGR 质量分数
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U i 0.42_ 0.320
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〇.40
240° BTDC
120° BTDC
b 270° BTDC 停止通入（通入时长117°
60° BTDC
EGR 质量分数
m 0.6200.5160.412
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EGR 质量分数 s 0.44
240° BTDC
120° BTDC
300。
BTDC 停止通入（通入时长87°
60° BTDC
20° BTDC
20° BTDC
20° BTDC
图3不同停止相位下不同时刻的EGR 分层对比（纵向）
2.2燃烧室凹坑形状对E GR 分层的影响图4示出了在E G R 通入压力为160 kPa ，300°
B T D
C 停止通入(通入时长为87°)条件下，深圆柱凹
坑、浅圆柱凹坑和无凹坑燃烧室在20°B T D C 的缸内
E G R 分布。深圆柱凹坑的深度是⑴型凹坑深度的
88%，浅圆柱凹坑深度是深圆柱凹坑深度的44%。 从纵向切片图中可以看出，3种燃烧室在给定的
E G R 通入压力和通入时长下都基本形成了火花塞
周围E G R 浓度最低、越远离燃烧室顶层中心EGR 浓度越高的分层结构。进一步比较发现，浅圆柱凹 坑燃烧室的分层结构最合理，深圆柱凹坑和无凹坑
结构分别存在燃烧室底层E G R 分层结构不合理和 燃烧室顶层气缸壁面附近E G R 浓度低的问题。气 缸底层横向切片中，深圆柱凹坑燃烧室的E G R 浓
度是中间低外层高最外层最低的夹心式分层结构， 与理想分层结构相反；浅圆柱凹坑和无凹坑两种结
构均形成了中间E G R 浓度最小，越向外E G R 浓度 越高的分层结构。通过分析可以发现，凹坑深度越 大，后进入的新鲜充量进入凹坑中稀释废气的能力 就越弱。
EGR 质量分数
0.360
EGR 质量分数
气缸纵向切片
0.440■
0.4400.4320.4360.424—0.432
0.416
—
0.4280.4080.4240.4000.4200.392-------
0.416
0.3840.4120.3760.406
0.3680.404I 0.400
气缸底层横向切片
a
深圆柱凹坑
• 40 •
车用发动机
2015年第4期
690
720 750 780 810
曲轴转角/( ° )
c 27°
不同点火提前角下的缸压曲线
分层
720 730 740 750 760
曲轴转角/(。）
a 15°
b 21°
分层E G R 的缸内压力峰值和放热率峰值的差值越 来越小，并且分层E G R 缸内压力和放热率大于均 质E G R 的部分越来越多地位于上止点之前。这样 造成的结果是随着点火提前角的增大，分层EGR 在活塞到达上止点之前会放出更多的热量，造成缸 内温度压力上升更快，从而使循环的压缩负功增加。 这样会抵消提前燃烧带来的好处。
a 15'
b 21
EGR 质量分数
■
0.440 0.428 [—1 0.416L.J 〇.404I U 白
M y
0.3920.380
0.3680.3560.344
0.3320.320
EGR 质量分数
國 0.440 ,0.434 ‘0.428 0.422 0.416 0.410 | 0.404 0.398 0.392 0.386 0.380
_气缸纵向切片
b 浅圆柱凹坑
气缸底层横向切片
EGR 质量分数
_ 0.440 _ 0.428
0.416 0.404 0.392 0.380
0.368 議 0.356 0.344 0.3320.320
气缸纵向切片
无凹坑
气缸底层横向切片
图4不同形状燃烧室在20°BTDC 的缸内EG R 分布
3分层EGR 对燃烧的影响
由前文分析可以得出结论：在螺旋进气道上加
装E G R 管的方式可以实现E G R 分层，E G R 通入时 长和燃烧室凹坑形状影响缸内E G R 分层结构。当 新鲜充量通入压力为1〇〇 k P a 时，选择浅圆柱型凹 坑燃烧室，在160 k P a 的E G R 通入压力下，配合87° 的E G R 通入时长，能够形成火花塞周围E G R 浓度 最低，越远离燃烧室顶部中心E G R 浓度越高的分 层结构。在此基础上，继续探究分层E G R 和均质
