生物柴油發(fā)動機(jī)燃燒和排放的數(shù)值模擬

黃昭明，蘇 葒，王 利

(1.河海大學(xué)文天學(xué)院機(jī)械工程系，安徽馬鞍山243031；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；3.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，安徽宣城242000)

生物柴油發(fā)動機(jī)燃燒和排放的數(shù)值模擬

黃昭明1，蘇 葒2，王 利3

(1.河海大學(xué)文天學(xué)院機(jī)械工程系，安徽馬鞍山243031；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；3.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，安徽宣城242000)

針對一款輕卡用立式、直列、水冷、四沖程、電控直噴、高壓共軌、帶廢氣旁通閥的渦輪增壓中冷柴油機(jī)，采用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件AVL-FIRE和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒的三維仿真模型，對生物柴油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒、排放物形成以及廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)率對其排放的影響進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：相比于純柴油，生物柴油滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)提前，缸內(nèi)爆發(fā)壓力曲線整體前移，燃燒持續(xù)期略延長；相比于純柴油發(fā)動機(jī)，生物柴油發(fā)動機(jī)碳煙(soot)排放量明顯降低，氮氧化物(NOx)排放略有上升；在不明顯影響soot排放量的條件下EGR能顯著降低生物柴油發(fā)動機(jī)NOx排放，表明生物柴油發(fā)動機(jī)對EGR的容忍度增強(qiáng)。

燃燒過程；仿真；生物柴油發(fā)動機(jī)；排放物形成；廢氣再循環(huán)率

實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)節(jié)能減排和能源供應(yīng)多元化一直是研究的熱點(diǎn)。生物柴油燃料中所含的氧元素，一方面能夠促進(jìn)發(fā)動機(jī)的燃燒，優(yōu)化發(fā)動機(jī)的燃燒過程，從而提升發(fā)動機(jī)的熱效率，達(dá)到提升能源利用率的目標(biāo)[1-2]；另一方面能夠增強(qiáng)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中的化學(xué)氧氛圍，使發(fā)動機(jī)燃燒過程中的污染物生成量降低，進(jìn)而減少發(fā)動機(jī)排氣中的碳煙有害污染物成分，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)顆粒物減排的目標(biāo)。

近年來，通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)對柴油機(jī)燃用生物柴油的性能進(jìn)行了大量研究[3-6]，主要是針對生物柴油發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性，結(jié)果表明柴油機(jī)燃用生物柴油燃料時經(jīng)濟(jì)性獲得改善，碳煙(soot)排放明顯減少，而NOx排放物略有升高。對于生物柴油發(fā)動機(jī)NOx排放的模擬研究也有相關(guān)報道[3]，結(jié)果表明生物柴油的燃燒火焰溫度高于純柴油，有利于NOx的生成。然而，采用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件AVL-FIRE和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從燃燒的角度探討生物柴油發(fā)動機(jī)性能的研究相對較少。本文針對一款燃用生物柴油的廢氣渦輪增壓柴油機(jī)，采用CFD軟件建立缸內(nèi)燃燒過程的三維仿真模型，對soot、NOx排放量和缸內(nèi)燃燒進(jìn)行研究，以探索生物柴油對柴油機(jī)燃燒過程與排放性能影響的關(guān)系。

1 三維燃燒模型的建立

1.1 研究樣機(jī)

研究樣機(jī)為一款輕卡用立式、直列、水冷、四沖程、電控直噴、高壓共軌、帶廢氣旁通閥的渦輪增壓中冷柴油機(jī)。該發(fā)動機(jī)的燃燒室為ω型，發(fā)火次序?yàn)?-3-4-2。其主要性能參數(shù)見表1。

1.2 燃燒室面網(wǎng)格的生成

采用奧地利AVL公司研究開發(fā)的CFD軟件AVL-FIRE，建立發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒的三維仿真模型。將AVL-FIRE軟件的CAD 2D Sketcher模塊繪制的柴油機(jī)燃燒室剖面圖導(dǎo)入AVL-FIRE CFD Workflow Manager模塊，應(yīng)用2D Meshing工具生成燃燒室的面網(wǎng)格，如圖1，2。

表1 研究樣機(jī)主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of research engine

圖1 柴油機(jī)燃燒室示意圖Fig.1 Sketch of diesel engine combustion chamber

圖2 柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格Fig.2 Structural surface mesh of diesel engine combustion chamber

