李瑞娜,王 忠,侯令川,李銘迪,趙 洋
(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013)
小型農(nóng)用單缸柴油機(jī)是我國(guó)農(nóng)業(yè)植保機(jī)械的主要?jiǎng)恿?在我國(guó)的蔬菜大棚種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域,發(fā)揮了很大作用.隨著我國(guó)節(jié)能和環(huán)保要求的提高,生物柴油、醇類燃料在小型農(nóng)用單缸柴油機(jī)上逐步得到應(yīng)用.
生物柴油是一種含氧燃料,理化特性與柴油相近,在國(guó)內(nèi)外有較多的研究和應(yīng)用[1-2].我國(guó)甲醇產(chǎn)量較大,價(jià)格低.在柴油機(jī)上摻燒甲醇,可降低燃料的密度和黏度,提高燃料的汽化潛熱和含氧量,改善燃料的霧化性能,降低 NOx和碳煙排放[3-4].柴油機(jī)可以采用缸內(nèi)噴射和進(jìn)氣道噴射的方式燃燒甲醇,也可以采用直接混合的方式.直接混合的方式,柴油機(jī)結(jié)構(gòu)無需改變,燃料配制方便,適合應(yīng)用在農(nóng)用柴油機(jī)上應(yīng)用.
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柴油機(jī)燃用甲醇摻混燃料的燃燒特性和排放已有較多的研究[5-6],結(jié)果表明:隨著甲醇添加比例的增加,柴油機(jī)滯燃期延長(zhǎng),缸內(nèi)最大壓力降低;低負(fù)荷時(shí),HC排放增加,CO,NOx和煙度降低.K.Anand等[7]針對(duì)四缸渦輪增壓柴油機(jī)的研究表明:與生物柴油相比,當(dāng)甲醇添加10%時(shí),最大熱效率可增加4.2%,NOx和碳煙最多可降低37.3%,96.4%.對(duì)于直接摻混燃料甲醇的方法,當(dāng)甲醇的摻混比例在10%~15%時(shí),柴油機(jī)的缸內(nèi)最大壓力升高率有所提高,但不致引起柴油機(jī)工作粗暴,排放污染物中 NOx和碳煙得到改善[8-9].同時(shí),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柴油機(jī)燃用甲醇的燃燒過程、排放也開展了一些數(shù)值模擬工作.姚春德等[8]對(duì)現(xiàn)有的2步碳煙模型進(jìn)行修正,建立了柴油、甲醇組合燃燒的碳煙排放模型.趙福全等[9]對(duì)柴油機(jī)燃用乙醇/柴油的性能進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明:隨著乙醇比例的增加,缸內(nèi)溫度和壓力降低,NOx和碳煙降低.
筆者為考察生物柴油直接摻混甲醇在農(nóng)用柴油機(jī)上的應(yīng)用,針對(duì)186FA柴油機(jī)建立燃燒、排放計(jì)算模型,將實(shí)測(cè)排放值與模擬值進(jìn)行對(duì)比,對(duì)所建立模型進(jìn)行驗(yàn)證.考察柴油機(jī)燃用甲醇/生物柴油的燃燒特性、缸內(nèi)溫度場(chǎng)、污染物濃度,探討甲醇降低NOx和碳煙的原因.
將甲醇摻混比例為15%的甲醇/生物柴油混合燃料記為BM15.為準(zhǔn)確模擬柴油機(jī)燃用生物柴油和BM15時(shí),柴油機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)的變化、燃燒過程以及污染物的濃度變化,噴霧模型選用離散液滴模型,燃燒模型選用湍流控制燃燒模型,排放模型選用擴(kuò)展的Zeldovich模型.
以186FA柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)為研究對(duì)象,進(jìn)行建模.186FA柴油機(jī)壓縮比為19,標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3600 r·min-1,標(biāo)定功率為6.3kW.柴油機(jī)采用螺旋氣道.根據(jù)噴油器的噴孔數(shù)(5孔),將燃燒室沿周向均分為5份,建立其中1份即72°的扇形計(jì)算網(wǎng)格.網(wǎng)格平均大小為0.8mm,生成上止點(diǎn)時(shí)刻燃燒室的二維靜態(tài)網(wǎng)格,周向劃分為17份,生成隨曲軸轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的3維網(wǎng)格,活塞上止點(diǎn)時(shí)的燃燒室網(wǎng)格總數(shù)為15632,下止點(diǎn)時(shí)的為67267,燃燒室網(wǎng)格如圖1所示.
圖1 燃燒室網(wǎng)格
初始條件主要包括計(jì)算起止角度、進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)的溫度、壓力和渦流比以及所燃用的燃料;邊界條件主要包括燃燒室的壁面溫度和壁面移動(dòng)速度.
