E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真研究

1 引言

由于石油资源的紧缺，我国的汽车能源消耗量又十分巨大，非常依赖进口，这对于我国的能源状况造成了危机。而由于我国汽车保有量的急速增长，环境污染问题愈发成为大众越来越关心的问题。乙醇是一种可再生的生物能源，将其一定比例的加入到传统汽油当中作为新型车用生物质燃料，在节能减排方面具有巨大优势。乙醇与汽油的理化特性不同，汽油中加入一定量的乙醇可以提高汽油的辛烷值，因此可以提高燃烧过程燃料的抗暴震特性，同时减少一氧化碳等气体的排放。我国的经济发展必然是要考虑到环境保护、可持续发展、避免能源危机，乙醇汽油作为车用替代燃料具有重大的战略意义。由国家相关部门发布的乙醇汽油燃料八万公里整车道路试验数据可知：尾气排放中CO排放明显降低了31.8%，HC化合物排放平均减少14.4%。

国外对乙醇/汽油燃料在汽油机多年的应用研究表明：车用汽油发动机燃用乙醇汽油可扩大混合气的着火界限，调整过量空气系数可以提高发动机的动力性，改变点火提前角可以提高发动机的经济性。 

2 发动机缸内一维计算模型的建立和仿真

2.1 模型的建立

利用GT-Power软件建立汽油机进气、排气系统，曲轴箱，气缸，喷油系统等模块的模型，同时按照各模块的要求，输入相关数据。

图1  GT-Power 1D仿真模型

2.2 过量空气系数仿真分析

研究一维模型中的过量空气系数（常用符号λ表示），分析它对于缸内燃烧过程的影响，然后在三维模型中选择特殊λ值进行寻优。

由图2可知，对发动机燃烧E10进行仿真分析，研究分析一维模型中的过量空气系数对于缸内燃烧过程的影响，λ=0.9时，功率和扭矩最大；转速越高，λ越大时，功率扭矩的下降越明显；在相同的λ时，随着转速增加，功率、扭矩和温度都越高；油耗、充气效率方面，随着过量空气系数的增大，呈明显降低趋势；温度方面，呈总体上升趋势；在转速低于4500 r/min时，当λ=0.9缸压最大。而高于4500r/min时，当λ=1缸压最大。可以看出λ=0.9、1.0、1.1时的特征比较明显，下一步将在三维模型中选择特殊λ值进行寻优。同时得出三维仿真计算的初始条件和边界条件。

 

 

 

 

 

 

图2  过量空气系数对发动机性能的影响

3 发动机燃烧过程的三维建模

3.1 网格划分

要对燃烧过程进行数值模拟，首先要对CAD模型进行网格划分，网格划分步骤如图3所示

图3  网格划分工作流程

3.2 动网格生成

在动网格划分过程中，进排气道的网格是不需要动网格的，而燃烧室的网格随着曲轴转角的变化会进行拉伸，在动网格的移动过程中，当排气门关闭进气门打开时，忽略排气的影响，去掉排气道的网格；当进气门关闭时，忽略进气的影响，去掉进气道的网格；在压缩行程中，也会去掉部分燃烧室的网格。

对发动机整个工作循环所对应的720度曲轴转角进行分区，进气行程（360～610°CA），压缩行程（611～840°CA），排气行程（841～1080°CA）。

3.3 初始条件

AVLFIRE仿真计算，对燃烧过程的计算是以曲轴转角为单位，取常规转速2000r/min工况进行研究，研究燃烧过程的流场特性时采用趋近于理想状态下过量空气系数λ=1，进行变参数研究时分别取过量空气系数为0.9、1.0、1.1，点火提前角设置为提前5°、10°、15°。设置720°CA为上止点，从360°CA开始计算，到1080°CA为止。

