0 引　言

内燃机作为高效率的动力机械，在汽车、船舶、发电等领域广泛使用，因此我国进口原油量每年都在增长^[1]，据调查，我国原油对外依存度已达到72.58%^[2]。内燃机在推动社会生产和工业技术发展的同时，世界也面临着能源供给减少和环境污染严重的问题。内燃机在燃烧过程会产生NOx、Soot、CO及HC等污染物，这些污染物对环境的污染和人体的健康造成不可逆的损害。比如颗粒物中碳烟是诱发癌症和肺部疾病的重要因素，NOx在大气环境中容易反应生成硝酸，造成酸雨腐蚀等，对居民的日常生活产生严重影响^{[3 − 4]}。所以，发展绿色可再生新能源和开发内燃机相关的节能减排技术对国家能源安全和环境保护具有重要意义。

在目前众多的清洁能源中，甲醇因可再生性强和存储运输方便等优点脱颖而出^[5]。并且甲醇的含氧量高，使用甲醇作为柴油的替代燃料有利于改善柴油机缸内燃烧，从而降低CO、HC和soot的排放^[6]。但同时也存在一些缺点，如甲醇的热值低且汽化潜热值高，当甲醇的掺混比例较大时，会导致滞燃期大幅延长燃烧效果下降。并且甲醇的含氧量高且燃烧速度快，使用甲醇燃料缸内会带来更高的温度和氧气浓度造成柴油机NOx排放增加^[7]。进气温度和进气压力对缸内燃烧效果和传热传质效果有非常大的影响，进而影响柴油机的动力特性和排放特性^{[8 − 9]}。张春化等^[10]研究了进气温度对甲醇HCCI的燃烧情况，研究表明提高进气温度后，柴油机缸内温度逐渐升高，燃烧速度变快，滞燃期缩短，燃烧持续期缩短。姚春德等^[11]研究了进气温度对预混甲醇的柴油引燃发动机燃烧特性影响，研究表明提高进气温度后使得柴油机缸内压力峰值增大，并且降低发动机工作的稳定性。王慧等^[12]研究进气压力对甲醇发动机的性能影响，研究指出提高进气压力后，柴油机缸内温度下降，NOx和soot排放降低。

上述研究表明，进气参数对于柴油机的燃烧和排放性能有很大的影响，但是上述研究中甲醇的混合方式都是以进气道的方式掺混的，并且都是单一的研究了进气压力或者进气温度的影响。本文研究的是缸内直喷双喷油器模式，同时探索进气压力和进气温度这2个进气参数对柴油引燃的甲醇发动机燃烧和排放性能的影响。研究结果可以促进甲醇发动机的开发和应用，提高甲醇发动机的动力性和排放性。

1 研究方案

本文以YC4D140柴油机为研究对象，其主要结构参数如表1所示。由于本文研究的是柴油引燃的甲醇发动机燃烧，因此燃烧过程中涉及到柴油和甲醇2种燃料，表2为甲醇和柴油的理化性质对比。可知，甲醇具有更高的氧含量和汽化潜热但热值较低。

根据表1的柴油机结构参数使用Converge软件进行仿真建模，建模时选用的子模型如表3所示。模拟研究的范围仅在进气阀关闭和排气阀打开之间的曲柄角范围内，燃烧室模型如图1所示。由于本文研究的是柴油引燃的甲醇发动机燃烧过程，因此模拟研究时燃烧模型耦合了正庚烷/甲醇的化学反应动力学机理^[13]，该机理共包括53个组分、176个基元反应过程。

通过模拟研究探索进气参数对柴油引燃的甲醇发动机整体工作性能的影响，制定的研究方案如表4所示。柴油机额定工况（负荷100%，转速1600 r/min）时，柴油热值占比是10%，甲醇热值占比是90%，在其基础上分别增加了4组进气压力和4组进气温度共9组研究方案。本文研究的柴油/甲醇双燃料发动机采用的是双喷油器的双喷形式，柴油的喷油正时为−10 °CA，甲醇的喷油正时为−8 °CA。