1.3 燃燒室動體網(wǎng)格的生成

在生成燃燒室面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CFD Workflow Manager模塊的Rotate和Enlarge工具，生成柴油機(jī)燃燒室四、六面體混合網(wǎng)格和燃燒室動體網(wǎng)格，如圖3，4。該型柴油機(jī)使用的是6孔噴油器，因此只對柴油機(jī)1/6燃燒室扇區(qū)進(jìn)行計算。

圖3 燃燒室四、六面體混合網(wǎng)格Fig.3 Tetrahedral and hexahedron meshes of combustion chamber

圖4 燃燒室動體網(wǎng)格Fig.4 Moving meshes of combustion chamber

1.4 噴油過程模型

根據(jù)柴油機(jī)進(jìn)排氣門關(guān)閉和開啟的時刻，確定燃燒過程的計算曲軸轉(zhuǎn)角區(qū)間為-128°～115°。初始條件假設(shè)缸內(nèi)壓力和溫度均勻；溫度邊界采用恒溫邊界，取燃燒室壁面、氣缸套壁面、氣缸蓋壁面的平均溫度。仿真過程中燃油噴射過程示意圖如圖5。同時，確定柴油機(jī)燃燒室三維仿真的標(biāo)定參數(shù)為缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。

1.5 三維模型標(biāo)定

圖6為柴油機(jī)發(fā)動機(jī)在2 400 r/min全負(fù)荷、不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)壓力仿真與試驗(yàn)結(jié)果。由圖6可以看出，三維仿真的缸內(nèi)壓力與試驗(yàn)所測的爆發(fā)壓力曲線較吻合，誤差均在5%以內(nèi)。由此表明，模型仿真精度較高，采用該模型可以進(jìn)行后續(xù)生物柴油發(fā)動機(jī)燃燒過程的仿真研究。

圖5 柴油機(jī)噴油過程示意圖Fig.5 Sketch of diesel engine fuel injection process

2 生物柴油發(fā)動機(jī)燃燒過程仿真

2.1 缸內(nèi)爆發(fā)壓力

圖7為2 400 r/min全負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)燃用生物柴油時的仿真缸內(nèi)壓力爆發(fā)曲線和純柴油試驗(yàn)缸內(nèi)爆發(fā)壓力曲線。發(fā)動機(jī)燃料燃燒90%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒持續(xù)期，可由缸壓曲線進(jìn)行仿真[6-7]。對比圖6，7可以看出：生物柴油的燃燒持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為81°，純柴油的燃燒持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為78°，可見生物柴油燃燒持續(xù)期長于純柴油；相比較于純柴油，生物柴油缸壓曲線整體向前偏移，且最高爆發(fā)壓力略有下降。

圖6 柴油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力仿真與試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test and calculation results of cylinder pressure

圖7 燃用生物柴油和純柴油缸內(nèi)爆發(fā)壓力對比Fig.7 Comparison of fire pressure between biodiesel and pure diesel

圖8 曲軸轉(zhuǎn)角380°時缸內(nèi)溫度場分布Fig.8 Cylinder temperature distribution at 380°crank angle

文獻(xiàn)[8-9]研究表明，生物柴油的十六烷值高于柴油，滯燃期較純柴油短，燃燒始點(diǎn)提前，所以缸壓升高提前。而生物柴油滯燃期短，造成形成的預(yù)混混合氣較少，燃燒速度變慢，所以最高爆發(fā)壓力下降。

2.2 缸內(nèi)排放

為探討生物柴油發(fā)動機(jī)排放物的變化規(guī)律，給出生物柴油發(fā)動機(jī)的燃燒溫度分布，如圖8。從圖8可看出，生物柴油燃燒溫度超過2 400 K，高于純柴油發(fā)動機(jī)的2 200 K燃燒溫度，這對NOx和soot生成會產(chǎn)生影響。圖9為生物柴油發(fā)動機(jī)在2 400 r/min全負(fù)荷工況、380°曲軸轉(zhuǎn)角下NOx生成的濃度場分布。圖8，9表明，相應(yīng)條件下，燃燒室中NOx生成量最多的位置對應(yīng)缸內(nèi)最高的燃燒溫度，NOx生成的條件是高溫、富氧、高溫持續(xù)時間，故高的燃燒溫度導(dǎo)致大量NOx的生成。對燃燒室中NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行積分平均，通過FIRE軟件后處理計算可得出NOx在排氣中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.828 g/kg。

