含水乙醇-生物柴油對186F柴油機燃燒與排放的影響研究

朱佳隆，劉理凡，李瑞娜，劉帥，王忠

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

生物柴油以及醇類燃料是柴油機的清潔替代燃料，生物柴油來源廣泛，燃料理化特性與柴油相近[1]。生物柴油與醇類燃料的互溶性較好，在生物柴油中添加醇類燃料，可以增加燃料中的氧含量，進一步降低柴油機的顆粒物排放[2]。

乙醇的化學分子式中含有官能團羥基(—OH)，羥基是極性基團，與水相似相容并可形成氫鍵，大大提高了乙醇與水的溶解度[3]，使乙醇在運輸與儲存過程中易吸收空氣中的水分。生物柴油在制備過程中經歷酯化反應，酯化脫水過程中可能殘存部分未反應的水[4]。水的存在影響了乙醇-生物柴油混合燃料的理化性質，對乙醇-生物柴油混合燃料的燃燒與排放也產生了一定的影響。

圍繞柴油機燃燒不同組分乙醇-生物柴油混合燃料的燃燒過程與排放污染物的變化規律，國內外學者進行了大量的研究工作。D. H. Qi等[5]開展了不同負荷下生物柴油-乙醇-水乳化油的研究，研究結果表明：與燃用生物柴油相比，柴油機中高負荷下的最高燃燒壓力幾乎相同，壓力升高率和瞬時放熱率峰值升高，比能耗有所降低；在高負荷下soot排放明顯降低；在全負荷范圍內，NOx排放降低，CO和HC排放明顯增加。王兆文等[6]研究了乙醇和水對柴油噴霧燃燒特性的影響，研究結果表明：柴油摻水可降低燃燒溫度和soot生成。胡斌等[7]開展了燃用含水乙醇-柴油的研究，研究結果表明：乙醇含水量較小時，隨著含水量的增加，缸內壓力和放熱率峰值增加， NOx和總碳氫化合物(THC)排放同時降低。燃燒乙醇-生物柴油可以有效降低柴油機的soot和NOx排放，對動力性和經濟性也有一定的影響，但乙醇含水量的增加對柴油機燃燒和排放的影響還有待進一步探究。

本研究以AVL-Fire軟件為基礎，建立了186F柴油機的燃燒及排放模型，通過采集柴油機的示功圖和排放，對仿真結果進行了驗證。考察了含水率對乙醇-生物柴油燃燒性能和排放的影響，在此基礎上，提出乙醇含水率的閾值概念并進行了分析。

1 含水率與混合燃料理化特性分析

醇類燃料十六烷值低，若摻混比過高，其對柴油機的著火與燃燒過程影響較大，導致柴油機工作不穩定。根據文獻[8-9]，柴油機燃用醇類-柴油混合燃料時，醇類燃料的摻混比一般不超過30%；燃用柴油-生物柴油-乙醇混合燃料時，乙醇摻混比為10%～40%時可形成微爆效應[10]，促進燃燒。綜合考慮，選定乙醇的摻混比(δE)為20%。

考慮混合燃料實際生產和使用過程中可能存在的問題，設定乙醇含水率為0%，1%，3%，5%，7%；為進一步探討混合燃料含水后對燃燒和排放的影響，研究乙醇生物柴油極限含水率(>10%)對柴油機燃燒和排放的影響，設定混合燃料中乙醇含水率分別為0%，1%，3%，5%，7%，10%，15%和20%，分別用W0，W1，W3，W5，W7，W10，W15和W20表示。

采用指示比能耗(EBSEC)來衡量乙醇含水率對柴油機經濟性的影響，EBSEC計算公式[11]為

EBSEC=biHu·10-3。

式中：bi為指示燃油消耗率；Hu為混合燃料的低熱值。

含水乙醇-生物柴油混合燃料的十六烷值、低熱值、密度、運動黏度和表面張力可分別依據經驗公式和試驗得到(見表1)。由于混合燃料中含水，十六烷值和低熱值分別從42.7和36.16 MJ/kg下降到40.6和34.41 MJ/kg，降幅約為5%和4.8%；混合燃料的運動黏度從3.42 mm2/s下降到2.97 mm2/s，降低約13.1%。

2 模型建立與參數確定

2.1 模型建立

運用AVL-Fire軟件建立186F柴油機的有限元模型，確定相關參數并進行模型驗證。試驗用柴油機為186F，柴油機氣缸直徑86 mm，四沖程，壓縮比19，標定轉速為3 000 r/min，標定功率5.7 kW，噴油器噴孔數為4個，噴孔直徑為0.24 mm，燃燒室形狀為ω形，噴油提前角為-12°，循環噴油量24 mg。噴油器周向均布4個噴油孔，燃燒室中心對稱，取1個噴油孔結合1/4燃燒室進行簡化，在ESE-Diesel模塊中設定網格尺寸，在邊界處進行加密。計算網格見圖1。依據文獻[12]和文獻[13]中有關仿真網格與氣缸壓力計算關聯性的研究，當生成的網格模型包含網格數量達到20 000時，對計算結果影響較小。本研究中建立的燃燒室仿真模型的網格數為22 225個，網格節點為25 012個。

