正丁醇/柴油發動機燃燒排放特性及噴油、燃燒室形狀影響

張際洲，顏伏伍，陳子逸，王 宇

(1.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070;2.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協同創新中心,武漢 430070)

0 概述

與汽油機相比，柴油機因其高輸出功率、高熱效率、高耐用性和低油耗等特點被廣泛應用于農業、工業和交通運輸等領域，但柴油機也存在碳煙(soot)、氮氧化物(nitrogen oxides，NOx)排放較高的缺點。醇類燃料作為含氧化合物是減少污染物排放的良好替代燃料或燃料添加劑，而柴油機噴油策略和燃燒室形狀直接影響缸內油氣混合、燃燒、排放的過程，因此研究醇類摻混比例、摻混時噴油策略、燃燒室形狀對柴油機燃燒和排放的綜合影響是有效優化缸內燃燒過程及降低污染物排放的途徑之一。

目前，已有學者研究了正丁醇摻混對柴油機燃燒排放的影響。文獻[1]中通過對比研究純柴油、摻混40%(體積比)正丁醇、摻混40%(體積比)2,5-二甲基呋喃3種燃料燃燒排放特性發現：摻混40%正丁醇時，滯燃期、燃燒速率、最大壓力升高率相比純柴油均增加，碳煙排放量減少；文獻[2]中通過丁醇柴油混合燃料臺架試驗發現，摻混丁醇后缸內最高壓力變化不大，燃燒起始點略有推遲，燃燒速率加快，燃燒持續期稍縮短，煙度明顯降低，部分工況NOx排放有小幅度增加。同時也有學者研究了噴油策略、燃燒室形狀對純柴油發動機的影響，如：文獻[3]中研究了預噴及多次噴油對重型直噴柴油機排放的影響，發現預噴可以增加碳煙氧化時間，降低NOx及碳煙排放，但CO排放會增加；文獻[4]研究了燃燒室凹坑形狀對中型直噴柴油機性能、燃燒、排放的影響，對比了4種燃燒室形狀的仿真結果發現，增加渦流的燃燒室幾何形狀可以改善油氣混合及燃燒情況，進而降低NOx及碳煙排放。

在前人研究基礎之上，本文中使用數值模擬的方法研究了正丁醇摻混比例對柴油機燃燒排放的影響；為進一步優化燃燒及降低排放，對正丁醇摻混時噴油策略、燃燒室幾何形狀的綜合影響也進行了研究。本文中不僅分析了正丁醇摻混、噴油策略、燃燒室形狀3個因素對柴油機的單獨影響，而且分析了三者相互結合時的綜合效應，為提高柴油機燃燒效率和降低污染物排放提供了一定的理論基礎。

1 數值模擬基礎

本文針對某型號直噴柴油機進行研究，柴油機基本參數如表1所示，其三維幾何模型如圖1所示。使用三維計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件CONVERGE進行模擬仿真，仿真過程中使用了多種物理、化學和燃燒模型。噴霧模型中使用離散液滴模型模擬燃料注入的過程，使用混合KH-RT模型模擬噴霧霧化和破碎過程[5-6]，使用離散多組分汽化模型模擬汽化過程[7]。湍流模型使用RNGk-ε模型[8]。燃燒模型使用CONVERGE自帶的SAGE模型模擬燃燒過程，該模型包含質量守恒、能量守恒控制方程，可以針對給定的計算單元在每個時間步長內進行求解。在文獻[9]中開發的正丁醇-柴油反應機理基礎上進行數值分析計算，該機理包含76種物質和349個反應。污染物生成過程使用Extended Zeldovich NOx模型及Hiroyasu碳煙模型進行模擬計算[10-11]。

表1 柴油機基本參數表

模擬從進氣門開啟時刻(上止點前385°)開始，至排氣門開啟時刻(上止點后120°)結束。使用基礎尺寸為4 mm的笛卡爾結構網格，并且使用了自適應網格(adaptive mesh refinement，AMR)功能，該功能可以根據溫度、速度、物質濃度等關鍵因素自適應調節網格的大小。同時對活塞、噴油嘴等關鍵部件設置了網格加密，最高加密級數為3級。表面網格及加密情況如圖1(d)所示。

圖1 柴油機三維幾何模型、表面網格及加密

2 模擬方案設置

本文研究的正丁醇摻混質量占比為0、15%、30%,代號分別為Bu00、Bu15、Bu30。噴油策略如表2所示，噴油總量、噴油總持續期、噴油起始時間均保持不變，策略A為單次噴射，策略B增加預噴，噴油策略C增加預噴(壓縮上止點前)及后噴(壓縮上止點后)。本文中用曲軸轉角正值表示壓縮上止點后，負值表示壓縮上止點前。活塞頂面凹坑具體形狀參數及對比如表3及圖2所示，活塞頂面凹坑容積及壓縮比保持不變。表3中，R1～R5為圖2所示結構的圓弧半徑，L0～L2為圖2所示結構的長度。

