柴油機(jī)燃用生物柴油的碳煙排放模擬

胡 鵬，孫 平，王 偉，劉義克，張振興

(1.奇瑞汽車股份有限公司 前瞻院/發(fā)研院,安徽 蕪湖241009; 2. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

柴油機(jī)燃用生物柴油的碳煙排放模擬

胡 鵬1,2，孫 平2，王 偉1，劉義克1，張振興1

(1.奇瑞汽車股份有限公司 前瞻院/發(fā)研院,安徽 蕪湖241009; 2. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

開(kāi)展柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)的碳煙生成量的研究,基于廣安碳煙模型提出了一種計(jì)算燃用生物柴油的碳煙排放公式。以實(shí)測(cè)示功圖作為輸入數(shù)據(jù),結(jié)合噴霧與空氣卷吸子模型、油滴蒸發(fā)燃燒子模型、傳熱子模型以及廣安博之碳煙子模型,建立柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)碳煙排放的準(zhǔn)維預(yù)測(cè)模型,計(jì)算碳煙生成量。結(jié)果表明,十三工況的計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)碳煙排放量吻合,該模型適用于工程上模擬含氧燃料的碳煙排放。與柴油相比,由于柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)著火時(shí)刻提前,較早地達(dá)到碳煙生成的觸發(fā)溫度,燃燒開(kāi)始階段生成碳煙增加;但是由于生物柴油屬于含氧燃料,其碳煙生成峰值和最終排出量均比柴油的低大約50%。

柴油機(jī)；生物柴油；碳煙；模擬

近年來(lái),由于機(jī)動(dòng)車保有量的不斷上升,對(duì)石油基燃料的需求量逐年增加。原油屬于不可再生資源而且總量有限,因此研究人員都致力開(kāi)發(fā)和利用可再生的生物能源。生物柴油以其良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能正成為柴油機(jī)最有潛力的替代燃料之一[1-5]。內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放數(shù)值模擬是當(dāng)今研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效手段。碳煙是柴油機(jī)的主要有害排放物,目前已有研究者采用三維軟件對(duì)柴油機(jī)燃用生物柴油或生物柴油-柴油燃料的碳煙排放進(jìn)行數(shù)值模擬[6-7]。但由于碳煙生成與燃燒室局部溫度和空燃比密切相關(guān),且生物柴油中氧原子對(duì)碳煙前驅(qū)體多環(huán)芳香烴的形成過(guò)程以及微粒的核化、冷凝和聚合過(guò)程的影響機(jī)理不明確,因此三維CFD軟件模擬碳煙排放時(shí)一般采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?即認(rèn)為柴油機(jī)排氣中碳煙凈生成量是碳煙生成速率和氧化速率競(jìng)相發(fā)展的結(jié)果。碳煙生成和氧化速率方程中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和燃料理化性質(zhì)有關(guān),要使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合,需進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚騾?shù)調(diào)整。根據(jù)計(jì)算水平,內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程仿真可以分為缸內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)、缸內(nèi)霧化、缸內(nèi)燃燒動(dòng)力學(xué)和基于CFD的排放化學(xué)4個(gè)層次。因此,采用三維軟件計(jì)算柴油機(jī)碳煙的前期準(zhǔn)備工作較多(優(yōu)點(diǎn)是可以獲得缸內(nèi)碳煙局部信息)。而采用準(zhǔn)維模型的計(jì)算工作量少,筆者認(rèn)為采用準(zhǔn)維模型計(jì)算柴油機(jī)碳煙也有工程價(jià)值。

筆者結(jié)合噴霧與空氣卷吸子模型、油滴蒸發(fā)燃燒子模型、傳熱子模型以及修改的廣安碳煙子模型,建立柴油機(jī)燃用生物柴油的碳煙排放準(zhǔn)維預(yù)測(cè)模型,用以研究碳煙生成規(guī)律,為工程計(jì)算柴油機(jī)燃用含氧燃料的碳煙排放提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 燃料

車用柴油,市售;生物柴油,海南正和生物能源有限公司產(chǎn)品。表1為該生物柴油理化性質(zhì)分析結(jié)果,并與德國(guó)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