圖1 計算網格

表2列出建立的數學模型。含水乙醇-生物柴油混合燃料為多組分燃料，采用Multi-component模型仿真多組分燃料的液-氣相變化過程。柴油機缸內燃燒過程可分為預混燃燒和擴散燃燒兩個階段，擴展的擬序火焰模型(Extend-Coherent-Flame Model)將缸內工質的分布劃分為3個前后有聯系的區域，即空氣區、燃油區和混合區，能夠準確地對柴油機的燃燒過程進行描述[14]。

表2 數學模型

假定缸內壓力與溫度分布均勻，初始氣缸壓力和溫度由實測值確定。活塞頂面溫度為575 K，氣缸蓋底部溫度為550 K，氣缸壁面溫度為475 K。活塞頂面移動速度等同于活塞的運動速度，其他壁面均為靜止壁面[15]。

計算區間為進氣門關閉時刻至排氣門打開時刻，定義壓縮上止點所對應的曲軸轉角為0°，計算區間為-135.5°～124.5°，計算基礎步長為1°,噴油開始到燃燒過程結束的計算步長為0.2°。

NOx生成物中超過90%為NO，在計算中主要考慮熱力型NO的生成[16]；soot排放需考慮燃燒過程中O2，OH基對其的氧化結果[17]。

2.2 模型驗證

通過建立的模型對柴油機燃燒過程特征參數進行仿真，通過測量得到乙醇-生物柴油混合燃料的示功圖、NOx和soot排放數據，與仿真結果進行對比以驗證模型的準確性。

仿真和試驗的工況確定為標定工況：轉速為3 000 r/min，功率為5.7 kW，乙醇-生物柴油混合燃料中乙醇的比例為20%。氣缸壓力實際測量值與仿真結果見圖2。從圖2可以看出，仿真結果與試驗結果比較吻合。從表3可以看出， NOx和soot排放的測量值與仿真結果的最大誤差小于5%。試驗結果說明建立的模型具有一定的準確性。

圖2 氣缸壓力試驗值與仿真結果的對比

表3 排放試驗數據與仿真數據對比

在此基礎上，將混合燃料中乙醇含水率分別為0%，1%，3%，5%，7%，10%，15%和20%的8種理化特性參數用于模型的仿真。

3 結果分析

為探討乙醇含水率對柴油機燃燒和排放的影響，選定柴油機轉速為3 000 r/min，功率為5.7 kW的工況，對8種乙醇-生物柴油混合燃料燃燒過程和排放進行仿真。為便于分析，定義滯燃期為噴油時刻到累計放熱量達10%所經歷的曲軸轉角[18]，用θCA10表示；燃燒中心為累計放熱量為50%所對應的曲軸轉角，用θCA50表示；燃燒持續期為累計放熱量10%～90%所經歷的曲軸轉角，用θCA90表示。對柴油機的氣缸壓力、缸內溫度、放熱規律、指示比能耗、NOx和soot排放進行了分析。

3.1 燃燒過程特征參數分析

圖3示出乙醇含水率對氣缸壓力、溫度和放熱率的影響。從圖3可以看出，與無水乙醇相比，隨著乙醇含水率的增加，缸內最大燃燒壓力和平均溫度分別由7.78 MPa和1 551.1 K降低為7.18 MPa和1 477.0 K，最大降低7.7%和4.7%。

圖3 乙醇含水率對缸內壓力、溫度和放熱率的影響

滯燃期、燃燒中心和燃燒持續期的仿真結果見表4。從表4可以看出，隨著乙醇-生物柴油混合燃料中含水率的增加，滯燃期從13.7°增加到15.5°，增加13.1%；燃燒中心從7.0°后延到8.7°，延遲24.2%。

可以認為，隨著乙醇含水率的增加，水的存在逐漸降低混合燃料的黏度，水汽化和過熱促進霧束分裂和液滴破碎，強化了燃油與空氣混合的能力，對燃燒產生一定的影響；混合燃料蒸發潛熱及比熱容增大，熱值有所降低，導致燃燒速度有所減緩，放熱峰略有延后，滯燃期略有延長，燃燒中心逐漸后延，缸內溫度降低，最高燃燒壓力有所降低。

當乙醇含水率較小時(<5%)，可近似認為缸內大部分混合燃料液滴的物理模型為水-油(W/O)型結構[19]。隨缸內溫度和壓力逐漸增大，較小的混合燃料液滴中開始出現氣泡并快速向外油膜發展，經過短暫的延遲，水處于過熱狀態，混合燃料液滴破碎并細化為體積更小的二次液滴，燃油與空氣快速混合均勻，燃燒速度有所加快。在一定程度上可近似認為混合燃料抵消了含水降低熱值的影響，使得混合燃料的滯燃期略有縮短，燃燒中心略有提前。