圖2 活塞頂面凹坑幾何結構

表2 噴油策略

表3 活塞頂面凹坑幾何參數

3 仿真計算結果分析

3.1 仿真模型驗證

為了驗證仿真模型的準確性，首先對純柴油(Bu00)、兩次噴油(噴油策略B)下的轉矩和功率進行試驗與仿真，結果如表4所示。對比可知，該工況下試驗與仿真的功率、轉矩相差較小，誤差均在3%以內，可認定本次仿真計算所選取的數學模型及邊界條件是準確的，仿真模型是可靠的。

表4 試驗與仿真結果對比

3.2 不同正丁醇摻混比例對燃燒排放的影響

柴油和正丁醇主要性質對比如表5所示。由表5可知，柴油中摻混正丁醇后混合燃料的物理性質有一定變化，其中密度、十六烷值、熱值、理論空燃比均降低，而汽化潛熱和氧含量增加。這些性質的改變影響了缸內噴霧燃燒過程，從而對柴油機燃燒排放特性產生影響。

表5 柴油及正丁醇主要性質對比

在噴油策略A、燃燒室幾何形狀活塞B方案下，3種正丁醇摻混比例的燃料(Bu00、Bu15、Bu30)的缸壓曲線如圖3所示，其峰值缸壓分別為8.22、8.50、8.45 MPa。由仿真結果可知Bu00、Bu15、Bu30的燃燒相位(CA10，即燃燒放熱量達到10%時對應的曲軸轉角)分別為-4.79°、-4.60°、-4.59°。由于摻混后的燃料的十六烷值比純柴油低，使得滯燃期較長，進而形成了更好的預混燃燒模式，因此正丁醇摻混后燃燒始點略有推遲，峰值缸壓略有增加[12]。

圖3 采用噴油策略A、活塞B方案下燃用Bu00、Bu15、Bu30時的缸壓曲線

圖4為采用噴油策略A、活塞B方案下不同曲軸轉角時3種正丁醇摻混比例方案缸內溫度空間分布情況。對比發現Bu00、Bu15開始燃燒位置為右側噴霧附近，而Bu30為左右兩側噴霧附近。由于Bu30混合燃料有較高的蒸發熱和較低的十六烷值，使得滯燃期較長，為噴霧霧化滲透提供了更長的時間。此外在相同噴油壓力下，Bu30混合燃料密度較低，因此噴射速度高于Bu00、Bu15。上述兩種因素均使得Bu30混合燃料噴射貫穿距更長，噴霧霧化情況更好，為缸內燃燒提供了更優的初始燃燒條件。

圖4 燃用Bu00、Bu15、Bu30時不同曲軸轉角下缸內溫度空間分布

隨著噴油和燃燒的繼續進行，3種正丁醇摻混比例方案具有相似的燃燒發展過程，但相比Bu00，Bu15和Bu30在同一曲軸轉角時燃燒區域更廣且缸內平均溫度更高，由仿真結果可知Bu00、Bu15、Bu30的燃燒重心(CA50，即50%燃燒放熱量對應的曲軸轉角)分別為10.10°、9.22°、8.81°。由于正丁醇摻混后氧元素含量增加，十六烷值降低，使得燃燒速度隨著正丁醇摻混量的提高而增大，從而影響了燃燒區域及缸內溫度。由以上分析可知正丁醇的摻混促進了整體燃燒過程。

