高原低氧環(huán)境下含氧燃料對柴油機(jī)工作過程的影響

龍佳慶， 陳貴升， 沈穎剛， 陳春林， 李偉東

(1. 柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 柳州 545005； 2. 昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650500)

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高原低氧環(huán)境下含氧燃料對柴油機(jī)工作過程的影響

龍佳慶1， 陳貴升2， 沈穎剛2， 陳春林2， 李偉東2

(1. 柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 柳州 545005； 2. 昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650500)

以高原共軌柴油機(jī)為研究機(jī)型，根據(jù)臺架試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用AVL Fire構(gòu)建其燃用B100(純生物柴油)和B70N30(體積70%生物柴油+30%正丁醇)的三維CFD模型，并進(jìn)行驗(yàn)證。利用該模型對比研究了不同海拔氧濃度對發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同含氧燃料工作過程的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)研究了B70N30耦合EGR對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明：相比D100(純柴油)，B100和B70N30的缸內(nèi)局部當(dāng)量比降低，活性自由基(OH，O)濃度及其缸內(nèi)分布區(qū)域增大，從而導(dǎo)致NO排放升高，但同時(shí)使CO生成量峰值減小，Soot和CO缸內(nèi)分布區(qū)域以及排放終值都隨大氣氧濃度的降低而顯著減少；相比B100，B70N30因汽化潛熱增大，其NO排放降低，但原子氧的增加導(dǎo)致Soot和CO同時(shí)降低；對于B70N30，隨EGR率增大，NO大幅度降低，CO顯著升高，而Soot因滯燃期延長變化較小。

高原； 生物柴油； 正丁醇； 工作過程； 數(shù)值模擬

我國具有地區(qū)之間海拔環(huán)境差異大、高原占地面積廣的地理特點(diǎn)。研究表明，隨海拔高度增加，空氣密度、大氣壓力和大氣內(nèi)氧濃度同時(shí)大幅降低[1]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)因進(jìn)氣氧含量減少會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性下降、炭煙(Soot)排放快速升高等嚴(yán)重問題[2]。廢氣再循環(huán)(EGR)能有效抑制NOx生成，是現(xiàn)代先進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)滿足超低排放法規(guī)(如歐6)不可或缺的重要技術(shù)[3-5]。但EGR參與燃燒會(huì)帶來缸內(nèi)氧濃度降低，導(dǎo)致Soot增加等問題，這在空氣稀薄的高原低氧環(huán)境下更為突出。

研究表明，采用含氧燃料可以在一定程度上彌補(bǔ)進(jìn)氣分子氧含量的不足，有效抑制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高原缺氧環(huán)境與低溫燃燒中Soot的生成[6-7]。正丁醇(n-Butanol)是近年來國內(nèi)外廣泛關(guān)注的一種低十六烷值新型生物含氧燃料，目前其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究已有較大發(fā)展[6,8-9]。相對于乙醇，正丁醇具有與柴油互溶性好、熱值高、潤滑性提高等優(yōu)點(diǎn)。因此，目前正丁醇被認(rèn)為比生物乙醇更適合作為車用發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料[10]。但其辛烷值較高，直接在柴油機(jī)上應(yīng)用難以壓燃，故其適合與高十六烷值燃料摻混燃燒。正丁醇黏度低于柴油，其含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)(21.6%)高于生物柴油，且與生物柴油互溶性好[11]，而生物柴油具有十六烷值和黏度較高等特點(diǎn)[12-13]。因此，正丁醇與生物柴油摻混后的燃料特性更適合于高原柴油機(jī)及其低溫燃燒模式。