图2为柴油机缸压和放热率的仿真值与试验值对比图，在额定负荷下，仿真值与试验值基本吻合，最大误差不超过5%。图中放热率仿真值略高于试验值是因为柴油是复杂烃类混合物，含有不可燃的杂质，而仿真计算中以正庚烷作为研究对象，放热率存在一定误差，但在误差范围内。由此说明，该三维仿真模型设置较为合理，满足仿真计算的要求。

2 结果分析 2.1 燃烧性能

图3为不同进气参数下柴油机缸压与放热率的变化。可知，随着进气压力的逐渐升高，缸内最大爆发压力增大，且最大爆发压力对应曲轴转角提前。主要由于进气压力升高相同时间内进入燃烧室空气质量增大，燃烧室内氧浓度增大，缸内气体湍流扰动增强，提高混合气质量，优化缸内燃烧。与进气压力1.91 bar相比，进气压力在2.31 bar时，缸内最大爆发压力升高14.3%。随着进气温度的不断增加，缸内燃烧压力逐渐降低，缸内燃烧始点明显提前。这是因为进气温度增大后，空气受热胀冷缩影响，同等时间内进入到缸内氧含量减少，缸内燃烧效率逐渐下降。同时，进气温度增加，可较早达到柴油的着火点，即缸内燃烧提前发生。较原机进气温度380 K相比，进气温度在420 K时，缸内最大爆发压力下降4.2%。随着进气压力增加，相同曲轴转角时，进入燃烧室空气质量增大，即缸内氧含量增加，同时进气压力增大会增强缸内混合气湍流流动，进一步优化缸内燃烧，缩短滞燃期，着火时刻提前，使得放热率升高。放热率峰值随着进气温度的增大而小幅度降低，峰值对应的曲轴转角明显前移，此外燃烧始点随着进气温度的增加而提前。出现这种情况主要是因为：提高进气温度后，缸内提前达到着火点，缩短滞燃期，但是进气温度的增加缸内氧分子质量分数降低，恶化缸内燃烧，使得燃料放热率降低。

图4为不同进气参数下柴油机CA50与滞燃期的变化。可知，随着进气压力的升高，CA50与滞燃期均逐渐提前。与进气压力1.91 bar相比，进气压力在2.31 bar时，CA50提前0.58 °CA，滞燃期提前0.71 °CA。提高进气压力后，在相同时间内进入燃烧室空气总量增大，能够更早地达到柴油的着火点，缩短滞燃期。进气压力提高后燃烧室内氧分子数量增大，同时进气压力增大，会增加缸内气体湍流扰动，提高混合气质量，优化缸内燃烧。由图3可知，在相同时刻累计的放热量小幅度增加，延迟燃烧占比减小燃烧反应提前结束，因此CA50提前。提高进气温度后，CA50逐渐推迟，滞燃期提前。较原机进气温度380 K相比，进气温度在420 K时，CA50推迟0.50 °CA，滞燃期提前0.48 °CA。主要由于提高进气温度后，缸内提前达到柴油的着火点，缩短燃烧的滞燃期。而进气温度升高后空气受热胀冷缩影响，进入燃烧室体积增大，同等时间内进入缸内的空气质量降低，缸内氧含量随之减少，缸内燃烧速率下降，并且燃烧效率下降，因此CA50推迟。

图5为不同进气参数下柴油机缸内温度的变化。随着进气压力升高，柴油机缸内温度峰值逐渐下降。由图6可知，缸内高温度区域主要集中在燃烧室凹坑底部，高温区域由坑底向四周扩散，弥漫至燃烧室顶隙处，缸内的高温区域逐渐减少。与原机进气压力1.91 bar相比，进气压力在2.31 bar时，缸内温度峰值下降116 K。虽然提高进气压力后，缸内提前达到着火点，缸内燃烧效率升高，但是燃烧释放的总热量增加幅度微小，而缸内空气的总量增加，因此缸内温度反而下降。随着进气温度升高，柴油机缸内温度峰值逐渐升高，相同曲轴转角时的缸内高温区域增加。较原机进气温度380 K相比，进气温度在420 K时，缸内温度峰值下升高77.5 K。由于随着进气温度不断增加，因此在同一曲轴转角下，缸内温度不断升高。

