带有预热塞热表面点火系统的甲醇发动机的喷射策略的数值优化

《F&S Science》：Numerical optimization of injection strategy for methanol engine with glow plug hot surface ignition system

甲醇发动机Glow plug点火系统性能优化研究，通过建立三维计算模型分析喷射压力、时间和喷嘴角度对燃烧的影响，正交实验表明-9°CA ATDC喷射时燃烧持续期最短，喷嘴锥角对后期燃烧影响显著，最优参数组合使点火提前角提前，燃烧持续期缩短23%，点火效率提升至51.7%。

　　随着全球化石燃料消耗的增加和环境退化的加剧，内燃机行业正面临着可持续发展的重大挑战。传统内燃机主要依赖于碳氢化合物燃料，这导致了温室气体排放和空气污染问题的持续恶化。因此，寻找适合的清洁替代燃料成为当前研究的重点。甲醇作为一种具有低碳排放潜力的燃料，因其在常温下为液体，便于储存和运输，而备受关注。此外，甲醇可以通过化石燃料合成或利用多余的可再生能源电力通过电化学途径生成，这使其在绿色能源供应方面具有广阔的应用前景。近年来，随着绿色发电技术如风能和光伏发电的快速发展，绿色甲醇的合成也显示出巨大的应用潜力。因此，甲醇作为燃料的使用对于实现低碳排放具有重要意义，这也使得甲醇发动机成为当前研究的热点。

根据甲醇在发动机内的燃烧特性，甲醇发动机主要可以分为两种类型：预混合燃烧和扩散燃烧。在预混合燃烧模式下，甲醇通过进气道喷射或直接喷入气缸，随后与进气空气混合形成混合气，再由火花塞点燃。这种燃烧方式虽然只需要简单的甲醇喷射和点火系统，但存在冷启动困难、燃烧后排放较高以及热效率较低等缺点。而扩散燃烧模式则通常采用高压直接喷射技术，甲醇在气缸内通过扩散燃烧的方式被点燃，其点火方式可以是预先喷射的柴油、进气空气加热或通过安装在气缸盖上的加热表面实现点火。扩散燃烧模式能够避免爆震问题，从而实现较高的压缩比和热效率。

近年来，研究人员对扩散燃烧甲醇发动机进行了广泛的研究。然而，由于甲醇的十六烷值较低，为了实现稳定的压缩燃烧，压缩比需要达到27或更高。但如此高的压缩比会不可避免地使发动机承受超过其承受能力的机械负载。因此，使用预先喷射的柴油来实现甲醇的扩散燃烧成为一种可行的方法。无论是通过进气道喷射还是直接喷入气缸，这种方法都需要两个燃料供应系统，不仅增加了制造成本，还使发动机控制更加复杂，同时无法实现纯甲醇燃烧，因此并不是一种有效的低碳排放解决方案。另外，通过进气空气加热来实现纯甲醇扩散燃烧可能会导致显著的热传递损失，从而降低发动机性能。

随着甲醇发动机技术的发展，使用加热表面点火系统（如安装在气缸盖上的点火装置）成为一种可靠的方法，能够实现纯甲醇的压缩点火。然而，目前大多数研究主要关注单个因素对发动机性能和排放的影响，而较少涉及喷射策略与喷嘴结构之间相互作用的综合影响。此外，对气缸内点火和火焰传播机制的深入研究，以及上述参数对发动机性能和燃烧特性的影响权重分析，尚未得到系统的探讨。

本研究建立了一个基于真实发动机测试环境的三维计算模型，用于分析不同喷射压力、喷射时刻和喷嘴孔锥角对甲醇发动机性能和燃烧特性的影响。通过数值模拟，揭示了气缸内的火焰传播机制，并利用正交实验设计进行敏感性分析，区分了对发动机性能和燃烧特性影响较大的主要参数和次要参数。研究结果表明，不同喷射压力下，火焰发展表现出明显的“喷雾诱导”和“火焰驱动”模式。在分析的喷射时刻条件下，甲醇发动机在?9°CA ATDC时实现了最高的等容燃烧程度。此外，喷嘴孔锥角对CA10和CA50的影响较小，但对燃烧持续时间的后期阶段有显著影响。ITE对喷嘴孔锥角最为敏感，而CA10、CA50和燃烧持续时间则对喷射时刻最为敏感。在最优参数组合下，与初始条件相比，CA10和CA50显著提前，燃烧持续时间明显缩短，ITE达到了51.7%。这些研究成果为甲醇发动机的工程设计和性能优化提供了有价值的指导。

本研究通过数值模拟和实验测试相结合的方式，对甲醇发动机的燃烧过程进行了深入分析。在数值模拟方面，采用CONVERGE软件构建了计算模型，并对不同喷射压力、喷射时刻和喷嘴孔锥角进行了系统研究。研究结果表明，喷射压力的调整直接影响燃料的雾化和破碎、混合气的形成和燃烧过程。通过数值模拟，对喷射压力在50–95 MPa范围内的不同操作条件进行了分析，结果揭示了不同喷射压力对甲醇发动机燃烧性能的影响。此外，喷射时刻的调整对燃烧过程的稳定性、热效率和排放特性具有重要影响。通过正交实验设计，对影响发动机性能和燃烧特性的主要参数和次要参数进行了区分，为后续的优化设计提供了依据。

在喷嘴孔锥角方面，研究发现其对燃烧过程的后期阶段有显著影响，而对CA10和CA50的影响较小。这表明，在优化甲醇发动机燃烧性能时，喷嘴孔锥角的调整可能对燃烧的后期阶段更加关键。此外，研究还发现，在喷嘴孔锥角较小时，甲醇喷雾对加热表面的冲击程度较高，这有助于提高燃烧的稳定性，但可能对混合气的分布产生一定的影响。因此，在设计喷嘴孔锥角时，需要综合考虑其对燃烧过程各阶段的影响。

本研究的结论表明，通过正交实验设计和敏感性分析，可以找到最优的喷射参数组合。研究发现，在喷射压力、喷射时刻和喷嘴孔锥角的调整中，ITE对喷嘴孔锥角最为敏感，而CA10、CA50和燃烧持续时间则对喷射时刻最为敏感。在最优参数组合下，CA10和CA50显著提前，燃烧持续时间明显缩短，ITE达到了51.7%。这表明，通过优化喷射参数，可以显著提高甲醇发动机的燃烧效率和性能。此外，研究还发现，喷射压力对燃烧过程的稳定性有重要影响，较高的喷射压力有助于提高燃料的雾化效果，从而改善混合气的形成和燃烧过程。然而，过高的喷射压力可能会导致喷雾的过度破碎，影响燃料的分布和燃烧的均匀性。

综上所述，甲醇发动机的燃烧性能受到多种因素的影响，包括喷射压力、喷射时刻和喷嘴孔锥角等。通过数值模拟和实验测试相结合的方式，可以深入分析这些因素对燃烧过程的影响机制，并找到最优的参数组合。这不仅有助于提高甲醇发动机的燃烧效率和性能，还能够为实现低碳排放提供技术支持。未来的研究可以进一步探索喷射策略与喷嘴结构之间的相互作用，以及不同燃烧模式下的性能差异，以期在甲醇发动机的设计和优化方面取得更大的突破。