柴油機燃用生物柴油低溫燃燒性能的仿真研究

陳彥君，周斌，何俊杰，王連富

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

近年來，世界石化燃料儲量日益枯竭，人類對有害污染物的排放管制越來越嚴格，發動機可再生替代燃料和低排放燃燒策略因而引發廣泛關注。從植物油、廢動物脂肪和廢餐館油脂(黃油脂)中提煉的烷基單酯通常被稱為生物柴油，生物柴油由于其可再生性、極低的硫和芳烴含量、較高的十六烷值、較高的生物降解性和分子中富氧的優點，已成為更清潔的替代燃料，可用來填補石化柴油燃料的需求缺口[1-9]。生物柴油具有與石化柴油大致相似的特性，即使沒對發動機進行任何改造，也可直接用于柴油發動機。與傳統的柴油燃料相比，生物柴油富氧可使燃燒更完全，從而有效地減少發動機的顆粒物(PM)、一氧化碳(CO)和未燃物(THC)排放。但是在柴油機上使用生物柴油會使NOx排放升高[7-9]。

低溫燃燒模式可同時降低NOx和炭煙排放[10-11]，通常是由大EGR(Exhaust Gas Recirculation，廢氣再循環)率來實現，這種方式用在生物柴油發動機上也有類似效果[12]。據前人的研究結果可知，該機型在EGR閥全開時的EGR率不足以使發動機從傳統燃燒模式向低溫燃燒模式轉變[13-14]，因此還需要采取其他技術手段。邱偉[14]以4JB1柴油機為對象，進行了EGR結合推遲供油的手段實現柴油機低溫燃燒的試驗研究，其研究結果為本研究提供了柴油實現低溫燃燒的性能變化的試驗依據。相關研究表明[14-16]，推遲噴油可以降低NOx排放，但必然會對其他性能產生影響。因此本研究針對EGR率和噴油正時對柴油機燃用生物柴油的燃燒過程、經濟性、動力性和排放特性的影響進行了研究，為在柴油機上使用生物柴油替代燃料實現低溫燃燒提供依據，有利于生物柴油的普及和推廣。

1 柴油機仿真模型的建立

本研究使用的發動機原型為4JB1渦輪增壓柴油機，其主要性能參數見表1。根據該柴油機建立的GT-Power整機仿真模型見圖1。

表1 柴油機主要性能指標

圖1 4JB1柴油機整機模型

圖2和圖3分別示出仿真模型的外特性扭矩、油耗和標定工況示功圖的試驗驗證結果。由圖2和圖3可以計算出扭矩和燃油消耗率的最大誤差分別為3.69%和3.56%，缸壓的最大誤差為4.75%，證明模型正確，可以用于后續分析計算。

圖2 扭矩和油耗對比結果

圖3 示功圖對比結果

本研究使的用生物柴油替代燃料是由地溝油提煉而來，該生物柴油和0號柴油的理化特性見表2。

表2 生物柴油和0號柴油的理化特性

根據表2，在生物柴油模型中輸入相關的氣態和物態參數，完成生物柴油燃油庫模型的建立。其中汽化潛熱影響到燃油的蒸發和霧化，運動黏度影響到燃油的噴霧特性，十六烷值影響并決定著滯燃期的長短，生物柴油與柴油的物性區別通過在燃油模型中設置這些參數得到了體現。

在建立了生物柴油燃料模型后，對比了柴油機燃用生物柴油在2 200 r/min滿負荷時扭矩和燃油消耗率的實測值和仿真值(見表3)。由表3可見，計算誤差在允許范圍內，證明生物柴油模型正確，可以用于后續分析計算。

表3 生物柴油模型驗證

2 計算結果及分析

本研究分析了不同EGR率和噴油正時對柴油機燃用生物柴油低溫燃燒的燃燒過程、經濟性、動力性和排放特性的影響。選定的原機工況為柴油機最大扭矩轉速2 200 r/min，噴油量為33.375 mg，約為原機75%負荷，噴油正時為-2.9°(上止點前2.9°)。研究選取的EGR率是由不同EGR閥開度(40%，60%，80%，100%)下得到的EGR率，分別為3.47%，6.97%，10.80%，14.69%；選取的噴油正時分別為-12°，-9°，-6°，-2.9°，0°，3°，6°(負值代表上止點前噴油，正值代表上止點后噴油，0°即為上止點噴油)。