表4 滯燃期、燃燒中心和燃燒持續期

3.2 指示比能耗

圖4示出燃燒不同含水率乙醇-生物柴油時的柴油機指示比能耗柱狀圖。從圖4可以看出，隨乙醇含水率增加，柴油機指示比能耗從7.47 MJ/(kW·h)增加到8.30 MJ/(kW·h)，增加11.1%。

圖4 乙醇含水率對柴油機指示比能耗的影響

可以認為，當混合燃料燃燒時，乙醇含水導致混合燃料整體黏度有所下降，霧化性能和燃空當量比得到一定改善，使柴油機指示比能耗在乙醇含水率較低時影響不大；當水進入氣缸蒸發吸熱，在一定程度上降低了缸內溫度，滯燃期有所延長，預混量增加，等容度增加，放熱峰值相位延后，水在混合燃料燃燒過程中進一步降低了缸內的溫度，燃燒速度有所降低，燃燒持續期略有增加，使柴油機指示比能耗在乙醇含水率較高時逐漸增加。

3.3 NOx與soot排放

圖5示出燃燒不同含水率乙醇-生物柴油時的NOx排放物和O自由基濃度的變化。從圖5可以看出，隨乙醇含水率增加，NOx排放和O自由基濃度呈現下降趨勢，NOx排放最大降低幅度為38.1%。W1混合燃料NOx排放和O自由基濃度均高于W0。

NOx的生成條件為高溫、富氧以及足夠的反應時間[20]。W1混合燃料的瞬時放熱率、累積放熱、O自由基濃度以及燃燒持續期均高于W0混合燃料，

圖5 乙醇含水率對NOx排放和O自由基的影響

圖6示出燃燒不同含水率乙醇-生物柴油時的soot排放曲線和OH自由基變化。從圖6可以看出，隨乙醇含水率增加，soot排放和OH自由基濃度呈減少趨勢，soot排放最大降低幅度約為60.6%。

圖6 乙醇含水率對soot排放和OH自由基的影響

隨著乙醇含水率的增加，混合燃料中的水汽化和微爆效應降低了燃空當量比，同時在高溫貧氧區域存在水煤氣反應，水在高溫下分解產生OH自由基，促進soot氧化和消亡，soot由于OH自由基的逐漸消失趨于穩定；微粒的熱運動變緩，降低了微粒間碰撞與凝并的機會，抑制了soot的生長。

3.4 含水率閾值

3.4.1乙醇含水率對柴油機性能的影響

圖7示出不同含水率乙醇-生物柴油的三種性能參數的變化。如圖7所示，隨著乙醇含水率的增加，平均指示壓力逐漸減小，指示比能耗增加，NOx和soot排放量減少。意味著動力性和經濟性逐漸變差，排放性能逐漸變好。

圖7 乙醇含水率對柴油機性能的影響

當乙醇含水率從0%增加到20%時，平均指示壓力從0.47 MPa下降到0.43 MPa，動力性下降9.3%；指示比能耗從7.47 MJ/(kW·h)上升到8.30 MJ/(kW·h)，經濟性下降10.9%；NOx排放從37.5×10-6下降到23.2×10-6，soot排放質量分數從351×10-6下降到138×10-6，排放降幅分別為38.1%和60.6%。

3.4.2含水率閾值確定

乙醇含水率對柴油機動力性、經濟性和排放有不同程度的影響。以無水乙醇-生物柴油混合燃料作為對比分析的參考燃料，提出乙醇混合燃料含水率閾值的概念。燃用不同含水率的混合燃料時，當平均指示壓力高于參考燃料對應值的95%，指示比能耗低于參考燃料對應值的105%，NOx和soot排放量分別高于參考燃料對應值的95%和85%時，定義為混合燃料乙醇含水率閾值。以平均指示壓力和指示比能耗的變化百分比分別作為橫縱軸，以NOx和soot質量分數的變化百分比分別作為橫縱軸，繪制含水率閾值圖來評估柴油機含水允許范圍(見圖8)。

圖8中，以-5%和+5%分別作為平均指示壓力和指示比能耗變化的下限和上限，得W1，W3，W5和W10可作為動力經濟性的含水率閾值；以-5%和-15%分別作為NOx和soot質量分數變化百分比的上限，得W3，W5，W7，W10，W15和W20可作為排放降低性能的含水率閾值。可以看出，乙醇含水率閾值為3%、5%或10%時，對柴油機性能影響不大，考慮到乙醇的替代率，建議乙醇含水率的閾值為10%。

圖8 含水率閾值圖

4 結論

a) 當乙醇含水率由0%增加到20%，最大燃燒壓力、缸內平均溫度均有所降低，平均指示壓力降低，柴油機指示比能耗有所增加；

b) 生物柴油摻混含水乙醇能同時降低柴油機的NOx和soot排放，隨著乙醇含水率的增加，NOx和soot排放均呈現減少的趨勢，與無水乙醇相比，NOx和soot排放最大分別降低38.1%，60.6%；

c) 提出兼顧發動機動力性、經濟性和排放性的含水乙醇-生物柴油混合燃料含水率閾值概念，并確定為10%。