本研究在生物柴油中摻混正丁醇，以數(shù)值模擬為研究手段，擬通過研究不同海拔大氣氧濃度與不同EGR率對現(xiàn)代共軌柴油機(jī)燃用不同特性含氧燃料的燃燒過程和排放物生成的影響機(jī)理，探尋適應(yīng)于高原柴油機(jī)高效清潔燃燒的燃料特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為D19高壓共軌柴油機(jī)，其主要參數(shù)見表1。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)是在海拔2 km的高原大氣環(huán)境下進(jìn)行，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?1 kPa。在轉(zhuǎn)速2 200 r/min,不同負(fù)荷下對柴油機(jī)燃用純石化柴油(D100)、純生物柴油(B100-菜籽油)和B70N30(體積分?jǐn)?shù)70%生物柴油+30%正丁醇)時(shí)的燃燒與性能(未引入EGR)進(jìn)行測定，用于CFD模型構(gòu)建與驗(yàn)證。試驗(yàn)按國家標(biāo)準(zhǔn)對D100和B100理化特性進(jìn)行了測定。B70N30重要特性參數(shù)(如低熱值、氧含量和密度等)根據(jù)正丁醇和B100理化參數(shù)計(jì)算得到。不同試驗(yàn)燃料的理化特性參數(shù)詳見表2[6,8,14-15]。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 試驗(yàn)用燃油主要理化參數(shù)

由表2可知，相對于B100，B70N30的氧含量增高，低熱值、密度和硫含量同時(shí)降低。正丁醇十六烷值和黏度低于D100和B100，但是汽化潛熱較高。因此相對于B100，B70N30具有十六烷值低、黏度更接近D100，且汽化潛熱相對B100增大的特點(diǎn)。

2 三維CFD模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 模型構(gòu)建及計(jì)算邊界

首先根據(jù)D19柴油機(jī)參數(shù)以及試驗(yàn)臺架布置，借助AVL BOOST構(gòu)建了整機(jī)一維仿真模型(見圖1a)，為三維模型提供準(zhǔn)確的進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻邊界條件。然后依據(jù)D19燃燒室?guī)缀纬叽?，利用CAD繪制燃燒室的輪廓線，并將其導(dǎo)入AVL FIRE 2013的ESE Diesel前處理模塊，設(shè)置燃燒室參數(shù)，繪制二維網(wǎng)格，同時(shí)生成燃燒室的三維六面體動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。采用6孔噴油器，噴孔直徑為0.219 mm，噴霧錐角為156°。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，生成的計(jì)算網(wǎng)格為1/6模型(見圖1b)，平均網(wǎng)格大小為0.8 mm，所建模型在上止點(diǎn)時(shí)的網(wǎng)格數(shù)為15 325個(gè)，在下止點(diǎn)時(shí)網(wǎng)格數(shù)為30 400個(gè)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)一維和三維仿真模型

在三維CFD計(jì)算初始條件中，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測缸內(nèi)壓力以及一維仿真模型計(jì)算值，確定進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的初始進(jìn)氣壓力與溫度。燃油機(jī)理選用AVL FIRE中內(nèi)嵌生物柴油與正丁醇簡化機(jī)理。選用連續(xù)性方程、標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型以及能量守恒方程，建立氣體流動(dòng)的CFD模型。由于使用ESE模塊生成的三維動(dòng)態(tài)網(wǎng)格質(zhì)量較好，所以對離散方程選用默認(rèn)的參數(shù)便能保證計(jì)算的正常收斂。

正丁醇的黏度和密度有一定降低，同時(shí)揮發(fā)性均比石化柴油低(見表2)，因此，正丁醇燃油物理特性對霧化特性及其發(fā)展歷程有一定影響。但正丁醇與柴油一樣，同屬液體燃料,且物理特性相對柴油并未發(fā)生根本變化，同時(shí)考慮到生物柴油與正丁醇混合后是多組分混合燃料，因此燃油噴霧的相關(guān)模型在AVL FIRE中選擇設(shè)置如下：燃油蒸發(fā)模型選用Mulit-component模型;燃油破碎模型選用液體燃料廣泛使用的Wave模型(該模型預(yù)測結(jié)果可靠，適用于多噴孔的柴油機(jī))；湍流擴(kuò)散模型選用AVL FIRE的推薦設(shè)置Enable;粒子相互作用模型選用O’Rouke模型，碰壁模型選用walljet模型。

此外，火焰模型選用ECFM-3Z模型，包含預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒，并以擴(kuò)散燃燒為主。著火模型選用Two-stage模型，能夠考慮冷火焰著火和主著火兩階著火過程。對于排放生成，Soot和NO排放模型分別選用Hiroyasu-NSC和Extended Zeldovich+partial equilibrium，所選模型能夠根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，以提高預(yù)測精度。

2.2 計(jì)算工況點(diǎn)與模型的驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)(單級廢氣渦輪增壓)的臺架試驗(yàn),選擇計(jì)算工況點(diǎn)(見表3)。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算工況

