一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法

摘要

本发明公开了一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法，包括以下步骤：S1、仿真模拟基础，S2、计算模型：S2.1、模型建立，S2.2、模型验证，S3、仿真计算结果分析。涉及柴油机技术领域，本发明中，通过修改缸内直喷喷油时刻，逐个研究其对缸压、放热率、平均指示压力、滞燃期等燃烧特性及颗粒物排放特性的影响，在保证发动机的经济性、动力性及较低污染物排放的前提下，分析对比出每种策略所对应的最优喷油时刻。

说明书

技术领域

本发明涉及柴油机技术领域，尤其涉及一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法。

背景技术

柴油机拥有更高的压缩比，能够获得更高的燃油利用率和燃烧效率，有效降低气缸内未燃尽的碳氢化合物(Total Hydro Carbons,THC)和一氧化碳(Carbonic Oxide,CO)，但同时氮氧化物(Nitrogen Oxides,NOX)尤其是微粒(Particle Matter,PM)的排放污染严重；

甲醇因其高含氧、低碳量及汽化潜热特性能有效改善柴油机的燃烧与排放特性，因此广受学者青睐，但由于其低十六烷值、燃点高需引入聚甲氧基二甲醚(PODEn)作为引燃燃料进行助燃，并结合先进燃烧技术包括均质压燃技术(HCCI)、反应活性控制压燃(RCCI)、预混压燃技术(PCCI)等，既满足了清洁低排放的要求，又拓宽了燃料高效燃烧的工况范围。

目前，国内外学者对甲醇/PODEn双燃料在柴油机上的应用纷纷展开研究；

在改进防爆机中对比了不同甲醇比例的燃烧结果，研究发现：随比例的增加，相比单燃料燃烧始点滞后，但燃烧速度加快，压力升高率与放热率峰值均大大提高，随后在不同负荷的排放试验中发现小负荷工况下NOx排放降低，CO、THC有所升高；但负荷较大时，NOx先升高后降低，CO、THC均逐步下降。

采用高压共轨发动机，在最大转速转矩下研究了不同负荷的燃烧特性，结果表明甲醇能降低缸内压力，延长滞燃期，推迟放热始点，中低负荷下甲醇质量的增加会使放热率峰值先升高后降低，高负荷下逐渐升高。

研究了EGR率对该混合燃料燃烧的影响，发现随EGR率的增加会使滞燃期和燃烧持续期延长，缸压放热率峰值下降且大负荷时影响更为明显。

在一台三缸增压柴油机上研究了该混合燃料的RCCI燃烧特性，发现随甲醇掺混比提高，双燃料的滞燃期延长，缸内爆发压力下降，当甲醇、空气质量比高于80％，有效热效率高达31％，高于甲醇/柴油组合燃烧模式。

本发明人在前人工作基础上，深入研究小负荷低转速工况下，单次喷射和两次喷射的喷油策略对甲醇/PODEn预混压燃燃烧模式燃烧排放特性的影响机理，在可控范围内，通过修改缸内直喷喷油时刻，逐个研究其对缸压、放热率、平均指示压力、滞燃期等燃烧特性及颗粒物排放特性的影响，在保证发动机的经济性、动力性及较低污染物排放的前提下，分析对比出每种策略所对应的最优喷油时刻，为此，我们提出一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法，解决了单次喷射和两次喷射的喷油策略对甲醇/PODEn预混压燃燃烧模式燃烧排放特性的影响机理，在可控范围内，通过修改缸内直喷喷油时刻，逐个研究其对缸压、放热率、平均指示压力、滞燃期等燃烧特性及颗粒物排放特性的影响，在保证发动机的经济性、动力性及较低污染物排放的前提下，分析对比出每种策略所对应的最优喷油时刻的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法，包括以下步骤：