碳煙排放量由碳煙形成(soot formation)和碳煙氧化(soot oxidation)兩個過程綜合決定，溫度、當量比和燃料分子結構會對上述過程產生很大的影響[13]。圖5為燃用Bu00、Bu15、Bu30時不同曲軸轉角下缸內碳煙總質量，對比可知隨著正丁醇摻混量的提高，碳煙開始產生的時間推遲，碳煙凈生成速率逐漸降低，碳煙排放總量也逐漸降低。不同曲軸轉角下碳煙空間分布情況如圖6所示，由圖6可以發現3種正丁醇摻混比例方案在不同曲軸轉角時碳煙分布區域是類似的，而碳煙濃度和碳煙分布范圍由大到小排序為Bu00、Bu15、Bu30。由圖4及前文分析可知，隨著正丁醇摻混比例的提升，在相同曲軸轉角時火焰溫度和缸內高溫區域均逐漸增加，溫度增加會同時提高碳煙形成速率和氧化速率，因此正丁醇摻混后碳煙排放量降低的主要原因在于當量比和燃料分子結構的變化。圖7為3種正丁醇摻混比例方案不同曲軸轉角下的缸內當量比空間分布情況。隨著正丁醇摻混量上升，當量比逐漸減小，當量比空間分布均勻程度逐漸增加，由仿真結果得到燃用Bu00、Bu15、Bu30時的缸內平均當量比分別為1.12、1.07、1.03。另一方面，高負荷時每個循環燃料噴射量較大，噴射時間較長，導致缸內容易形成燃料富集區域，而摻混正丁醇后氧原子可進入燃料富集區域通過形成羥基自由基而消耗碳煙前驅物，進而減少碳煙的形成。混合燃料更低的C/H比也減少了碳煙的形成[14]。此外，正丁醇較高的蒸發潛熱使得混合燃料著火前燃料噴霧附近環境溫度較低，增加了與燃料混合的空氣量。摻混正丁醇后混合燃料黏度更低，揮發性更好，進而產生更好的噴霧霧化效果，同時較長的滯燃期也提供了更長的燃料空氣混合時間。以上因素綜合影響了碳煙的生成和氧化過程，最終減少了碳煙的整體排放量[15]。

圖5 燃用Bu00、Bu15、Bu30時缸內碳煙總質量

圖6 燃用Bu00、Bu15、Bu30時不同曲軸轉角下的缸內碳煙空間分布

圖7 燃用Bu00、Bu15、Bu30時不同曲軸轉角下的缸內當量比空間分布

燃用Bu00、Bu15、Bu30時缸內CO含量如圖8所示，不同曲軸轉角下缸內CO空間分布情況如圖9所示。由圖8可知，在燃燒早期3種燃料的CO排放量十分接近，隨著燃燒持續進行，缸內CO量下降，且由圖9可知燃用3種燃料時缸內CO濃度及分布范圍排序由大到小依次為Bu00、Bu15、Bu30。由于正丁醇中的氧元素使得混合燃料及燃料空氣混合物中氧含量更高，加劇了CO的氧化并促使其燃燒更完全，正如前文所分析，摻混正丁醇后缸內高溫燃燒區域更廣，更高的溫度也促進了CO轉化為CO2的過程，使得CO排放量減少。

圖8 燃用Bu00、Bu15、Bu30時缸內CO總質量

圖9 燃用Bu00、Bu15、Bu30時不同曲軸轉角下缸內CO空間分布

圖10為3種正丁醇摻混方案缸內NOx含量。對比圖中曲線可以發現，NOx排放規律與碳煙和CO均不相同，正丁醇摻混后NOx生成速率及排放量均高于純柴油。圖11為不同曲軸轉角下缸內NOx空間分布情況。結合圖11與圖4可以發現，NOx高濃度區域與缸內高溫區域基本相同，因此可以認為摻混正丁醇后缸內溫度更高、高溫區域范圍更廣、高溫持續時間更長是造成NOx排放量上升的主要原因。

圖10 燃用Bu00、Bu15、Bu30時缸內NOx總質量

圖11 燃用Bu00、Bu15、Bu30時不同曲軸轉角下缸內NOx空間分布

綜上所述，3種正丁醇摻混方案中Bu30燃燒情況最好，碳煙及CO排放量最少，但NOx排放量有所增加。為了進一步改善柴油機燃燒情況并降低污染物排放量，接下來研究了高正丁醇摻混比例(Bu30)時噴油策略、燃燒室幾何形狀對摻混后柴油機燃燒排放的綜合影響。

3.3 高正丁醇摻混比例時噴油策略、燃燒室幾何形狀對摻混后燃燒排放的綜合影響

同一燃燒室幾何形狀不同噴油策略下的缸壓曲線如圖12所示，其中燃燒室形狀相同時噴油策略A、B、C峰值缸壓呈遞增趨勢，峰值缸壓對應曲軸轉角呈遞減趨勢，由此可知多次噴油的策略加快了燃燒速度，提前了燃燒相位，優化了缸內燃燒[16]。