為消除不同燃料因低熱值差異而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程差別，在D100，B100和B70N30 3種燃料總熱量相同情況下進(jìn)行計(jì)算，即根據(jù)生物柴油、正丁醇的體積摻混比、密度和低熱值(見表1)計(jì)算后得到與D100的每循環(huán)4.5 mg總能量相同的實(shí)際燃油量。因此，在CFD模型燃料模塊設(shè)置中，實(shí)際D100油量設(shè)置為4.5 mg/循環(huán)，折合計(jì)算得到B100實(shí)際油量為5.02 mg/循環(huán)，B70N30為5.22 mg/循環(huán)。計(jì)算區(qū)域設(shè)置為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻(-127°ATDC)至排氣門開啟時(shí)刻(147°ATDC)之間的區(qū)域。根據(jù)臺架試驗(yàn)與一維模型計(jì)算，確定在海拔2 km無EGR時(shí)的進(jìn)氣初始壓力(進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻)為0.175 MPa，初始溫度為100 ℃。

基于構(gòu)建的三維CFD模型，對試驗(yàn)工況燃用B100和B70N30兩種燃料進(jìn)行模擬計(jì)算，將缸內(nèi)壓力曲線與試驗(yàn)值進(jìn)行對比(見圖2)。從圖中計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比結(jié)果可知，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的重合度總體較好，表明本研究所構(gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)三維CFD模型、初始與邊界條件的設(shè)置均較為準(zhǔn)確，能夠滿足對真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算的要求。

圖2 B100和B70N30缸壓的試驗(yàn)值與計(jì)算值對比

基于上述模型，研究了不同海拔(0 km，2 km和4 km)下大氣氧濃度(見表4)對發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響規(guī)律，不同氧濃度條件的進(jìn)氣組分及其參數(shù)見表5。

表4 大氣環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)隨海拔高度變化的規(guī)律

表5 不同氧濃度條件的進(jìn)氣組分及其組成比例(無EGR)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同海拔大氣氧濃度對含氧燃料排放的影響

圖3和圖4分別示出了不同海拔下柴油機(jī)燃用D100，B100和B70N30 3種燃料NO和Soot的變化曲線。

圖3 進(jìn)氣氧濃度對不同燃料NO排放的影響

圖4 進(jìn)氣氧濃度對不同燃料Soot排放的影響

由圖3可知，隨進(jìn)氣氧濃度的增加，3種燃油的NO排放均大幅增加，且在中、低海拔(大氣氧濃度大于17.8%)時(shí)的增幅更大。這是由于NO的生成條件是“高溫富氧”，隨進(jìn)氣中含氧量的升高，缸內(nèi)高溫富氧區(qū)域增加，NO排放顯著升高。而大氣氧濃度較低(14.6%～17.8%)時(shí)，燃料燃燒不完全，放熱率較低，缸內(nèi)燃燒溫度低，因而NO生成量低；當(dāng)大氣含氧量升高至17.8%以后，缸內(nèi)燃空當(dāng)量比降低，局部富氧高溫區(qū)域增加，導(dǎo)致NO排放量隨氧含量增加而急劇上升。此外，B70N30的NO排放量在任何進(jìn)氣氧濃度下都低于B100。這是因?yàn)檎〈茧m然氧含量比生物柴油高，但是它的汽化潛熱較高，燃燒溫度低，NO生成量比生物柴油低，且其差距隨大氣氧濃度的增加而增大。

圖5示出了不同進(jìn)氣氧濃度下，3種燃料的CO排放變化對比。從圖5可知，隨著缸內(nèi)含氧量的降低，3種燃料的CO排放量由于缺氧而大幅升高。而采用含氧燃料B100和B70N30可有效抑制CO生成。相比B100，正丁醇因汽化潛熱增大會(huì)導(dǎo)致B70N30缸內(nèi)燃燒溫度下降，但其本身更高的含氧量最終導(dǎo)致其CO排放量仍低于B100。

圖5 進(jìn)氣氧濃度對不同燃料CO排放的影響

3.2 高原缺氧環(huán)境下不同含氧燃料排放生成機(jī)理 在大氣氧體積分?jǐn)?shù)為17.8%(對應(yīng)2 km海拔)條件下，針對含氧燃料特性對高原柴油機(jī)的缸內(nèi)重要活性自由基和有害排放產(chǎn)物生成歷程的影響規(guī)律和作用機(jī)理進(jìn)行了模擬研究。