活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角設(shè)為360.0°(文中除特別說明的角度外,均指曲軸轉(zhuǎn)角),數(shù)值模擬的起止角度分別設(shè)為224.5°(進(jìn)氣門關(guān)閉)、484.5°(排氣門打開).依據(jù)186FA柴油機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)的溫度、壓力分別設(shè)為333.15K,0.111MPa[10],渦流比設(shè)為 2.5,湍動(dòng)能 TKE 和湍流尺度TLS如下:
式中u'為湍流脈動(dòng)速度.
式中:h為沖程;n為轉(zhuǎn)速.
式中hv為氣門最大升程.
生物柴油和BM15的低熱值分別設(shè)為36.4,33.9MJ·kg-1,燃油溫度均設(shè)為323.15K.生物柴油的彈性模量和密度較大,噴油始點(diǎn)有所提前,摻混醇類燃料后,彈性模量和密度降低,噴油始點(diǎn)相對(duì)滯后,參考現(xiàn)有研究結(jié)果,將生物柴油的噴油起止時(shí)刻分別設(shè)為346.4°,362.8°.BM15的噴油起止時(shí)刻分別設(shè)為 347.0°,364.5°[11-12].缸蓋下底面、活塞頂面和氣缸壁面溫度依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件推薦值,分別取 550,575,475K.
為了對(duì)比柴油機(jī)燃用生物柴油和BM15,在n=3000r·min-1,Pe=5.7kW 工況時(shí),NOx和 soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模擬值與試驗(yàn)值,驗(yàn)證缸內(nèi)燃燒過程數(shù)值模型的準(zhǔn)確性,通過式(1)和式(2)將試驗(yàn)測(cè)得的NOx體積分?jǐn)?shù)值換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)值,排氣煙度值換算為soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)值.
式中:wNOx,φNOx分別為 NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù);MNOx,Mr分別為NOx和排氣的摩爾質(zhì)量,分別取30.0,28.7g·mol-1.
式中:wsoot為soot的質(zhì)量分?jǐn)?shù);SF為濾紙煙度,SF=0.935Rb+0.65,Rb為 Bosch煙度;ρr為排氣密度,取0.483kg·m-3.
表1對(duì)比了燃用2種燃料時(shí),排氣中NOx和soot的質(zhì)量濃度的測(cè)量值和模擬值.
表1 NOx和soot質(zhì)量濃度的測(cè)量值與模擬值對(duì)比10-6kg·m-3
由表1可以看出:2種排放物的模擬值與測(cè)量值吻合良好;模擬值與測(cè)量值基本一致,建立的缸內(nèi)燃燒過程計(jì)算模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)生物柴油和BM15的NOx和soot排放,驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性.
2.1.1 氣缸壓力、壓力升高率和放熱率
n=3000r·min-1,Pe=5.7kW 工況時(shí),柴油機(jī)燃用生物柴油、BM15時(shí),氣缸壓力、壓力升高率和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線如圖2所示.
圖2 氣缸壓力、壓力升高率和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線
由圖2可以看出:與燃用生物柴油相比,燃用BM15時(shí),缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低,最大壓力升高率和最大放熱率有所升高,對(duì)應(yīng)的相位均有所后移;放熱始點(diǎn)推遲2.8°,滯燃期延長(zhǎng)2.2°.在生物柴油摻混15%的甲醇,降低了燃料的十六烷值,致使燃料的自燃著火性能變差,柴油機(jī)滯燃期延長(zhǎng),燃燒的放熱始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位后移,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率和最大放熱率的相位隨之后移;由于混合燃料的霧化效果好,與燃用生物柴油相比,滯燃期內(nèi)油氣混合更均勻,使缸內(nèi)最大壓力升高率和最大放熱率升高.由于預(yù)混燃燒期推后,活塞下行,使得缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力有所降低.
2.1.2 缸內(nèi)平均溫度和溫度場(chǎng)
n=3000r·min-1,Pe=5.7kW 工況時(shí),柴油機(jī)缸內(nèi)平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線如圖3所示.
總體上看,柴油機(jī)燃用BM15的缸內(nèi)平均溫度比燃用生物柴油時(shí)低,最高平均溫度相當(dāng),對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推后0.9°.燃用BM15時(shí),滯燃期延長(zhǎng),預(yù)混燃燒量增加,促使最高平均溫度升高,但BM15中的甲醇汽化潛熱較大,有助于降低缸內(nèi)的燃燒溫度,這2方面的綜合作用使得燃用BM15時(shí),缸內(nèi)平均溫度總體上呈降低趨勢(shì).