表1 試驗(yàn)用生物柴油的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和儀器

試驗(yàn)用柴油機(jī)主要性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2。試驗(yàn)時(shí)不改變?cè)瓩C(jī)的供油系統(tǒng)以及其他參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試設(shè)備包括奧地利AVL公司AFA335瞬態(tài)測(cè)功機(jī)、PUMA 5測(cè)控系統(tǒng)、439煙度計(jì)(測(cè)量煙度,分辨率0.0025)。

表2 試驗(yàn)用柴油機(jī)的主要性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 碳煙排放模型的建立

建立碳煙排放準(zhǔn)維預(yù)測(cè)模型時(shí),假設(shè)燃油以一定的壓力和噴油規(guī)律噴入燃燒室,按照時(shí)間步長(zhǎng)和空間坐標(biāo)將噴霧劃分許多網(wǎng)格單元;以實(shí)測(cè)示功圖作為輸入數(shù)據(jù),結(jié)合噴霧與空氣卷吸子模型、油滴蒸發(fā)燃燒子模型、傳熱子模型,得到單元溫度和燃空比,然后采用廣安碳煙子模型求出碳煙濃度。其中每個(gè)單元均有各自的液滴破碎和蒸發(fā)、卷吸空氣量、放熱與傳熱過(guò)程,溫度均勻,卷吸的空氣與已蒸發(fā)的燃油蒸氣在瞬間達(dá)到均勻混合,且每個(gè)網(wǎng)格單元僅與空氣區(qū)進(jìn)行質(zhì)量交換。碳煙質(zhì)量濃度計(jì)算過(guò)程如圖1所示。

圖1 碳煙質(zhì)量濃度計(jì)算流程

2.1 噴霧混合模型

2.1.1 燃油出口速率和油束錐角

由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)計(jì)算獲得每缸每循環(huán)供油量mcyc,然后假設(shè)每個(gè)單元內(nèi)的燃油在同一有效噴油壓差(Δp)下,以當(dāng)量噴孔燃油出口速率(Ujet)噴入缸內(nèi)。Ujet和Δp可由式(1)、(2)計(jì)算。

(1)

(2)

對(duì)于柴油機(jī)而言,噴入缸內(nèi)的燃油形成一個(gè)油束,在某一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)噴入的燃油量將散布到一個(gè)圓錐體上,油束的錐角可由經(jīng)驗(yàn)公式(3)確定,噴霧貫穿距離由式(4)確定,其中式(4)的油滴破碎時(shí)間由式(5)計(jì)算獲得。

(3)

(4)

(5)

2.1.2 空氣卷吸

空氣卷入量的計(jì)算需要假設(shè)：(1)柴油噴霧是一種懸浮液滴氣液兩相流;(2)各單元滿足動(dòng)量守恒,即噴霧流(原來(lái)為噴注)在噴孔處的動(dòng)量全部傳遞給運(yùn)動(dòng)的油滴和被卷入的空氣。自由射流的整體卷吸率m由式(6)[9-10]計(jì)算。

(6)

第i個(gè)網(wǎng)格單元的空氣卷吸率可由貫穿距為si和si+1截面處的噴注整體卷吸率的差計(jì)算,如式(7)所示。

(7)

2.2 油滴蒸發(fā)與著火延遲期

燃油經(jīng)高壓噴射到燃燒室,經(jīng)歷短暫的破碎過(guò)程后,油滴群的直徑具有某種概率分布。筆者假設(shè)油滴具有相同的直徑,用索特平均直徑D32表示?？捎墒?8)計(jì)算D32。

(8)

網(wǎng)格單元中的油滴數(shù)Nf可由小區(qū)的燃油量反推獲得,式(9)為其計(jì)算式。

(9)

油滴在燃燒室處于高溫高壓的氣體中,從空氣中吸收熱量迅速蒸發(fā)。在模型中假設(shè)：(1)噴霧流中油滴之間的傳質(zhì)傳熱過(guò)程互不影響;(2)油滴為一維球?qū)ΨQ,其內(nèi)部溫度均勻;(3)油滴的蒸發(fā)是準(zhǔn)定常過(guò)程。油滴瞬時(shí)溫度、質(zhì)量和直徑的微分方程如式(10)所示。

(10)