圖6示出了D100，B100和B70N30在進(jìn)氣氧濃度為17.8%時(shí)，缸內(nèi)活性自由基(OH，O)的濃度分布規(guī)律。圖7和圖8分別示出了3種燃料在進(jìn)氣氧濃度為17.8%時(shí)，缸內(nèi)Soot和CO的濃度分布規(guī)律。

圖6 進(jìn)氣氧濃度為17.8%時(shí)，不同燃料缸內(nèi)自由基分布

圖7 進(jìn)氣氧濃度為17.8%時(shí)，不同燃料缸內(nèi)Soot生成

圖8 進(jìn)氣氧濃度為17.8%時(shí)，不同燃料缸內(nèi)CO生成

由圖6、圖7和圖8可知，相比B100，B70N30由于原子氧含量增大，滯燃期延長，缸內(nèi)局部當(dāng)量比降低(尤其在噴霧油束中心區(qū)域)，重要活性基(OH,O)增多，缸內(nèi)Soot和CO生成區(qū)域明顯減少且濃度降低，排放終值同時(shí)下降。從圖8可知，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用D100相比于B100和B70N30雖然滯燃期較長，但含氧燃料內(nèi)部原子氧仍大于D100因滯燃期延遲而增加的混合氣氧含量，其局部高燃空當(dāng)量比區(qū)域較少，OH和O自由基生成量大于D100，Soot的主要生成區(qū)(燃燒室中心、活塞凹坑底部和擠流區(qū)域)面積小，最終導(dǎo)致B100和B70N30炭煙生成量峰值與排放終值較低。中間產(chǎn)物CO向CO2轉(zhuǎn)化主要取決于缸內(nèi)燃燒溫度與當(dāng)量比，其生成與氧化的溫度閾值低于Soot。由圖8還可知，B70N30的CO生成量峰值和排放終值隨燃料含氧量的增加而升高，呈現(xiàn)出與Soot相同的變化規(guī)律。分析認(rèn)為，低氧環(huán)境下使用含氧燃料使不能完全燃燒的低溫區(qū)域減少，CO氧化變強(qiáng)。而D100的滯燃期延長會(huì)使更多燃料噴霧蒸發(fā)擴(kuò)散至靠近缸壁附近的擠流低溫區(qū)域，從而導(dǎo)致CO生成區(qū)域增多。

3.3 EGR率對B70N30排放物生成歷程的影響

研究表明， CO2是EGR中主要成分且對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程影響極大[3,5]。本研究在Fire 初始邊界模塊中設(shè)置進(jìn)氣成分比例，通過降低O2濃度并利用相同體積CO2替代，以此來模擬不同EGR率，研究EGR與含氧燃料耦合對高原低氧環(huán)境下柴油機(jī)工作過程的影響規(guī)律與機(jī)理。模擬EGR率的定義采用以下公式：

圖9示出了進(jìn)氣壓力為0.145 MPa時(shí)(海拔4 km)，不同EGR率(0%，22.8%，45%，初始進(jìn)氣中的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別對應(yīng)為0%，3.4%，7%)對B70N30燃燒峰值溫度出現(xiàn)時(shí)刻缸內(nèi)溫度場的影響規(guī)律。

圖9 EGR率對缸內(nèi)溫度場的影響

由圖9可知，隨EGR率增大，因缸內(nèi)氧濃度下降和比熱容較大的工質(zhì)(CO2)增多，燃燒相位推遲，缸內(nèi)燃燒高溫區(qū)域顯著減少。

圖10示出了EGR率對缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率的影響規(guī)律。圖11至圖14分別示出了不同EGR率對B70N30缸內(nèi)燃空當(dāng)量比分布、活性自由基分布以及NO，Soot與CO生成歷程的影響規(guī)律。

圖10 EGR率對B70N30燃燒過程的影響

由圖10可知，隨EGR率增大，B70N30的滯燃期延長，預(yù)混燃燒增加，燃燒重心后移，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力降低。

