汽油/乙醇双燃料复合喷射对发动机排放性能的影响

内燃机的热效率和排放问题一直是制约其进一步发展的关键因素。作为汽油机燃料，乙醇具有较高的汽化潜热、较快的火焰传播速度和较大的辛烷值等优点，是最有前景的替代燃料之一。同时双燃料复合喷射技术结合了汽油气道喷射(GPI)和缸内直喷两种喷油方式，可以根据发动机运转条件灵活供应燃料，进而受到广泛关注。虽然目前在汽油/乙醇双燃料复合喷射技术对发动机排放性能的影响方面研究较多，但对缸内气体排放生成机理的研究则鲜见报道。基于此，笔者在发动机台架试验结果的基础上，建立EDI＋GPI 双燃料发动机的计算流体动力学(CFD)数值模型，深入研究不同工况下缸内混合气的形成和燃烧过程，以期探明污染物在缸内的分布和生成特点，并为结合试验数据揭示污染物的产生机理提供参考。

一、 试验台架及CFD模型

1.1 试验台架及方法

试验用燃料为92号无铅汽油和无水乙醇(体积分数≥99.5% )。通过一台Yamaha YBR250 摩托车的GPI 发动机作为原始样机，加装了一套乙醇直喷系统，使之成为了EDI＋GPI 双喷射发动机，基本参数如表1所示。

表1 EDI＋GPI发动机参数


首先，发动机在GPI的条件下启动并预热，随后逐渐减少汽油的喷射量，加喷乙醇替代汽油，直到乙醇能量占比(EER)达到目标要求。试验中，GPI喷油压力恒为0.25MPa，EDI喷油压力随着乙醇质量的增加由4MPa 提高至6MPa，以缩短喷油持续期．以0° CA 作为压缩上止点，GPI 和EDI 喷油时刻分别为410° CA BTDC 和300° CA BTDC．试验在中等负荷下进行，节气门开度为50%，平均指示有效压力(IMEP)为0.85 MPa，发动机转速恒为3500 r/min。其试验台架示意图见图1。


图1 发动机试验台架示意

1.2 CFD模型

基于CFD 软件Converge 建立了发动机的三维数值模型。模型表面网格为三角形，Converge 软件求解器自动生成；模型内部的体网格为完全正交的立方体，其基础网格尺寸设为4mm，进/排气阀间隙、火花塞等部位模型自适应加密。GPI 喷油器位于节气门附近，EDI 喷油器位于进气道一侧，并使乙醇喷雾束向火花塞方向偏移。燃料蒸发雾化过程中所用的具体模型见表2。

表2 计算模型

二、结果与分析

2.1 不同乙醇能量占比对排放的影响

图2为40°CA ATDC 时刻缸内各组分、λ 和温度分布. 图2a中，EER为0的GPI工况下，整个燃烧室范围内都分布有一定浓度的CO，但在气缸上侧区域，CO浓度明显增加；EER大于0的EDI＋GPI 工况下，CO主要分布在进气阀下方区域，但随EER的增加，CO分布面积有所增大．根据不同EER下的O2和λ(图2b、图2c)分布可知，EER 为0时O2在缸内的分布更为均匀，整体λ 没有较大的变化，因而GPI 况下生成的CO在缸内分布广泛，同时气缸上侧较稀薄的O2分布是该区域CO浓度较大的原因．随着乙醇被直喷入缸内，双燃料工况下的O2主要分布在排气阀与火花塞附近区域，导致此处的λ＞1；而在进气阀下方区域O2 含量十分稀少，同时未蒸发的乙醇液滴在喷雾射流的扰动下也随气流运动在此区域聚集，形成了λ＜0.85 的浓混合气，因而CO主要在进气阀下方区域生成．相较于GPI工况，EDI＋GPI 工况下的CO 排放较低。图2d中，EER 为0时NOx分布于气缸内绝大部分区域；随着EER的增加，NOx 分布面积逐渐减小，仅存在于气缸中心部位，缸壁附近几乎没有明显的NOx分布。由图2g可知，GPI工况下缸内温度较高且均匀，只有气缸上侧壁面附近温度较低；EDI＋GPI工况下的缸内温度下降明显，特别是近壁区域温度更低。O和OH 在高温下裂解产生，因而O和OH的分布与温度分布一致，火花塞附近是其集中分布的区域)．图2h中，GPI工况下，HC主要生成于气缸上侧壁面附近；EDI＋GPI工况下，在缸壁周围虽都有HC的分布，但在进气道一侧HC生成量明显增多。


图2 不同乙醇能量占比下各组分、λ 和温度分布

图3为不同EER下进气门关闭(IVC)和EVO时刻未燃燃料的质量。在EVO 时刻，EER为15.47%工况下仍有0.464 mg 的未燃燃料；随EER增加，缸内未燃燃料不断增多，当EER达到31.72%时，EVO时刻共有1.16 mg 未燃燃料，这些未燃燃料将作为未燃碳氢(UHC)排出，因而双燃料工况下的HC排放要高于GPI 工况。


图3 不同乙醇能量占比下IVC和EVO时刻未燃燃料质量

2.2 点火时刻对排放的影响

图4a中，点火时刻的提前会使NOx排放大幅增加，由18° CA BTDC 时的4.28 g/(kW·h)增长为26° CA BTDC时的5.73 g/(kW·h)，增长幅度达到了33.88%。图4b中，不同点火时刻下的HC 排放模拟和试验值都呈上升趋势，在实际发动机测试中，HC 排放随点火时刻的提前，由1.12 g/(kW·h)增长到1.43 g/(kW·h)，增加了27.68%。


图4 不同点火提前角下排放的模拟与试验值

2.3 乙醇缸内直喷时刻对排放的影响

图5a中，直喷时刻晚于300° CA BTDC 时的NOx排放略低，为4.50 g/(kW·h)以下；在直喷时刻早于310° CA BTDC时的NOx排放都高于4.56 g/(kW·h)。图5b中，随直喷时刻的提前，HC 排放也呈上升趋势。喷雾射流的扰动影响了缸内混合气的均匀性.另外，在实际发动机测试中，直喷时刻的提前使未燃混合气有更多的时间被压入到间隙中，同时更多的未燃燃料被缸内油膜和积碳吸附，最终以UHC形式排出，因而得到的测量结果最终呈增加的趋势。


图5 不同直喷提前角下排放的模拟与试验值

三、结论

(1) 汽油机加喷乙醇后，其CO和soot排放明显低于纯汽油工况；但双燃料工况下，随着EER 增加，缸内混合气质量下降，CO、HC和soot排放又呈上升趋势；乙醇直喷的充气冷却效果降低了缸内的温度，NOx排放降低。

(2) 点火提前使缸内整体燃烧压力和温度上升，NOx 排放增多；但随点火逐渐提前，缸内混合气没有充足的时间蒸发，局部混合气质量下降，燃烧不充分导致CO和HC 排放增多；同时受过冷壁面淬熄作用的影响，火焰难以传播至缸壁，燃烧反应中断，壁面附近的未燃燃料作为HC 排出，也导致最终排放的升高；而soot 被充分氧化，排放呈下降趋势。

(3) 乙醇直喷时刻的提前使燃料有充分时间蒸发混合，缸内混合气质量提高，燃烧更充分，CO 和soot 排放呈降低趋势，而NOx 排放有所增加；HC排放则由于吸附作用和间隙效应的增强也有所增加。


参考文献
[1] 庄远,常俊璋,钱立军,钱叶剑.汽油/乙醇双燃料复合喷射对发动机排放性能的影响[J].内燃机学报,2021,39(02):114-122.