初始条件包括缸内初始温度、压力、湍动能和湍流尺度等等，初始湍动能按下式估算：   

      （1）

湍流脉动速度

     （2）

式中h为活塞冲程；n为转速；单位为r/min，A为0.7。

本文中h=0.085m，n=2000r/min，代入上式可得k=23.64m²/s²。

湍流尺度按下式估算：

     （3）

式中H_max=0.0769m，则l=0.0385m。

表1  缸内初始条件

转速/ r/min	点火提前角/ °CA	λ	缸内初始压力/Pa	缸内初始温度/K
2000	-5	0.9	110333	581
		1.0	110324	579
		1.1	110317	574
	-10	0.9	110235	566
		1.0	110224	565
		1.1	110219	559
	-15	0.9	110254	557
		1.0	110257	556
		1.1	110249	553

3.4 边界条件

缸内燃烧过程的仿真计算需要由采用GT/POWER瞬态值作为边界条件，在三维仿真的求解器设置中输入到相关的边界条件中。

表2  边界条件设置

4 发动机燃烧过程的三维模拟流场结果分析

为了能够更深入的研究E10在缸内的燃烧过程，利用AVL Fire模拟仿真进气道-缸内的燃烧过程，分析速度场、温度场、压力场等流场特性。

4.1 示功图标定

示功图标定是用来检验数值仿真模型是否准确的常规手段之一。试验所用的电喷发动机为直列四缸、16气门、顶置双凸轮，排量为1.597L，额定功率为80kW/6000r/min，最大扭矩144N·m/4200r/min。经过测量发动机多次循环的缸压，再取其平均值，再将试验所得和CFD仿真所得的示功图做比较，计算结果与实测曲线基本吻合，因此可以说明模型的准确性。

 

图4  试验值与仿真计算值的示功图对比

4.2 速度场、温度场、压力场分析

400°CA曲轴转角时的速度场分布图（图5），气流由于压差的作用通过进气道流入气缸内，此时排气道由于排气门关闭已去除。可以看出由于此时气门开度不大，进气量有限，气门座圈处是气流高速流动区。总体气体流线较为整齐，由于缸内空间有限，基本未形成任何流场结构，进气过程尚未对缸内流场产生影响。

 

图5  400°CA速度场流线图

460°CA曲轴转角时的速度场分布图（图6），随着气门升程的增加，流速上升，气体以越来越大的速度流入缸内，气门两侧形成了明显的进气射流。进气射流在进气门外缘分离，由于受气缸壁的限制，在进气门下方，排气门侧与缸壁侧开始分别形成两个旋向相反的纵向进气涡，并逐渐加大。

 

图6  460°CA速度场流线图

压缩行程到600°CA时，由于湍流的耗散性缸内的气流速度减小，活塞对于气体的压缩使得在气缸壁周围产生了一个高压区，从速度场分布图7中可以看出，气缸中出现了三涡流并存的状态，并形成一个高速滚流区，从压力场分布图8上可以看出，压力场与速度场是一致的，由于压差的作用使得气流向气缸中部压缩产生涡流。高速滚流区能够保证在压缩行程的后期气缸内有足够的动能来保证燃烧的充分。

 

图7  600°CA速度场流线图

 

图8  600°CA压力场分布图

由720°CA曲轴转角时的速度场分布图（图9），此时为点火前的缸内流场，气缸左侧的顺时针涡旋仍然保持，在压缩后期，燃烧室有足够的空间使涡流得以保持不破碎。

 

图9  720°CA速度场流线图

由720°CA曲轴转角时的温度场分布图（图10），气缸内的温度进入急剧上升期，将在靠近上止点位置达到峰值，缸内温度分布十分均匀。

 

图10  720°CA温度场分布图

可以看出缸内燃烧的不均衡性，E10能够在汽油机中有效的进行燃烧，但仍需要进行合理的参数优化。

5 发动机使用E10的燃烧过程变参数研究

缸内燃烧过程是否完善，是改善和优化发动机整体性能最关键部分之一。本文对点火提前角和过量空气系数λ进行研究，在常用转速2000r/min工况下选用不同的过量空气系数和点火提前角来研究E10W的燃烧过程。