以燃料單液滴的直徑、溫度和壓力為常微分方程(11)的初始條件,蒸發(fā)過(guò)程中的物性參數(shù)如液滴周圍混合氣體的比定壓熱容、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)以及燃油的密度、比定壓熱容和蒸發(fā)潛熱見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11-12],采用四階龍格-庫(kù)塔法求解,獲得t時(shí)刻每個(gè)單元的燃油蒸氣質(zhì)量。

(11)

燃燒模型中,假設(shè)經(jīng)過(guò)著火延遲后,油氣混合區(qū)空/燃比在著火極限內(nèi)的可燃混合氣同時(shí)著火燃燒。采用Hiroyasu等[13]提出的式(12) 計(jì)算每個(gè)單元的滯燃期。

(12)

對(duì)每個(gè)燃燒單元,在計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)按穩(wěn)定狀態(tài)求τij。其中,τij按著火準(zhǔn)備累積原則處理,如式(13)所示。

(13)

2.3 傳熱與熱力學(xué)計(jì)算

單元內(nèi)的平均溫度、壓力和體積由能量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程和容積方程聯(lián)立,通過(guò)迭代法求出,如式(14)所示,各單元間的傳熱由式(15)計(jì)算。

(14)

(15)

柴油機(jī)缸內(nèi)換熱面積由氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套的濕周3部分組成,因此缸內(nèi)總傳熱量可由式(16)計(jì)算。

(16)

2.4 碳煙排放模型

柴油機(jī)工作過(guò)程中,柴油在高溫缺氧條件下裂解生成碳煙。一般認(rèn)為,碳煙的生成過(guò)程包括碳粒的成核、碳粒的長(zhǎng)大以及碳粒的氧化。筆者采用廣安碳煙模型計(jì)算碳煙濃度,其質(zhì)量變化率由式(17)計(jì)算。

(17)

由于生物柴油是含氧燃料,廣安碳煙模型不能直接應(yīng)用。采用Arrhenius類型公式表達(dá)其碳煙的生成。其中,碰撞因子Acf主要與物理性質(zhì)有關(guān),即發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù);活化能Ef與化學(xué)性質(zhì)有關(guān),即燃料屬性。為了反映含氧燃料中氧原子對(duì)碳鏈聚集成碳煙過(guò)程中的抑制作用,筆者提出對(duì)Ef引入抑制因子Kf,則新的活化能Ef,new=(1-Kf)Ef,代入式(17)即可計(jì)算含氧燃料的碳煙生成。

3 結(jié)果與討論

3.1 燃用生物柴油碳煙排放計(jì)算模型的驗(yàn)證

圖2為燃用生物柴油碳煙排放預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。圖2中,工況1～13是指歐洲排放法規(guī)ECE R49 13工況法。由于439煙度計(jì)測(cè)量的是光吸收系數(shù)k,而數(shù)值計(jì)算的是每循環(huán)碳煙排放質(zhì)量,因此需將計(jì)算值轉(zhuǎn)化成碳煙濃度,再進(jìn)行對(duì)比。(1)首先通過(guò)關(guān)系式N=100[1-exp(-kL)]計(jì)算得到不透光度N,繼而通過(guò)關(guān)系式DS=0.22N2+3.02N獲得柴油機(jī)碳煙質(zhì)量濃度DS。(2)試驗(yàn)測(cè)得排氣量Gexh、排氣壓力px和排氣溫度Tx, 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程ρx=px/(RTx),獲得排氣密度ρx。然后可由關(guān)系式DS=120nmsρx/Gexh計(jì)算得到DS模擬值。

圖2 柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)的碳煙質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與模擬值