E G R 对甲醇发动机性能的改善情况。新鲜充量通
入压力选择1〇〇 kPa ，E G R 分层方案为浅圆柱凹坑 燃烧室，160 kPa E G R 通入压力，在3〇0°B T
D C 停止 通入，平均E G R 率为30%。在1 400 r /min ，过量空 气系数为1的条件下，保证平均E G R 率和喷油量相 同，比较均质E G R 和分层E G R 对甲醇发动机缸内 燃烧的影响效果。3.1缸内压力和放热率
图5和图6示出了点火提前角分别为压缩上止 点前15°，21°和27°时的缸内压力和放热率曲线对 比。从缸内压力和放热率曲线中可以看出：第一，在 相同的点火提前角下，分层E G R 的缸内压力峰值 和放热率峰值要比均质E G R 的高，且出现的时 刻更早；第二，随着点火提前角的增大，均质EGR 和
图
)0o o o o o 6
5
4
3
2 1
1丨(〇 ) •
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2015年8月姜伟，等：甲醇发动机缸内EGR 分层的研究• 41 •
0----------1----------1----------1----------1----------1
15
18
21
24 27
30
点火提前角(BTDC )/(。）
a 滞燃期
图8
均质E G R 和分层E G R 的滞燃期和燃烧始点
4结束语
a ) 加装E G R 管使E G R 和新鲜充量分开通入 能够实现E G R 的分层；
b )
当E G R 的通入压力为160 k P a 时，将EGR
通入时间从147°缩短到87°，缸内整体的E G R 率从 47%下降为38%，E G R 的分层结构也变得更加 合理；
c )
在E G R 通入压力为160 kPa ，通入时间为
87°时，采用浅圆柱型燃烧室能够获得较好的EGR 分层结构；
d ) 在平均E G R 率和喷油量相同的条件下，分 层E G R 提高了缸内峰值压力，缩短了燃烧滞燃期， 提前了燃烧始点，由此可知，分层E G R 比均质EGR
700 710 720 730 740 750
曲轴转角/( ° )
c 27°
不同点火提前角下的放热量曲线
■均质■分层
710
720
730
740 750
曲轴转角/(° )
a 15°
760
770
800「
c 27°
图6不同点火提前角下的放热率曲线
3.2放热量和燃烧始点
图7示出了点火提前角分别为压缩上止点前 15°，21°和27°时的累计放热量曲线，从图7中可以 看出，分层E G R 的累计放热量在整个主燃期内都 比均质E G R 多。这说明E G R 分层后的确起到了 改善燃烧的作用，使燃料的大部分热量在上止点附
近释放，能够起到增加热效率、提高动力性的作用。
均质E G R 和分层E G R 的滞燃期与燃烧始点 随点火提前角的变化见图8。燃烧始点为缸内燃料 放出10%热量时的曲轴转角，滞燃期为点火时刻到 燃烧始点之间经过的曲轴转角。从图8中可以看 出：第一^，在E G R 率一^定的条件下，随着点火提如 角的增大，均质E G R 和分层E G R 的滞燃期都变长 了，原因是点火提前角越大，活塞离上止点越远，缸 内温度和压力增长得越慢，越不利于着火；第二，分 层E G R 的燃烧始点比均质E G R 的燃烧始点平均 提前了 3°〜4°，原因是在相同的平均E G R 率条件 下，分层E G R 火花塞周围的废气浓度低从而更容 易跳火燃烧，形成的火焰在火花塞附近传播速度
也 更快，所以，放出10%热量需要的时间少。
700 710 720
730 740
750 760
曲轴转角/( ° )
b 21°
o
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60
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汽车烧甲醇图
2016
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