5.1 过量空气系数对发动机燃烧放热率的影响

图11至13所示，随着过量空气系数的增大，混合气越稀薄，因此燃烧速度的增加越来越慢，放热率峰值越来越低。当λ= 1.1时，燃烧过程明显延迟，滞燃期过长。一般燃烧放热都在上止点附近30°CA内完成，如果滞燃严重会影响发动机整个循环的燃烧品质。可以判断出当λ= 0.9时，应是放热率最大，燃烧最为完善的时刻。

 

图11  点火提前角5°CA，不同λ的放热率

 

图12  点火提前角10°CA，不同λ的放热率

 

图13  点火提前角15°CA，不同λ的放热率

5.2 点火提前角对发动机燃烧放热率的影响

如图14到16所示，在相同的过量空气系数状态下，随着点火提前角的增大，放热率峰值向上止点靠近，放热率越快，燃烧速度加快，放热峰值比较大，后燃迟滞减小。可以看出当点火提前角为15°CA时，放热率的峰值位于上止点位置，适当加大点火提前角，避免后燃期的延长，能够降低燃料消耗率，减少功率及热效率的损失，此时更有利于燃烧。

综上对过量空气系数的研究，得知当λ= 0.9且点火提前角为15°CA时，即为汽油机燃用E10时最优方案。

 

图14  λ=0.9，不同点火提前角的放热率

 

图15  λ=1.0，不同点火提前角的放热率

 

图16  λ=1.1，不同点火提前角的放热率

6 发动机使用E10的缸内压力和温度变参数研究

6.1 过量空气系数对发动机缸内压力和温度的影响

在相同点火提前角条件下，不同过量空气系数对发动机缸内压力和温度的影响，如图17到19所示。

λ=0.9时，缸内平均压力和缸内温度的峰值最大，随着过量空气系数的增加，缸内平均压力和缸内温度的峰值越来越低，可以看出λ=1.1时，缸压比较低，温度也比较低。而λ=1.0时与λ=0.9差别较小。因此当过量空气系数为0.9时接近功率混合气，发动机功率最大，缸内压力和温度均较高。

 

 

图17  点火角-5°CA时不同过量空气系数缸内压力和温度变化

 

 

图18  点火角-10°CA时不同过量空气系数缸内压力和温度变化

 

 

图19  点火角-15°CA时不同过量空气系数缸内压力和温度变化

6.2 点火提前角对发动机缸内压力和温度的影响

在相同过量空气系数条件下，不同点火提前角对发动机缸内压力和温度的影响，如图20到22所示。

通过对比可知，点火时刻对于缸内最高压力的敏感度比较低。由于点火时刻的提前，对于缸内温度的变化影响更大。当点火提前角为15°CA时，明显看到缸内温度提前升高，更有利于燃烧。

 

 

图20  λ=0.9 时不同点火提前角的缸内压力和温度变化

 

 

图21  λ=1.0时不同点火提前角的缸内压力和温度变化

 

 

 

图22  λ=1.1时不同点火提前角的缸内压力和温度变化

7 结论

通过缸内的流场特性分析，可以看出随着活塞的运动，在进气行程中期到压缩后期气缸内仍保持有较稳定的涡流。虽然E10能够在汽油机中有效的进行燃烧，但缸内燃烧呈现不均衡性，仍需要进行合理的参数优化，使得在压缩中期产生较大尺寸的滚流和高湍动能区保持到点火时刻，以保证火焰传播速度和燃烧的充分、高效。

在不改变发动机结构的情况下，最后通过热效率、缸压和温度的变参数研究，得到最优的点火提前角为上止点前15°和最优的过量空气系数λ=0.9，即汽油机燃用E10时的最优方案。