雙燃料發(fā)動機(jī)低溫燃燒排放性能仿真

牛夢達(dá)，宣熔，陳美謙,2，胡登，范金宇,2，黃加亮,2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

目前國際海事組織(IMO)制定了更為嚴(yán)格的排放法規(guī)[1]，促使柴油機(jī)朝著更加節(jié)能的方向發(fā)展[2]。丁醇作為第二代新型生物燃料相較于傳統(tǒng)石油更容易實(shí)現(xiàn)清潔燃燒。但單純的摻燒丁醇無法滿足IMO Tier Ⅲ排放法規(guī)，國內(nèi)外許多專家學(xué)者在燃料-丁醇燃燒研究基礎(chǔ)上，通過改變柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)而達(dá)到改善排放的效果。Juan[3]在恒定體積容器中研究不同初始溫度和不同丁醇摻混比對燃燒和排放性能的影響；研究表明，柴油摻燒較高比例的正丁醇可以有效降低NOx排放，摻混比超過50%會降低燃燒溫度，適當(dāng)提高初始溫度可以有效改善燃燒狀況，但相應(yīng)NOx排放會出現(xiàn)不同程度的惡化，而廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)能夠有效實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)低溫燃燒，進(jìn)而達(dá)到降低NOx排放的效果。祖向歡[4]在TBD234V12型相繼增壓柴油機(jī)上，通過搭建高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)EGR對柴油機(jī)燃燒和排放性能分析；研究表明，在低負(fù)荷較小EGR利用率及高負(fù)荷高EGR利用率條件下，能夠在不影響柴油機(jī)運(yùn)行基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，較高的EGR利用率可以實(shí)現(xiàn)Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，但同時動力性能極大地降低。鄭尊清[5]在一臺柴油機(jī)試驗臺架上摻混不同比例的汽油、柴油、丁醇混合燃料，結(jié)合較高EGR利用率，研究不同噴油正時和噴油壓力對缸內(nèi)燃燒和排放的影響；研究表明，丁醇有較好的揮發(fā)性，能夠有效改善油氣混合，同時能有效改善碳煙、CO等的排放，但因汽油和丁醇熱值過低，以及較高的EGR利用率會造成缸內(nèi)燃燒惡化。由此得知，單純的改變丁醇摻混比或者EGR利用率，在達(dá)到既定目標(biāo)的同時，伴隨著燃燒性能的惡化。本文通過AVL_FIRE軟件，在4190 ZLC-2型中速柴油機(jī)試驗平臺上，構(gòu)建仿真模型，通過改變丁醇摻混比例，結(jié)合低EGR利用率，在保證缸內(nèi)燃燒質(zhì)量的同時，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)NOx、碳煙及CO排放優(yōu)化。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象和模型建立

本文以電控改造后的4190 ZLC-2型柴油機(jī)為研究對象，其試驗臺裝置的主要設(shè)備及系統(tǒng)如圖1所示。

首先，運(yùn)用CAD繪制燃燒室縱剖1/2截面圖，如圖2所示。導(dǎo)入ESE DIESEL模塊，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型中忽略了進(jìn)排氣閥對燃燒室容積影響，為確保壓縮比保持不變，以模型為參照對象，增加補(bǔ)償容積，使用FIRE軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成三維模型如圖3所示。選擇合適的計算模型，研究柴油機(jī)在不同EGR利用率條件下，摻燒不同比例丁醇時，柴油機(jī)的排放性能。

1.2 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4190 ZLC-2型柴油機(jī)燃燒室為半開式ω型，發(fā)火順序為1-3-4-2，雙氣道，其基本參數(shù)如表1所示。邊界條件參數(shù)的設(shè)置主要取決于柴油機(jī)初始運(yùn)行時模型各個部件的溫度，通過AVL_BOOST構(gòu)建整機(jī)一維模型，并通過計算得到邊界數(shù)據(jù)。

表1 柴油機(jī)基本性能指標(biāo)

湍動能計算公式為：eTKE=3u2/2;u=0.5·Cm;Cm=2hn/60。式中：n為轉(zhuǎn)速(r/min)；Cm為活塞平均速度(m/s)；h為行程(m)；u為湍流脈動速度(m/s)。

1/8噴油量m=[bepe/(120ni)]τ。式中:be為標(biāo)定功率點(diǎn)燃油消耗率；pe為標(biāo)定功率；τ為柴油機(jī)沖程數(shù)；n為標(biāo)定轉(zhuǎn)速；i為柴油機(jī)氣缸數(shù)。

1.3 選擇計算子模型

在丁醇-柴油雙燃料燃燒模型的基礎(chǔ)上，建立子模型，具體如下：選用k-ε型湍流流動模型模擬流動現(xiàn)象；在噴霧模型中，液滴破碎模型選用多噴孔噴油器的KH-RT模型，使計算結(jié)果更加可靠；擴(kuò)散模型選用Enab-le模型來解釋氣相脈沖速度；選用射流Walljet1模型作為液滴碰壁模型；蒸發(fā)模型選用軟件推薦的Multi-component模型；排放模型選用與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)燃燒模型相對應(yīng)的Zeldovich模型。