S1、仿真模拟基础：通过商用流体仿真软件CONVERGE建立运算模型并进行仿真试验。

S2、计算模型：

S2.1、模型建立，试验选取理化模型和燃烧模型。

S2.2、模型验证，为保证仿真计算模型的准确性、严谨性，故对原试验发动机模型进行仿真模型验证，建立的仿真模型能准确表征该混合燃料的燃烧排放特性。

S3、仿真计算结果分析；前期通过CONVERGE仿真软件的建模、然后经过模型验证，最终得到科学可靠的仿真模型。

S3.1、单次喷射时刻对燃烧及排放的影响，在单次喷射的喷油策略下，不同喷油时刻对甲醇/PODEn双燃料预混压燃缸压、放热率、平均指示压力、滞燃期等燃烧特性及颗粒物排放特性的影响；

S3.2、两次喷射预喷时刻对燃烧及排放的影响，在两次喷射的喷油策略下，不同喷油时刻对甲醇/PODEn双燃料预混压燃缸压、放热率、平均指示压力、滞燃期等燃烧特性及颗粒物排放特性的影响。

优选的，在步骤S1中)仿真试验的喷油方式是由进气道喷射甲醇并与空气充分混合进入气缸，PODEn燃油采用缸内直喷，在压缩冲程末期即活塞上行至上止点附近时，使PODEn达到着火界限随即被压燃，其燃烧的同时引燃周围的甲醇空气混合气，形成混合燃烧的状态，相比于甲醇/柴油，甲醇/PODEn组合燃料具有更高的含氧量可以有效改善发动机大负荷时缸内缺氧情况以及小负荷极大降低THC和CO排放，高含氧量还有助于助燃、提高燃效效率，PODEn十六烷值是柴油的1.5倍，提升了压燃燃烧的发火性能，使燃烧更加均匀，并且由于较低的运动粘度，以及较小的燃油粒径，促进雾化效果，有利于燃料充分混合，进一步降低碳烟排放。

优选的，在步骤S3中)科学可靠的仿真模型针对该发动机模型，研究了不同喷射时刻对单次喷射和不同预喷时刻(SOI1)对两次喷射的影响，探寻喷油策略对甲醇/PODEn燃烧排放特性的规律，为后续改进喷油参数，从而优化喷油策略，提升燃烧经济性和降低污染物的排放奠定试验基础。

与相关技术相比较，本发明提供的一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法具有如下有益效果：

1)甲醇/PODEn混合燃料的预混压燃燃烧模式实际就是通过缸内直喷PODEn柴油(高十六烷值燃料)提高混合燃料的活性与浓度分层共同影响燃烧进程，而改变喷油策略就是对该燃烧过程有效控制的重要途径。

2)单次喷射策略中，综合评价喷油时刻在-22°CA时能够有效提高缸压和放热率峰值，进气当量比降低，有助于充分燃烧，提高燃烧效率。

3)两次喷射策略中，随着SOI1的提前，主预喷时间间隔变长，预喷燃油充分扩散且反应时间拉长，导致放热率曲线逐渐出现了两阶段放热的特性，SOI1为-39°CA时，滞燃期与燃烧持续期明显增加，且较长的喷油间隔使缸内与缸壁温度下降明显，从而缸压和放热率峰值降低，反应过程趋于温和。

4)两次喷油策略中，随着预喷的推迟，压燃时间缩短，使滞燃期缩短，燃烧重心整体后移，狭隙效应的加剧导致缸内存在更多未燃烧与燃烧不完全的碳氢燃料，但两次喷射对Soot、NOx和CO抑制效果显著，大大改善排放性能，其中，SOI1为-27°CA时效果最为明显。