從圖2可以看出,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合,更為重要的是兩者變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明所建立的模型能有效預(yù)測(cè)柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)的碳煙排放量。從圖2還可觀察到模擬值低于實(shí)測(cè)值,這是因?yàn)?(1)準(zhǔn)維模型沒(méi)有考慮燃油油束碰壁后會(huì)發(fā)生冷激現(xiàn)象,不完全燃燒產(chǎn)生的一次微粒聚積成團(tuán)并吸附部分碳?xì)浜土蛩猁}等半揮發(fā)組分形成積聚模態(tài)顆粒;(2)模型中將噴霧當(dāng)做一種代表滴徑表征(索特平均半徑)的均勻噴霧,即不考慮滴徑分布,而碳煙是在擴(kuò)散燃燒階段生產(chǎn),擴(kuò)散燃燒后期對(duì)碳煙生成有著重要影響,最后的放熱尾巴與偏離平均滴徑的大油滴較長(zhǎng)的蒸發(fā)時(shí)間有關(guān)。與實(shí)際霧化相比,準(zhǔn)維模型用索特平均半徑表征噴霧滴徑,會(huì)導(dǎo)致碳煙計(jì)算值偏小。目前,準(zhǔn)維和多維數(shù)值模擬很難精度預(yù)測(cè)碳煙生成量。對(duì)于碳煙而言,在模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合的前提下,更加關(guān)注兩者變化趨勢(shì)的一致性,因此認(rèn)為模型是合理的,可以預(yù)測(cè)柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)的碳煙排放。

3.2 燃用生物柴油和柴油的碳煙生成的預(yù)測(cè)

燃用柴油和生物柴油時(shí),在轉(zhuǎn)速3200 r/min、功率70.6 kW工況下的實(shí)測(cè)示功圖示于圖3。由圖3可知,自然吸氣直噴柴油機(jī)燃用生物柴油和柴油時(shí),缸內(nèi)壓力均呈典型的“雙峰形狀”。與柴油相比,燃用生物柴油的壓力曲線向前移,且隨著負(fù)荷的增加,兩者差別縮小;氣缸最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)較早,但缸內(nèi)最大壓力略低。燃用生物柴油時(shí),最大壓力為9.905 MPa,其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為上止點(diǎn)后0.4° CA,而然用柴油時(shí)的最大壓力為9.923 MPa,其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為上止點(diǎn)后2.8° CA。對(duì)于自然吸氣柴油機(jī)而言,盡管標(biāo)定工況下缸內(nèi)溫度和壓力很高,十六烷值對(duì)滯燃期的影響比較重要。生物柴油的十六烷值比柴油的大,滯燃期較短,并且生物柴油是含氧燃料,燃燒迅速,最大壓力出現(xiàn)時(shí)刻較早;但由于滯燃期縮短,形成可燃與混合氣量減小,因此最大爆發(fā)壓力降低。

圖3 燃用柴油和生物柴油時(shí)標(biāo)定工況下實(shí)測(cè)示功圖

柴油機(jī)碳煙的生成依賴于局部溫度、壓力、空/燃比、氧濃度等動(dòng)力學(xué)參數(shù),其產(chǎn)生條件是高溫和缺氧。圖4為在轉(zhuǎn)速3200 r/min、功率70.6 kW工況下燃用柴油和生物柴油時(shí),柴油機(jī)氣缸內(nèi)的碳煙量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖4可知,隨缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行,碳煙生成量急劇增大,在某一曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到峰值;標(biāo)定工況下,柴油約在15.8° CA ATDC(發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)前),生物柴油約在14.7° CA ATDC達(dá)到峰值,隨后迅速下降趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诓裼蜋C(jī)工作時(shí),碳煙的形成過(guò)程和消失過(guò)程幾乎同時(shí)進(jìn)行。在擴(kuò)散燃燒階段初期,缸內(nèi)局部缺氧嚴(yán)重,碳煙生成速率大大高于其氧化速率,因而碳煙量急劇升高;隨著燃燒進(jìn)行,當(dāng)碳煙生成速率等于氧化速率時(shí),碳煙量達(dá)到峰值,之后由于燃料大部分已燃燒,碳煙的氧化速率高于其生成速率,碳煙量開(kāi)始降低;到燃油燃燒后期,缸內(nèi)溫度下降,碳煙氧化速率明顯下降,因此碳煙生成量保持不變,直至排出機(jī)外。

圖4 燃用柴油和生物柴油時(shí)柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

由圖4還可以看到,與燃用柴油相比,柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)的碳煙量急劇升高,對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。這是由于燃用生物柴油時(shí)滯燃期縮短,著火時(shí)刻提前,較早地達(dá)到碳煙生成的觸發(fā)溫度,燃燒開(kāi)始階段生成碳煙的量增加;但是,生物柴油屬于含氧燃料,燃燒區(qū)域的氧濃度高,燃燒變得更充分、更完善,其峰值和最終排出量都比柴油的低大約50%。