1.4 模型驗證

在額定工況下，基于AVL_FIRE求解器成分中設(shè)置缸內(nèi)的正丁醇(C4H10O)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，在全負(fù)荷工況下，將柴油機(jī)仿真模型所測得的缸壓曲線與原機(jī)實(shí)測得的缸壓曲線進(jìn)行對比，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，直至兩條曲線誤差在5%以內(nèi)，如圖4所示。試驗和仿真的放熱率曲線也基本重合，可用于仿真計算。其中純柴油機(jī)原機(jī)試驗值與仿真值誤差較低，但仿真值缸壓峰值和放熱率峰值均低于試驗值，放熱率誤差最高2.16%。主要原因為：仿真模型中使用正庚烷反應(yīng)機(jī)理代替柴油參與燃燒，而正庚烷熱值略低于柴油，因此放熱率和缸壓均有略微降低。

2 對發(fā)動機(jī)排放的影響

設(shè)置丁醇質(zhì)量摻混比為0(B0)、10%(B10)、20%(B20)、30%(B30)4組變量；EGR利用率為柴油機(jī)進(jìn)、排氣中CO2濃度的比值[6]，本文設(shè)置0%，7.5%，10.0%，12.5%，15.0%，17.5% 6組變量。

2.1 NO排放

圖5為缸內(nèi)平均燃燒溫度曲線圖。缸內(nèi)燃燒溫度對柴油機(jī)NOx、Soot和CO生成有著重要影響，尤其是NOx生成過程中，高溫對N元素的氧化起著決定作用，因此分析EGR利用率和丁醇摻混比對溫度變化的影響具有十分重要的意義。從圖5中可以看出，隨著EGR利用率的增加，缸內(nèi)平均溫度下降，當(dāng)EGR利用率為12.5%時缸內(nèi)平均溫度峰值從1 800 K降到1 600 K，基本實(shí)現(xiàn)了低溫燃燒。隨著惰性氣體的增加，比熱容增大，氧氣被稀釋，滯燃期延長，導(dǎo)致混合燃料在低溫、缺氧環(huán)境下燃燒不完全，因此缸內(nèi)溫度出現(xiàn)明顯下降狀況。但由于氧含量的增加促進(jìn)了缸內(nèi)燃燒，彌補(bǔ)了燃料熱值的不足，因此丁醇摻混比的增加對溫度整體影響較小。

圖6為不同EGR利用率和丁醇摻混比下NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。從圖6中可以看出，在EGR利用率較低時，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著丁醇摻混比的增加而增大，但整體變化范圍不明顯。其中，在曲軸轉(zhuǎn)角低于738°時，因摻混比增加導(dǎo)致的滯燃期延長，溫度下降，造成NO排放降低。而在較高EGR利用率范圍內(nèi)，隨著丁醇摻混比的增加，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈先升高后降低趨勢，且變化幅度有擴(kuò)大趨勢。在丁醇摻混比不變的條件下，隨著EGR利用率的增加，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低。其中：B0、EGR利用率17.5%組合對應(yīng)NO排放比原機(jī)組合下降64.12%；在EGR利用率大于12.5%、丁醇摻混比超過20%時，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降幅度減小；B20、EGR利用率為12.5%組合NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原機(jī)減小58.97%。由于丁醇汽化潛熱遠(yuǎn)大于柴油，隨著摻混比的增加，在EGR利用率為15.0%、B30以及EGR利用率為17.5%、B20和EGR利用率為17.5%、B30組合出現(xiàn)失火現(xiàn)象。

由圖7可知，在較低EGR利用率范圍內(nèi)，由于缸內(nèi)進(jìn)氣空氣氧含量較為充足，以及丁醇氧元素含量較高，因而燃料能夠?qū)崿F(xiàn)充足燃燒，缸內(nèi)溫度仍然保持較高水平，滿足NO高溫富氧的生成環(huán)境；在較高EGR利用率范圍內(nèi)，由于缸內(nèi)初始氧含量急劇下降，此時丁醇中含氧量成為影響缸內(nèi)燃燒效果的決定因素，同時丁醇的汽化潛熱遠(yuǎn)高于柴油，達(dá)到著火點(diǎn)時需要吸收更多的熱量，因而使得滯燃期延長，NO生成時刻滯后。

2.2 Soot排放

碳煙(Soot)的排放是檢驗柴油機(jī)排放性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。A4消耗量是指碳煙前驅(qū)物(A4)轉(zhuǎn)化為Soot所消耗的量，由于A4占比較大，起主要作用，因此Soot排放變化趨勢用碳煙前驅(qū)物(A4)表示[7-8]。圖8為不同EGR利用率和丁醇摻混比對應(yīng)A4生成和消耗質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。由圖8可知，在EGR利用率不變的條件下，碳煙前驅(qū)物A4的生成和消耗質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著丁醇摻混比的增加而逐漸降低，在摻混比超過20%時，低EGR利用率對應(yīng)A4下降趨勢幾乎保持不變，而較高EGR利用率對應(yīng)A4趨勢仍持續(xù)下降。A4主要在預(yù)混燃燒階段生成，丁醇摻混比例的增加會使滯燃期延長，油氣充分混合，燃燒獲得有效改善，減少了A4的生成量。由圖5可知，缸內(nèi)溫度隨丁醇摻混比變化不大，但含氧量的增加提高了混合氣體的氧含量，從而使A4消耗量增高，減少了A4的生成量。