附图说明

图1为一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法的流程图；

图2为仿真模型与台架实验拟合对比的结果示意图；

图3为不同喷油时刻对甲醇/PODEn双燃料预混压燃的缸压实验结果示意图；

图4为不同喷油时刻对甲醇/PODEn双燃料预混压燃的放热率实验结果示意图；

图5为喷油时刻对平均指示压力和指示热效率影响规律实验结果示意图；

图6为不同喷油时刻对滞燃期以及燃烧持续期的影响趋势实验结果示意图；

图7为喷油时刻对Soot和NOx排放的影响实验结果示意图；

图8为喷油时刻对HC和CO排放的影响实验结果示意图；

图9为不同SOI1对甲醇/PODEn预混燃烧缸压影响的实验结果示意图；

图10为不同SOI1对甲醇/PODEn预混燃烧放热率影响的实验结果示意图；

图11为SOI1对平均指示压力和指示热效率的影响规律实验结果示意图；

图12为SOI1对燃烧相位滞燃期和燃烧持续期的影响实验结果示意图；

图13为预喷时刻对Soot和NOx排放的影响实验结果示意图；

图14为预喷时刻对HC和CO排放的影响实验结果示意图；

图15为单缸柴油机研究模型主要技术参数的数据图；

图16为两种燃料的理化特性参数的数据图；

图17为模型边界条件的数据图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，如果有涉及到的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种影响甲醛/PODEn双燃料压燃模式燃烧特性的喷油方法，包括以下步骤：

S1、仿真模拟基础：为探寻混合燃料单次喷射和两次喷射策略对甲醇/PODEn在PCCI模式下燃烧过程的影响规律，运用化学反应动力学与CFD模型耦合的方法，通过商用流体仿真软件CONVERGE建立运算模型并进行仿真试验。

S2、计算模型：

S2.1、模型建立，试验选取的理化模型和燃烧模型，燃烧计算模型方面，选择RNGk-ε模型作为计算的湍流模型，选取Multi-component模型作为计算的蒸发模型，该模型将液滴假设为高质量扩散率和高蒸发率，且液滴内部成分分布均匀，将KH-RT模型作为破碎模型，其中KH模型能够对喷雾初次的破碎位置进行准确预测，RT则是对液滴的二次破碎进行预测；选择Walljet1模型作为液滴碰撞模型，主要用来模拟并计算当油滴撞击壁面后，液滴的射流和反弹飞溅以及由惯性引起的壁膜扩张与运动中液滴之间的相互作用力，燃烧模型选用传统SAGE模型描述油气混合燃烧的机内状态，仿真计算主要研究曲轴转角为-130°～114°CA的甲醇/PODEn双燃料的燃烧过程，由于模型为对称结构，为简化计算量提高计算效率，这里省略了进排气管道的结构建模，由于发动机的喷油孔数为5孔，故选取气缸的1/5扇形区域作为计算模型，由于CONVERGE软件自带的网格自动生成技术以及多种网格控制技术，给仿真的展开提供了极大的便捷，模型的基础网格尺寸为3.0mm，对其进行网格划分后并经过自适应加密获得精确的模拟计算结果。

S2.2、模型验证，为保证仿真计算模型的准确性、严谨性，故对原试验发动机模型进行仿真模型验证，本文验证的工况为小负荷下且甲醇占能比为35.2％的双燃料燃烧模式，喷油参数包括：PODEn单缸循环喷油量为21.59mg，喷油时刻-22°CA，喷油持续期20°CA，喷油压力20MPa，边界温度参照原试验台架如图17所示；

仿真模型与台架实验拟合对比的结果如图2所示，在小负荷工况下，高含氧燃料燃烧产生大量氧气促进燃烧进程，因此反应迅速，导致短期内缸压、放热率均瞬间上升，且放热率较为集中，缸压曲线基本吻合，放热率曲线的峰值超出部分在5％的误差允许范围内，可认定建立的仿真模型能准确表征该混合燃料的燃烧排放特性