圖5為在1800 r/min、245 N·m和3200 r/min、35.3 kW工況下柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)缸內(nèi)碳煙量的變化規(guī)律。由圖5可知,不同工況下,缸內(nèi)碳煙量的變化規(guī)律一致,而最終的碳煙量為最大值的10%～25%;同時(shí),碳煙量出現(xiàn)峰值的時(shí)刻與工況明顯有關(guān),在2000 r/min、245 N·m工況下,碳煙量約在22.9° CA ATDC達(dá)到峰值,在3200 r/min、35.3 kW工況下,約在15.8° CA ATDC出現(xiàn)峰值。

圖5 不同工況下燃用生物柴油時(shí)柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

4 結(jié) 論

(1) 由實(shí)測(cè)氣缸壓力計(jì)算得到燃燒參數(shù),然后運(yùn)用廣安博之碳煙子模型計(jì)算燃用生物柴油和柴油時(shí)柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙生成過(guò)程。將生物柴油十三工況模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,兩者基本吻合。由于模型中考慮生物柴油中氧原子對(duì)碳煙生成的抑制作用,因此模型適用于模擬含氧燃料的碳煙排放。

(2) 柴油機(jī)工作時(shí),隨著燃燒過(guò)程進(jìn)行,碳煙生成量急劇增大,在某一曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)達(dá)到峰值,隨后迅速下降趨于穩(wěn)定。與燃用柴油相比,柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)的滯燃期縮短,著火時(shí)刻提前,因此較早達(dá)到碳煙生成的觸發(fā)溫度,燃燒開(kāi)始階段生成碳煙量增加,但其峰值和最終排出量都比燃用柴油時(shí)低大約50%。柴油機(jī)在不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況下燃用生物柴油時(shí),碳煙具有相同的生成歷程,碳煙最終排放值僅為峰值的10%～25%左右,并且碳煙出現(xiàn)峰值的時(shí)刻與工況明顯有關(guān)。

(3) 基于廣安碳煙模型提出一種計(jì)算生物柴油的碳煙排放公式,可以嵌入內(nèi)燃機(jī)三維CFD軟件進(jìn)行碳煙仿真。

符號(hào)說(shuō)明：

Acf、Ao——與實(shí)際工況有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù);

Af——自由射流卷吸系數(shù),取0.32;

BM——傳質(zhì)數(shù),kg/(s·N);

BT——傳熱數(shù),kW/(m2·K);

cpgo——?dú)怏w定壓比熱容,kJ/(kg·K);

cpl——液滴定壓比熱容,kJ/(kg·K);

Cd——噴孔流量系數(shù),取0.72;

Cm——活塞平均運(yùn)動(dòng)速度,m/s;

d0——噴孔直徑,m;

dfij——編號(hào)為(i,j)網(wǎng)格單元液滴直徑,m;

D——?dú)飧字睆?m;

D32——索特平均直徑,m;

DS——碳煙質(zhì)量濃度,mg/m3;

Eo——氧氣活化能,其值為5860 kJ/kmol;

Ef——燃油活化能,其值為52325 kJ/kmol;

F——當(dāng)量燃/空比;

F1——?dú)飧咨w底面面積,m2;

F2——活塞頂面面積,m2;

F3——?dú)飧滋酌娣e,m2;

Gexh——排氣質(zhì)量流量,kg/h;

hin——網(wǎng)格單元總焓,J/kg;

k——光吸收系數(shù),m-1;

Kf——抑制因子;

Kgo——油滴表面混合物導(dǎo)熱率,kW/(m2·K);

L——不透光煙度計(jì)光路長(zhǎng)度,m;