2.2 排放性能

图7和图8分别为不同进气参数下柴油机CO和CO₂排放的影响。可知，改变进气参数后对柴油机CO和CO₂排放的影响很小。CO的产生是燃料不完全燃烧的中间产物，提高进气压力后提高参与缸内燃烧的氧气浓度，提高了缸内的燃烧效率。所以柴油机CO的生成曲线峰值随着进气压力升高而降低，CO排放也逐渐下降。与原机进气压力1.91 bar相比，进气压力在2.31 bar时，CO最终排放量下降66.3%。而随着进气温度的升高，柴油机CO最大生成量和最终排放量逐渐增加。主要由于低温和缺氧的环境会促进CO的生成和排放增加，提高进气温度后导致进入缸内氧气浓度下降，从而抑制中间产物CO继续氧化成CO₂，因此造成CO排放增加。较原机进气温度380 K相比，进气温度在420 K时，CO排放升高2.3倍。由于本文研究的是不同进气参数下甲醇发动机燃烧过程，因此参与缸内燃烧过程的燃料碳含量并未发生改变，所以提高进气温度和提高进气压力后柴油机CO₂排放的变化几乎可以省略。但是提高进气温度后，降低了缸内氧气浓度，一定程度上减缓了缸内燃烧的速度，因此CO₂的生成速率下降了。提高进气压力后，会增加进入缸内的新鲜空气，因此加快了缸内燃烧和CO氧化，CO₂的生成速率加快。

图9和图10分别为不同进气参数下柴油机soot和NOx排放的影响。可知，随着进气压力升高，柴油机soot排放生成峰值增加，最终排放量增加，NOx排放略微下降。由图11可知，在相同曲轴转角时，提高进气压力，缸内高NOx浓度区域减少。与进气压力1.91 bar相比，进气压力在2.31 bar时，soot排放升高20.8%，NOx排放下降2.8%。由于增加进气压力后缸内新鲜空气总量增加使得氧气浓度升高促进了柴油机缸内的燃烧，但是进气压力升高后缸内温度下降不利于NOx排放的生成和soot的氧化，因此柴油机NOx和soot排放升高。提高进气温度后，柴油机soot和NOx排放升高。在相同曲轴转角时，提高进气压力，缸内高NOx浓度区域大幅增加。较进气温度380 K相比，进气温度在420 K时，soot排放升高15.7%，NOx排放升高19.4%。由于提高进气温度后，空气受到热胀冷缩的影响，进入到缸内新鲜空气的总量下降，参与缸内燃烧的氧气减少，所以导致柴油机soot最终排放量升高。虽然缸内参与燃烧的氧气含量减少了，但是提高进气温度后，缸内燃烧的滞燃期缩短，缸内温度峰值升高，高温持续时间延长，所以柴油机NOx排放升高。

3 结　语

本文通过模拟研究了改变进气温度以及进气压力对柴油引燃的甲醇发动机燃烧特性和排放特性的影响。具体结论如下：

1）提高进气压力后，进入到缸内的新鲜空气总量增加，参与缸内燃烧的氧含量增加，提高燃油与空气的混合，从而优化缸内燃烧，提高了柴油机的动力性，柴油机整体的排放性能较好。

2）提高进气温度后，进气质量下降，燃油和空气的混合气质量下降，缸内燃烧效果下降，并且造成缸内温度升高，导致发动机的排放性能下降，柴油机CO、soot与NOx的生成量呈现增加趋势。

3）综合考虑到进气压力和进气温度这2个参数的调整对于柴油机工作性能的影响。通过提高进气压力改善了柴油机的动力性能，而且排放性能较好。也可以通过降低进气温度实现动力性提高以及排放的降低。2种进气参数的组合可以给柴油机带来更高的动力性和更好的排放性能。