S3、仿真计算结果分析；前期通过CONVERGE仿真软件的建模、然后经过模型验证，最终得到科学可靠的仿真模型。

S3.1、单次喷射时刻对燃烧及排放的影响，在单次喷射的喷油策略下，不同喷油时刻对甲醇/PODEn双燃料预混压燃的缸压及放热率曲线如图3和图4所示，随着喷油时刻的提前，着火时刻和燃烧相位略微提前，缸压峰值和放热率峰值均提前且明显上升，-26°CA相较于-18°CA的缸压峰值从5.49MPa变到5.73MPa，放热率峰值从138.045J/°CA到226.124J/°CA，分别提升了4.5％和63.8％，随喷油时刻提前，PODEn与甲醇空气混合气的混合随之提前，扩散时间充足，滞燃期延长，形成的预混合气增多，且由于PODEn运动粘度高、流动性差，大部分双燃料处于均匀混合状态，预混燃烧比例增大，同时缸内高温高压的环境又推动了扩散燃烧进程，进一步使缸温缸压大幅提升，从而提升燃烧效率；

参照图5可看出；IMEP受喷油时刻影响较大，大致呈现先升高再降低的趋势，IMEP的变化对指示热效率有密切的影响，故变化趋势与前者基本一致，分析可知，随喷油提前角的减小，缸压峰值和放热率峰值均减小，且燃烧持续期延长，缸温下降导致的IMEP减小，另一方面因为相比于较早的喷射时刻，晚喷缸壁温度冷却时间较长，缸内温度下降，燃烧不集中，放热速度慢，导致不完全燃烧，故IMEP和指示热效率下降，可明显看到喷油时刻为-22°CA的IMEP和指示热效率最高，分别为2.281bar、45％，由于在上止点前缸压较低，上止点后缸压远大于推迟喷油的缸压，使得发动机有效功和指示功增加；

参照图6可看出；喷油正时的推迟使滞燃期变短，缸内燃烧持续期逐渐被拉长，根据放热率曲线可知，着火时刻随喷油推迟略微推迟，燃烧时刻推迟，因此气缸所做的负功减少，燃烧速率加快，被压燃的时间变短，致使滞燃期缩短，前期阶段反应剧烈，燃烧重心提前，预混燃烧比例大大提升，放热率速度变快，但直喷的PODEn柴油和甲醇空气混合气混合扩散的时间变短，缸内分布不均匀，导致活塞在做功冲程阶段需要更长时间反应燃烧，拉长了燃烧进程使燃烧持续期的变长；

参照图7和图8可看出；仿真主要探讨了碳烟、NO

S3.2、两次喷射预喷时刻对燃烧及排放的影响；考虑到要降低小负荷工况下燃烧时急剧上升的缸温缸压，并且提高对PODEn燃料的利用率，本小节改用两次喷射策略，研究预喷时刻(SOI1)对甲醇/PODEn双燃料燃烧特性的影响，在两次喷射策略中，经多次试验发现PODEn的预喷和主喷油量按单次喷射总量2:8的比例进行分配较合理，故预主喷喷油量分别为4.318mg、17.272mg，预主喷喷射持续期分别为4°、16°，令主喷时刻与原模型保持一致，均为-22°CA，同时，预喷时刻在保证与主喷时刻不冲突的提前下，分别设置了-39°CA、-35°CA、-31°CA、-27°CA四组变量进行相关试验研究；

参照图9可知，随SOI1的提前，着火时刻和缸压峰值略微提前，但缸压峰值略有下降，可见压力升高率明显降低，如图10可知，放热率峰值提前且逐渐减小，燃烧持续期略有增加，但相比于单次喷油缩短明显，-39°CA相较于-27°CA的放热率峰值从200.954J/°CA降到161.255J/°CA，降低了19.8％，随着SOI1的推迟，预主喷时间间隔减小，预喷时混合气的燃烧反应时间较短，放热量少，对主喷着火促进作用减弱，此时预喷形成的预混合气与主喷形成的混合气共同着火燃烧，因此放热率峰值较高；随着预主喷间隔的增加，预喷的放热量大，对主喷着火促进作用大，着火时刻提前，主喷形成的预混合气减少，放热率曲线整体降低，燃烧持续期增加；