圖12 同一燃燒室形狀不同噴油策略下的缸壓曲線

圖13為同一燃燒室幾何形狀不同噴油策略下缸內碳煙排放情況。由圖13可知，同一燃燒室幾何形狀時噴油策略A、B、C下缸內碳煙排放量依次遞減。采用活塞B時3種噴油策略下缸內碳煙空間分布情況如圖14所示。由圖14可知，同一曲軸轉角時噴油策略A、B、C的缸內碳煙分布區域范圍依次遞增，各個區域碳煙濃度依次遞減，說明多次噴油使得碳煙在更多的區域生成，更容易被氧化。單次噴射時燃燒后期生成的碳煙由于燃燒臨近結束而氧化時間不足及做功階段溫度迅速下降的原因難以被氧化，多次噴油可改善該狀態，增加碳煙的氧化量。采用活塞B時3種噴油策略下缸內溫度分布如圖15所示。由圖15可知，多次噴油使得缸內高溫區域更廣且局部溫度更高，因此后注入的燃油處于前期燃燒形成的高溫區域內，提升了燃油燃燒的效率和速度，減少了碳煙的生成量。采用燃燒室活塞B時3種噴油策略下缸內當量比空間分布情況見圖16，缸內湍動能空間分布情況見圖17。由圖16和圖17可知，多次噴油使得缸內當量比分布更加均勻，高當量比區域更少，明顯增加了缸內湍動能強度，因此缸內油氣混合更加均勻，燃燒更加充分，碳煙生成量更少。綜上所述，多次噴油的策略減少了碳煙生成量并增加了碳煙氧化量，最終降低了碳煙的總排放量[17]。此外，對比圖13(b)與圖13(d)可知摻混正丁醇結合多次噴油策略時，碳煙排放量下降更為明顯。同時，摻混正丁醇能夠有效簡化噴油策略，如Bu00活塞B的3次噴油碳煙排放量與Bu30單次噴油碳煙排放量相近。

圖13 同一燃燒室形狀不同噴油策略下缸內碳煙總質量

圖14 采用活塞B時3種噴油策略下缸內碳煙分布

圖15 采用活塞B時3種噴油策略下缸內溫度分布

圖16 采用活塞B時3種噴油策略下缸內當量比分布

圖17 采用活塞B時3種噴油策略下缸內湍動能分布

圖18為同一噴油策略不同燃燒室幾何形狀下缸內碳煙總質量。由圖18可知同一噴油策略時缸內碳煙總質量由高至低為活塞A、活塞C、活塞B，且活塞B缸內碳煙排放量明顯低于其他方案。各個燃燒室幾何形狀方案缸壓曲線如圖19所示。其中活塞B峰值缸壓最高，其幾何形狀可能有助于缸內燃料、空氣更好地混合，從而提高了缸內峰值壓力。圖20為采用噴油策略B時3種燃燒室形狀下缸內湍動能分布。對比圖20可知，活塞A及活塞C高湍動能區域基本集中于右側，而活塞B高湍動能區域分布較為平均且分布范圍更廣，較高的湍動能強度及更均勻的湍動能分布有效改善了活塞B燃料與空氣的混合及燃燒情況。圖21為采用噴油策略B時3種燃燒室形狀下缸內當量比。由圖21可知，在同一曲軸轉角下，活塞B缸內當量比分布明顯比其他兩個方案更均勻，高當量比區域明顯較少。以上因素均有效減少了活塞B的碳煙排放量。此外對比圖18(b)、圖18(d)摻混與未摻混正丁醇時3種燃燒室形狀碳煙總質量可知，未摻混時活塞B的碳煙排放量下降更為明顯。由前文分析可知摻混正丁醇后碳煙生成量及氧化量均有大幅下降，因此弱化了活塞B對缸內碳煙排放量的影響。

圖18 同一噴油策略不同燃燒室形狀下的缸內碳煙總質量

圖19 同一噴油策略不同燃燒室形狀下的缸壓曲線

圖20 采用噴油策略B時3種燃燒室形狀下缸內湍動能

圖21 采用噴油策略B時3種燃燒室形狀下缸內當量比

4 結論

(1)對比研究0、15%、30%正丁醇摻混質量比對柴油機燃燒排放的影響發現，隨著摻混比的提高，峰值缸壓、滯燃期呈遞增趨勢，噴霧霧化程度更好，燃燒速度也逐漸加快。

(2)正丁醇摻混量增加后混合燃料含氧量增加，C/H比降低，更多的氧原子進入富燃料區通過形成羥基自由基而消耗碳煙前驅物，同時當量比降低且分布更加均勻，以上因素共同降低了碳煙排放量。

(3)摻混正丁醇后缸內氧含量增多且溫度升高使得CO排放量也呈遞減趨勢，但更高的缸內溫度、更廣的高溫分布區域范圍和更長的高溫持續時間導致NOx排放量有所增加。

(4)研究發現摻混正丁醇時，多次噴油的策略及合適的燃燒室結構(活塞B)能有效加快摻混后燃燒速度，提高峰值缸壓，增加缸內湍動能強度，減少高當量比分布區域，增加當量比分布均勻程度，從而進一步優化摻混后缸內燃燒情況，降低碳煙排放。

(5)與純柴油工況對比，摻混正丁醇后采用多次噴油策略，碳煙排放量下降更為明顯，且通過摻混能夠有效簡化噴油策略，但摻混弱化了燃燒室形狀對碳煙排放量的影響。