2.1 EGR率和噴油正時對燃燒過程的影響

圖4和圖5分別示出上止點前2.9°噴油時不同EGR率下生物柴油燃燒的缸內壓力和平均燃燒溫度曲線。從圖中可以看出，隨著EGR率的增大，最高燃燒壓力下降，缸內最高平均溫度逐漸升高，最高燃燒溫度相位向后推遲。出現這種現象的原因在于，隨著EGR率的增大，滯燃期延長，燃燒始點向后推遲，燃燒主要過程在膨脹沖程中完成，此時活塞下行，導致壓力下降，而充量密度減小使缸內單位充量吸收的熱量增加，導致缸內最高平均溫度升高[14]。

圖4 不同EGR率下的缸內壓力

圖5 不同EGR率下的缸內平均燃燒溫度

圖6和圖7分別示出無EGR和EGR率14.69%條件下，缸內壓力和平均燃燒溫度隨噴油正時變化的曲線。從圖中可以看出，無EGR時，隨著噴油正時的推遲，最高燃燒壓力降低，最高平均燃燒溫度降低，對應的峰值相位也后移。這是由于隨著噴油推遲，燃燒的主要過程發生在活塞下行階段，燃油噴入氣缸內的壓力與溫度較高，滯燃期變短，預混燃燒量減少，使得缸內最高燃燒壓力和缸內平均燃燒溫度下降。同一噴油正時下，最高燃燒壓力在EGR閥全開時有顯著的下降，缸內平均燃燒溫度相位向后推遲。

圖6 不同噴油正時下的缸內壓力

圖7 不同噴油正時下的缸內平均燃燒溫度

2.2 EGR率和噴油正時對油耗和熱效率的影響

圖8示出EGR率、噴油正時對有效燃油消耗率和指示熱效率的影響規律。由圖8可見，隨著EGR率增大，有效燃油消耗率上升，熱效率下降。這是因為EGR率的增大雖然使滯燃期延長，但是可燃混合氣中氧濃度不足占主導因素，使燃燒質量變差，進而使油耗和熱效率惡化。

圖8 不同EGR率和噴油正時下的油耗和熱效率

隨著噴油正時的推遲，油耗和熱效率基本呈現相悖的變化規律，油耗先降低后增加，熱效率先增加后降低。這是由于提前噴油會使得燃燒過程靠近上止點，做功能力得到提高，燃燒等容度加大，使熱效率提高，油耗降低。在上止點前9°～6°區間內噴油，燃燒過程最接近上止點，因此油耗和熱效率最優。

2.3 EGR率和噴油正時對排放的影響

圖9示出不同EGR率下，柴油的NOx比排放隨噴油正時的變化關系。從NOx排放曲線可以看出：在同一噴油正時下，隨著EGR率的增加，NOx排放降低，這與前人的研究結果[13]一致；保持EGR率不變，隨著噴油正時的提前，NOx排放增加。這是因為提前噴油使滯燃期延長，滯燃期內形成的可燃預混合氣增加，預混燃燒比例增加，缸內最高平均燃燒溫度上升，此時高溫是導致NOx排放增加的原因，尤其在低EGR率工況下表現更為明顯。

圖9 不同EGR率和噴油正時下的NOx排放

雖然提前噴油會導致NOx排放上升，但是將其與EGR結合，在大EGR率情況下，可以實現NOx排放低于原機。由此可見，生物柴油富氧效果導致的NOx排放升高現象在EGR和噴油正時的作用下得到了很大的改善。EGR率為14.69%時可實現NOx排放低于原機而不受噴油正時影響；在噴油正時推遲到上止點后4°以后可實現NOx排放低于原機而不受EGR率影響；在噴油正時為上止點前10°～4°區間內，需要結合EGR進行優化。

圖10 示出不同EGR率和噴油正時下的炭煙比排放變化規律。從圖10可以看出：隨著噴油正時的推遲，炭煙排放先升高后降低；隨著EGR率的增大，炭煙排放升高。這是由于炭煙排放主要受兩個因素的影響, 即滯燃期和氧濃度[17]。EGR率的增加降低了缸內氧濃度，導致炭煙排放增加。在噴油過早時，雖然引入EGR降低了缸內氧含量，但是噴油時刻的壓力和溫度較低，使滯燃期延長，混合氣混合更均勻，增加了預混燃燒的比例，炭煙排放較低。在噴油過晚時，雖然初始的壓力和溫度高，但著火前活塞下行，溫度和壓力迅速降低，導致滯燃期延長，炭煙排放也呈現降低趨勢。