参照图11可知，随着SOI1的推迟，IMEP和指示热效率均呈现先减小后增大的趋势，拐点出现在预喷时刻为-31°CA时，此时的IMEP和指示热效率分别降低至2.241bar、44.04％，根据缸压放热率曲线可知，随着SOI1的推迟，缸压和放热率峰值略增大，着火时刻推迟，燃烧反应过程剧烈，燃烧持续期缩短，进而IMEP降低，指示热效率也随之下降，但SOI1在-27°CA时受到主预喷间隔时间短，近乎于单喷时缸内燃烧状况，预喷与主喷的混合气几乎同时燃烧，IMEP和指示热效率略有回升。

参照图12可知，滞燃期因SOI1的推迟而缩短，燃烧持续期大致呈下降趋势，由前文缸压和放热率曲线可知，无论预喷时刻提前还是推迟，甲醇/PODEn的着火时刻和CA10前的放热率曲线变化几乎无影响，因此滞燃期的变化与SOI1关系紧密，随着SOI1的推迟，主预喷间隔被缩短，两次喷射的混合气积累导致缸内燃料当量比增加，共同燃烧后使缸内燃烧温度上升，放热率峰值整体上升，燃烧效果更佳，在剧烈的燃烧工况下使燃烧持续期被缩短；

参照图13可知，随着SOI1的推迟，碳烟排放量大体呈现减少的趋势，NO

如图14可知，随着预喷时刻的推迟，HC排放大体上升趋势，而CO排放不断减少，因为伴随SOI1的推迟，燃烧相位逐渐滞后，预喷时刻喷出的燃油混合气无法进行充分燃烧，随主喷喷出的混合气共同被压燃，并且甲醇的汽化潜热特性吸收部分热量，致使燃烧温度显著降低，极大程度抑制了HC的氧化过程，CO由于只需氧气充足且较HC更容易被氧化，燃烧重心推迟，预混合气的积累使燃烧更为集中，加上缸内富氧的氛围环境共同促进并加速了CO的氧化，使其排放降低。

优选的，在步骤S1中)仿真试验的喷油方式是由进气道喷射甲醇并与空气充分混合进入气缸，PODEn燃油采用缸内直喷，在压缩冲程末期即活塞上行至上止点附近时，使PODEn达到着火界限随即被压燃，其燃烧的同时引燃周围的甲醇空气混合气，形成混合燃烧的状态，相比于甲醇/柴油，甲醇/PODEn组合燃料具有更高的含氧量可以有效改善发动机大负荷时缸内缺氧情况以及小负荷极大降低THC和CO排放，高含氧量还有助于助燃、提高燃效效率，PODEn十六烷值是柴油的1.5倍，提升了压燃燃烧的发火性能，使燃烧更加均匀，并且由于较低的运动粘度，以及较小的燃油粒径，促进雾化效果，有利于燃料充分混合，进一步降低碳烟排放。

单缸柴油机研究模型主要技术参数如图15所示；

两种燃料的理化特性参数如图16所示。

优选的，在步骤S3中)科学可靠的仿真模型针对该发动机模型，研究了不同喷射时刻对单次喷射和不同预喷时刻(SOI1)对两次喷射的影响，探寻喷油策略对甲醇/PODEn燃烧排放特性的规律，为后续改进喷油参数，从而优化喷油策略，提升燃烧经济性和降低污染物的排放奠定试验基础。

为了探寻在预混压燃燃烧模式下，不同喷油策略对于高含氧燃料在发动机内燃烧特性和有害物排放的影响机制，基于CFD仿真软件CONVERGE对某款发动机的结构及运行参数进行数值模拟和仿真运算，研究了甲醇/PODEn混合燃料在不同喷油策略下的燃烧、排放特性，并分析在每种喷油策略下不同喷油时刻对其动力性、经济性的影响。结果表明：单次喷油中，喷油时刻提前能够大幅提升缸压、放热率峰值，使燃油利用率增加，且污染物显著减少，其中-26°CA相较于-18°CA的缸压峰值、放热率峰值分别提升了4.5％和63.8％，最终排放物Soot、NO

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。