由圖9可知，在摻混比不變的條件下，隨著EGR利用率的增加，A4生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，在EGR利用率高于12.5%時，A4質(zhì)量分?jǐn)?shù)有進(jìn)一步上升趨勢，與之相反，在EGR利用率大于12.5%時，A4轉(zhuǎn)化為Soot消耗量急劇下降。B20、EGR利用率為12.5%時對應(yīng)A4生成峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原機(jī)下降37.5%。在較低丁醇摻混比下，隨著EGR利用率的增加，缸內(nèi)氧濃度逐步降低，燃燒惡化，A4生成質(zhì)量增加；在較高丁醇摻混比、高EGR利用率下，雙燃料滯燃期延長，使燃料與空氣能夠較為充分混合，A4生成量減少。另由圖9可知，在低摻混比下，A4消耗率下降趨勢不明顯，燃料的不充分燃燒有利于Soot的生成。在EGR利用率為0%～12.5%時，A4消耗量先升高后降低，整體變化趨勢同溫度變化相吻合；在EGR利用率高于12.5%時，圖像呈下降趨勢。主要原因為，隨著EGR利用率的增加，缸內(nèi)氧含量過低，燃燒不充分，導(dǎo)致溫度過低[9-10]。

2.3 CO排放

圖10為丁醇摻混比和EGR利用率對CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響曲線圖。由圖10可知，在同一EGR利用率下，隨著丁醇摻混比的增加，CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，初始生成時刻向后延長，在摻混比高于20%條件下，下降幅度逐漸減緩；正丁醇十六烷值含量遠(yuǎn)低于柴油，同時丁醇的汽化潛熱過高導(dǎo)致滯燃期延長，有助于燃料與空氣充分混合燃燒，使得CO生成量降低。但丁醇熱值較低，隨著丁醇摻混比的增加，缸內(nèi)最高溫度呈下降趨勢，高溫持續(xù)時間縮短，CO生成量理應(yīng)增加；而從圖10不難發(fā)現(xiàn)，不同摻混比對應(yīng)缸內(nèi)平均溫差很小，隨著摻混比的增加，丁醇因為有其更高的氧含量，有助于燃料更加充分地燃燒，CO在富氧環(huán)境被氧化為CO2。

由圖11可知，在較低丁醇摻混比下，隨著EGR利用率的增加，CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先明顯上升而后逐漸平穩(wěn)趨勢；在高丁醇摻混比下，隨著EGR利用率的增加，CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯下降趨勢。B20、EGR利用率12.5%組合對應(yīng)CO排出質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原機(jī)降低23.53%。EGR利用率的增加，導(dǎo)致缸內(nèi)惰性氣體增加，造成比熱容增大，進(jìn)氣中的氧濃度進(jìn)一步降低，為CO創(chuàng)造了良好的生成環(huán)境；同時，隨著EGR利用率的增加，空燃比明顯減小，缸內(nèi)燃燒性能惡化，B0、EGR利用率17.5%組合比B0、EGR利用率0%組合缸內(nèi)溫度降低200 K以上，低溫環(huán)境下，燃料燃燒中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為碳粒，因此CO生成量出現(xiàn)下降趨勢。

3 結(jié)論

本文利用FIRE軟件建立柴油-丁醇混合燃料燃燒高壓循環(huán)仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真試驗。在既定工況下，以NO、Soot、CO生成和排放綜合優(yōu)化為目標(biāo)，選取最優(yōu)摻混比和EGR利用率，結(jié)果如下。1)改變丁醇摻混比對降低NO排放效果不明顯，但對A4的生成和排放有著較大地影響，CO排放也有明顯改善。2)EGR的引入能夠?qū)崿F(xiàn)低溫燃燒，可以有效改善NO的排放，但EGR利用率過高，會導(dǎo)致燃燒不充分，進(jìn)而造成碳煙和CO排放的升高，在EGR利用率15%，B30情況下出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。3)柴油摻燒丁醇，并與EGR技術(shù)結(jié)合能夠較大程度降低NO排放，Soot排放有升高但整體幅度可控， CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于原機(jī)，在保證燃燒質(zhì)量條件下，實(shí)現(xiàn)了降低排放目標(biāo)。

綜合以上分析，丁醇摻混比為B20，EGR利用率12.5%組合下，NO排放比原機(jī)降低58.97%，Soot生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值比原機(jī)降低37.5%，而排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有升高，CO排放比原機(jī)降低23.53%。在對柴油機(jī)的動力性能不產(chǎn)生較大影響的前提下，實(shí)現(xiàn)了降低NO排放，改善Soot、CO排放的目標(biāo)。