圖3 缸內(nèi)平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線
燃用2種燃料時(shí)370.0°~400.0°的缸內(nèi)溫度場(chǎng)分別如圖4,5所示.可見,燃用BM15時(shí),同一截面處的高溫區(qū)域與燃用生物柴油時(shí)相比略有縮小,溫度場(chǎng)內(nèi)的最高溫度有所降低.這主要是因?yàn)樯锊裼蛽綗?5%的甲醇,燃料的霧化性能提高,與空氣混合更為均勻,甲醇汽化時(shí)從周圍環(huán)境中吸收了較多熱量,使溫度場(chǎng)內(nèi)的高溫區(qū)域縮小,最高溫度降低.
圖4 生物柴油缸內(nèi)溫度場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化
圖5 BM15缸內(nèi)溫度場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化
NOx的生成條件是高溫富氧,soot的生成條件是高溫缺氧.通常,柴油機(jī)的NOx和soot排放呈“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系,而缸內(nèi)燃燒溫度和氧濃度是影響NOx和soot形成的重要因素.首先,對(duì)缸內(nèi)O2的平均體積分?jǐn)?shù)及濃度場(chǎng)進(jìn)行了探討.圖6-8對(duì)比了柴油機(jī)燃用生物柴油、BM15時(shí),缸內(nèi)O2平均體積分?jǐn)?shù)和濃度場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化.
圖6 O2平均體積分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線
圖7 生物柴油的O2濃度場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化
圖8 BM15的O2濃度場(chǎng)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化
從圖7,8可以看出:燃用 BM15時(shí),347.0°~367.6°區(qū)間內(nèi)的O2平均體積分?jǐn)?shù)比燃用生物柴油時(shí)略高,367.6°之后比燃用生物柴油時(shí)低.對(duì)比370.0°~400.0°的O2濃度場(chǎng)可知:燃用 BM15時(shí),O2低濃度區(qū)域比燃用生物柴油時(shí)有所擴(kuò)大,表明BM15的耗氧量較生物柴油的有所增加.這主要是因?yàn)榕c生物柴油相比,BM15的循環(huán)供油量較大,霧化性能較好,導(dǎo)致燃油混合氣濃度升高,分布區(qū)域擴(kuò)大,消耗的氧氣量隨之增加.
圖9對(duì)比了柴油機(jī)燃用生物柴油、甲醇/生物柴油時(shí),缸內(nèi)NOx平均體積分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)化.在同一曲軸轉(zhuǎn)角時(shí),柴油機(jī)燃用BM15的NOx平均體積分?jǐn)?shù)比燃用生物柴油時(shí)低.NOx的生成條件是高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間.
由圖4,7可知:與燃用生物柴油相比,柴油機(jī)燃用BM15時(shí),缸內(nèi)溫度和O2體積分?jǐn)?shù)均較低,使得NOx的生成受到抑制,平均體積分?jǐn)?shù)降低.
圖10對(duì)比了柴油機(jī)燃用生物柴油、甲醇/生物柴油時(shí),缸內(nèi)的soot平均體積分?jǐn)?shù).可以看出:柴油機(jī)燃用BM15時(shí)的soot平均體積分?jǐn)?shù)比燃用生物柴油時(shí)明顯下降.分析其原因,主要有以下3個(gè)方面:① 與生物柴油相比,甲醇蒸發(fā)性好,因此,BM15的霧化性能較好,燃料與空氣混合更加均勻,減少了附著在燃燒室底部的燃油量,使得油氣混合的過濃區(qū)域縮小;②BM15的含氧量相對(duì)較高,改善了油氣混合過濃區(qū)域燃燒缺氧的狀況;③甲醇分子中不含C—C鍵,燃燒過程中不易生成C2H2,C3H3等soot前軀體.
由柴油機(jī)燃用BM15時(shí),OH自由基的體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖11所示,可知BM15在燃燒過程中產(chǎn)生了較多的OH自由基,OH自由基對(duì)C2H2,C3H3和已生成的soot具有很強(qiáng)的氧化作用[13-14].通過以上分析可知:柴油機(jī)燃用甲醇/生物柴油,可以使soot的生成量降低.
圖9 NOx平均體積分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線
圖10 soot平均體積分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線
圖11 OH平均體積分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線
1)建立了186FA柴油機(jī)燃用生物柴油和BM15時(shí)的缸內(nèi)燃燒過程計(jì)算模型,通過對(duì)比NOx和soot質(zhì)量濃度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值,驗(yàn)證了所建立模型的正確性.
2)與生物柴油相比,柴油機(jī)燃用BM15時(shí),缸內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)和溫度均較低,抑制了NOx的生成;BM15的霧化性能好、含氧量高、燃燒過程中不易生成soot前驅(qū)體,減少了soot的生成量.因此,柴油機(jī)燃用BM15,可以有效改善NOx和soot排放.
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