由圖11a可知，隨EGR率增大，由于滯燃期延長，燃油蒸發(fā)擴(kuò)散至更大空間，從而導(dǎo)致在進(jìn)氣氧濃度降低時(shí)缸內(nèi)油氣混合更加均勻，局部高燃空當(dāng)量比區(qū)域減少。由圖11b可知，在燃燒開始時(shí)刻，缸內(nèi)OH和O自由基因滯燃期延長、油氣低溫化學(xué)反應(yīng)時(shí)間增加，其生成區(qū)域(集中于噴霧油束擴(kuò)散區(qū)域)隨EGR率增大而增多。但當(dāng)EGR率進(jìn)一步增大時(shí)(如EGR率為45%)，氧濃度和壓縮溫度降低使缸內(nèi)OH和O自由基生成區(qū)域明顯減少。隨燃燒過程發(fā)展，伴隨生成與消耗歷程，OH和O主要分布于活塞凹坑底部沿碰壁處與擠流區(qū)域，其濃度隨EGR率增大而明顯降低。

由圖12可知，B70N30的NO隨EGR率增大顯著降低，在EGR率增至45%時(shí)接近零排放。其主要原因是缸內(nèi)氧濃度和燃燒溫度降低導(dǎo)致高溫(2 200 K以上)富氧區(qū)域大幅減少。

圖11 EGR率對燃空當(dāng)量比和活性基分布的影響

圖12 EGR率對NO生成歷程的影響規(guī)律

由圖13可見，隨EGR率增大，B70N30的Soot生成量峰值增大且出現(xiàn)相位推遲，但其排放終值變化不大。這主要因?yàn)镋GR率增加使著火滯燃期延長，油氣混合更為均勻，Soot生成出現(xiàn)峰值時(shí)刻推遲且此時(shí)刻缸內(nèi)當(dāng)量比減小(見圖11)，加之燃燒溫度降低，適宜其生成的高溫過濃區(qū)域減少(尤其在油束擴(kuò)散區(qū)域較為明顯)。隨著燃燒過程發(fā)展，缸內(nèi)氧濃度和燃燒溫度降低，活性自由基(OH和O)減少，Soot后期氧化變?nèi)酰谏膳c氧化綜合作用下，其排放終值隨EGR率增大變化較小，缸內(nèi)分布區(qū)域及濃度變化不明顯。

圖13 EGR率對Soot生成歷程的影響規(guī)律

由圖14可見，對于CO排放，由于燃燒溫度和氧濃度下降，不完全燃燒的低溫區(qū)域增加使其生成量峰值隨EGR率增加而升高，同時(shí)EGR增加削弱了燃燒后期CO向CO2轉(zhuǎn)化的氧化過程，其生成區(qū)域增多(擴(kuò)散至擠流區(qū)域與氣缸壁面附近區(qū)域)且排放濃度升高，導(dǎo)致其排放終值隨EGR率增大而顯著升高。

圖14 EGR率對CO生成歷程的影響規(guī)律

4 結(jié)論

a) 隨海拔大氣氧體積濃度的降低，柴油機(jī)燃用不同燃料時(shí)的NO都呈快速降低趨勢，但炭煙和CO排放同時(shí)升高，且增幅隨大氣氧濃度的減小而越加明顯；

b) 相比D100，B100和B70N30缸內(nèi)局部當(dāng)量比降低，活性自由基濃度及缸內(nèi)分布區(qū)域增大，從而導(dǎo)致NO排放升高，但同時(shí)使CO生成量峰值減小，Soot和CO缸內(nèi)分布區(qū)域及排放終值都隨大氣氧濃度的降低而顯著減少；

c) 相比B100，B70N30因汽化潛熱增大，其NO排放降低，但原子氧的增加導(dǎo)致Soot和CO排放同時(shí)降低，尤其在低氧濃度條件(低于17.8%)下更為明顯；

d) 對于B70N30，隨EGR率增大，NO大幅度降低，CO顯著升高；同時(shí)，Soot排放比無EGR時(shí)雖有增加，但是變化較小。

[1] 周廣猛,劉瑞林,董素榮,等.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究綜述[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2013(4):1-5.

[2] 陳貴升,沈穎剛,蘭洋,等.不同海拔下直噴式柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)的性能研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2009(6):16-20.