LF——燃油蒸發(fā)潛熱,kJ/kg;

ma——網(wǎng)格單元液滴質(zhì)量,kg;

mai——第i網(wǎng)格單元液滴質(zhì)量,kg;

mcyc——每缸每循環(huán)供油量,kg;

mfb——網(wǎng)格單元內(nèi)的空氣質(zhì)量,kg;

mfbi——第i網(wǎng)格單元的空氣質(zhì)量,kg;

mfv——網(wǎng)格單元內(nèi)的燃油蒸氣量,kg;

mfvij——編號(hào)為(i,j)網(wǎng)格單元內(nèi)的燃油蒸氣量,kg;

mij——編號(hào)為(i,j)網(wǎng)格單元?dú)鈶B(tài)物質(zhì)的質(zhì)量,kg;

ms——碳煙凈生成質(zhì)量,kg;

msc——碳煙氧化質(zhì)量,kg;

mst——碳煙生成質(zhì)量,kg;

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;

N——不透光度,%;

Nf——油滴數(shù);

Nj——噴孔數(shù);

Nu——努塞爾數(shù);

p——壓力,MPa;

px——排氣壓力,Pa;

Δp——有效噴油壓差,Pa;

P——發(fā)動(dòng)機(jī)功率,kW;

Qij——編號(hào)為(i,j)網(wǎng)格單元熱量,kJ;

Qw——缸內(nèi)總傳熱量,kJ;

Qzex——各網(wǎng)格單元間傳熱量,kJ;

R——摩爾氣體常數(shù),J/(K·mol);

s——噴霧貫穿距離,m;

Sh——舍伍德數(shù);

t——油滴壽命,s;

tbrk——油滴破碎滯后期,s;

Δtinj——噴油持續(xù)期,s;

T——溫度,K;

Tai——第i網(wǎng)格單元?dú)鈶B(tài)物質(zhì)溫度,K;

Ti——第i網(wǎng)格單元油滴溫度,K;

Tw1——?dú)飧咨w底面溫度,K;

Tw2——活塞頂面溫度,K;

Tw3——?dú)飧滋诇囟?K;

Tx——排氣溫度,K;

uij——網(wǎng)格單元總內(nèi)能,J/kg;

Ujet——當(dāng)量噴孔燃油出口速率,m/s;

Vij——編號(hào)為(i,j)網(wǎng)格容積,m3;

XO2——當(dāng)前網(wǎng)格單元內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;

αw——瞬時(shí)平均換熱系數(shù),W/(m2·K);

θ——噴霧油束錐角,°;

μa——運(yùn)動(dòng)黏度,mm·s;

ξ——換熱系數(shù),s-1;

φ——曲軸轉(zhuǎn)角,° CA;

ρa(bǔ)——空氣密度,kg/m3;

ρf——燃油密度,kg/m3;

ρx——排氣密度,kg/m3;

τ——燃油滯燃期,ms;

τij——編號(hào)為(i,j)網(wǎng)格燃油滯燃期,ms。

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Simulation of Soot Emission From Diesel Engine Fueled With Biodiesel

HU Peng1,2, SUN Ping2, WANG Wei1, LIU Yike1, ZHANG Zhenxing1

(1.AcademyofScienceandAdvancedTechnology/EngineEngineeringResearchInstitute,CheryAutomobileCo.Ltd.,Wuhu241009,China;2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

The study on the soot emission characteristics of diesel engine fueled with diesel or biodiesel was conducted, and a predictive formula based on hiroyasu soot submodel for soot emission of the biodiesel was proposed. Based on the measured indicator diagram, a quasi-dimensional particulate emission model for the engine fueled with biodiesel was established by combining a fuel spray impinging and air entrainment submodel, droplet’s evaporation and combustion submodel, the heat transfer submodel and hiroyasu soot submodel, and the in-cylinder soot mass was calculated. The results indicated that the theoretical results calculated agreed well with experimental results, and the established model was suitable for soot emission prediction of diesel engine fueled with oxygenated fuels. The ignition start of biodiesel in engine was early to reach the trigger temperature of soot formation, so soot emission increased in the initial stage of combustion. Since the oxygen concentration at combustion area was high due to the oxygenated properties of biodiesel, the peak and final emission value of soot was reduced by more than 50% compared with that of 0#diesel.

diesel engine; biodiesel; soot; simulation

2014-06-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50976051)、江蘇省研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ12_0675)和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)〔2011〕6號(hào)) 資助

胡鵬，男，工程師，博士，從事內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放控制方面的研究；E-mail：hupeng@mychery.com

1001-8719(2015)05-1129-07

TK421.5

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.05.015