圖10 不同EGR率和噴油正時下的炭煙排放

結合圖9與圖10對比得出，在同一噴油正時下，隨著EGR率的增大，炭煙排放和NOx排放呈現相悖變化趨勢，這表明發動機仍處于傳統燃燒模式中。在噴油正時推遲到-6°以后，炭煙排放和NOx排放都隨著噴油推遲出現降低的趨勢，這表明發動機由傳統模式向低溫燃燒模式轉變。但是EGR的加入導致炭煙排放升高，雖然推遲了噴油正時，然而只有在少數工況(EGR率3.47%時、上止點后3°后噴油)實現炭煙排放低于原機。

圖11示出了不同EGR率和噴油正時下CO比排放的變化規律。由圖11可見，隨著噴油正時的提前，CO排放降低。在噴油正時提前到上止點之前，缸內平均燃燒溫度較高，此時有利于CO的氧化過程，從而使CO排放降低；在噴油正時推遲到上止點后時，燃燒溫度低甚至變得不穩定，熱效率降低，CO排放量急劇上升。同一噴油正時下，隨著EGR率的增大，CO排放增加。這是因為隨著EGR率的增加，混合氣中的氧濃度降低，再加上缸內燃燒溫度降低，不利于CO的氧化過程，導致CO排放增加。

圖11 不同EGR率和噴油正時下的CO排放

在傳統燃燒模式下，生物柴油富氧可以很好地氧化CO，使CO排放保持在較低水平；但是在向低溫燃燒模式轉變的情況下，生物柴油的氧含量不足以彌補進氣氧濃度的降低，進而導致CO排放隨EGR率的增大出現上升的現象。然而將EGR和噴油正時耦合，在EGR率低于3.47%，噴油正時提前到上止點前6°之前，可以實現CO排放低于原機。

圖12 示出不同EGR率和噴油正時下的THC比排放變化規律。由圖可知，隨著EGR率的增加，THC排放升高；隨著噴油正時的提前，THC排放降低。滯燃期和最高平均燃燒溫度是影響低溫燃燒模式THC 排放的最主要因素[13]。EGR率的增大使滯燃期延長，這是導致THC排放升高的主要原因。在上止點后噴油，隨著噴油正時的推遲，雖然初始的壓力和溫度高，但著火前活塞下行，溫度和壓力迅速降低，導致滯燃期延長，所以THC排放升高；在上止點前噴油，隨著噴油正時的提前，缸內最高平均燃燒溫度升高，溫度占主導因素，因此THC排放降低。由此可見，EGR會加劇THC排放的惡化，但可以將其耦合噴油正時，實現與原機相當甚至低于原機的THC排放水平。在EGR率為3.47%，噴油正時提前到上止點前6°之前，THC排放低于原機。

圖12 不同EGR率和噴油正時下的THC排放

3 結論

a) 在相同噴油正時下，隨著EGR率的增大，最高燃燒壓力下降，缸內最高平均溫度逐漸升高，燃燒相位后移；有效燃油消耗率增加，熱效率降低；NOx排放大幅度降低，炭煙排放、CO排放和THC排放都增加；

b) 在相同的EGR率下，隨著噴油正時推遲，最高燃燒壓力和缸內平均燃燒溫度降低，燃燒相位后移；有效燃油消耗率先減小后增加，熱效率先升高后下降；NOx排放降低，炭煙排放先升高后降低，CO排放和THC排放都升高；

c) EGR的引入和推遲噴油正時都可大幅度降低NOx排放，但是炭煙排放、CO排放、THC排放和燃油油耗率也隨之升高；在追求低NOx排放和炭煙排放的情況下，應該盡可能晚地推遲噴油，但是EGR率不宜過高，在噴油正時為上止點后6°、EGR率為3.47%時可實現NOx排放和炭煙排放低于原機，但此時油耗和熱效率惡化，且CO和THC排放升高，因此需要耦合其他參數來優化，改善NOx排放和油耗、熱效率之間的trade-off關系。