[3] Sarangi A K,McTaggart-Cowan G P,Garner C P.The effects of intake pressure on high EGR low temperature diesel engine combustion[C].SAE Paper 2010-10-25.

[4] 蘇萬華,趙華,王建昕,等.均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[5] 張韋,舒歌群,韓睿,等.高比率冷EGR與進(jìn)氣富氧對柴油機(jī)燃燒及排放特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2011,32(4):12-16.

[6] Valentino G,Corcione F E,Iannuzzi S E,et al.Experimental study on performance and emissions of a high speed diesel engine fuelled with n-butanol diesel blends under premixed low temperature combustion[J].Fuel,2012,92(1):295-307.

[7] Song J,Alam M,Boehman A L,et al.Examination of the oxidation behavior of biodiesel soot[J].Combustion and flame,2006,146(4):589-604.

[8] Soloiu V,Duggan M,Ochieng H，et al.Premixed Charge of n-Butanol Coupled with Direct Injection of Biodiesel for an Advantageous Soot-NOxTrade-Off[C].SAE Paper 2013-04-08.

[9] Jin C,Yao MF,Liu HF,et al.Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel[J].Renew Sustain Energ Rev,2011,15:4080-4106.

[10] Saisirirat P,Foucher F,Chanchaona S C,et al.Effects of Ethanol,n-Butanol-n-Heptane Blended on Low Temperature Heat Release and HRR Phasing in Diesel-HCCI[C].SAE Paper 2009-09-13.

[11] Liu H F,Lee C F,Huo M,et al.Comparison of Ethanol and Butanol as Additives in Soybean Biodiesel Using a Constant Volume Combustion Chamber[J].Energy Fuels,2011,25:1837-1846.

[12] H An,W M Yang,A Maghbouli,et al.Performance combustion and emission characteristics of biodiesel derived from waste cooking oils[J].Applied Energy,2013,113:493-499.

[13] 陳暉,黃豪中,梁源飛,等.柴油-生物柴油混合燃燒對碳煙排放的影響[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,36(6):934-939.

[14] Hu Wang,Rolf Deneys Reitz,Mingfa Yao,et al.Development of an n-heptane-n-butanol-PAH mechanism and its application for combustion and soot prediction[J].Combustion and Flame,2013,160:504-519.

[15] Chen Z,Wu Z,Liu J,et al.Combustion and emissions characteristics of high n-butanol/B0 ratio blend in a heavy-duty engine[J].Energy Conversion and Management,2014,78:787-795.

[編輯： 姜曉博]

Influence of Oxygen-enriched Fuel on Diesel Engine Working Process under Hypoxia Condition at Plateau

LONG Jiaqing1, CHEN Guisheng2, SHEN Yinggang2, CHEN Chunlin2, LI Weidong2

(1. Liu Zhou Vocational & Technical College, Liuzhou 545005， China； 2. KunMing University of Science and Technology, Key Laboratory of Internal Combustion Engine of YunNan Province, Kunming 650500， China)

A 3D CFD model of common rail diesel engine fueled with B100 pure bio-diesel and B70N30 blended fuel composed of 70% bio-diesel and 30% butanol was built according to the bench test and engine structure and was further verified. With the model, the influences of oxygen concentration at different altitudes on working process of engine fueled with different oxygen-enriched fuels were researched and the influence mechanism of B70N30 and EGR was further analyzed. The results showed that the in-cylinder local equivalence ratio of B100 and B70N30 was lower and the concentration and distribution area of OH and O active free radicals were larger compared with D100 pure diesel fuel. Consequently, the NO emission increased, the peak value of CO production decreased and the in-cylinder distribution area and final emission of soot and CO decreased obviously with the decrease of oxygen concentration. Compared with B100, the NO emission of B70N30 decreased due to the increase of gasification latent heat and the soot and CO emission decreased simultaneously due to the increase of atomic oxygen. Besides, the NO emission decreased greatly, the CO emission increased significantly and the soot emission kept nearly unchanged due to the prolonging of ignition delay with the increase of EGR rate when B70N30 was fueled.

plateau; bio-diesel； butanol; working process; numerical simulation

2015-10-28；

2015-11-23

國家自然科學(xué)基金(51366007)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目(2013FD10019)

龍佳慶(1983—)，女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放；taoran_long@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.010

U473.19

B

1001-2222(2016)02-0050-08