生物柴油發(fā)動機(jī)NOx在排氣中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)與比排放量的關(guān)系可由式(1)表示。

式中：m(NOx)為NOx的比排放量，g/(kW·h)；為NOx在排氣中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)；qmexh為排氣的質(zhì)量流量，2 400 r/min全負(fù)荷工況下為600.4 kg/h；Pe為有效功率，2 400 r/min全負(fù)荷工況下為66.2 kW。

圖9 曲軸轉(zhuǎn)角380°時缸內(nèi)NOx生成濃度場分布Fig.9 Cylinder NOxconcentration distribution at 380°crank angle

通過試驗(yàn)，測試柴油發(fā)動機(jī)NOx排放的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為773.66×10-6，需換算成比排放量，柴油機(jī)NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)、排放量與NOx質(zhì)量流量的關(guān)系可用式(2)表示[10]

由式(1)換算三維仿真的NOx在2 400 r/min全負(fù)荷工況下比排放量為7.51 g/(kW·h)，由式(2)換算柴油發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測得的NOx在2 400 r/min全負(fù)荷工況下排放量為7.02 g/(kW·h)，與純柴油發(fā)動機(jī)相比，生物柴油發(fā)動機(jī)在該工況下NOx排放量上升幅度約為7%，表明在2 400 r/min全負(fù)荷工況下，生物柴油發(fā)動機(jī)NOx排放相比純柴油略有上升。

圖10 380°曲軸轉(zhuǎn)角時缸內(nèi)soot生成濃度場分布Fig.10 Cylinder soot concentration distribution at 380°crank angle

圖10 給出了生物柴油發(fā)動機(jī)在2 400 r/min全負(fù)荷工況下，在給定曲軸轉(zhuǎn)角的soot生成濃度場分布，燃燒室中高溫缺氧區(qū)域?qū)е聅oot的大量生成。對燃燒室中的soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行積分平均，通過FIRE軟件后處理計算可得出soot在排氣中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.4 mg/kg。soot在排氣中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)與比排放量的關(guān)系可用式(3)表示

式中：m(soot)為soot的比排放量，g/(kW·h)；w(soot)為soot在排氣中平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。柴油發(fā)動機(jī)soot測試采用濾紙式煙度計，該污染度定義為濾紙煙度FSN，F(xiàn)SN需換算成比排放量。對于AVL濾紙式煙度計，其soot排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)和FSN的轉(zhuǎn)換關(guān)系[11]可表示為

其中ρexh為排氣的質(zhì)量濃度，kg/m3。

運(yùn)用式(3)換算三維仿真的soot在2 400 r/min全負(fù)荷工況下的比排放量為0.049 g/(kW·h)，運(yùn)用式(4)換算柴油發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測得的soot在2 400 r/min全負(fù)荷工況下的比排放量，為0.060 g/(kW·h)，與柴油發(fā)動機(jī)相比，生物柴油發(fā)動機(jī)在該工況下的soot比排放量下降幅度約為18%，說明生物柴油發(fā)動機(jī)soot排放量相比于純柴油大幅下降。

綜上分析認(rèn)為，生物柴油與柴油的理化差異較大是造成排放變化的主要原因。生物柴油十六烷值高于柴油，燃燒始點(diǎn)提前，使得最高燃燒溫度有所上升，因此NOx排放略有增加；而生物柴油含有氧元素，能夠在燃燒過程中營造氧氛圍，保持碳和氧相結(jié)合，使得碳核不易形成，因此soot排放較大幅度下降。

2.3 EGR率對生物柴油發(fā)動機(jī)排放的影響

采用建立的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)三維仿真燃燒模型，計算生物柴油發(fā)動機(jī)在2 400 r/min全負(fù)荷工況下EGR率為5%，10%，15%，18%，20%時，NOx和soot的生成量，研究EGR率對生物柴油發(fā)動機(jī)排放的影響[12-15]，結(jié)果如圖11，12。

圖11 NOx排放隨EGR率的變化曲線Fig.11 Variation curve of NOxemission with EGR rate

圖12 soot排放隨EGR率的變化曲線Fig.12 Variation curve of soot emission with EGR rate

從圖11，12可以看出，隨著生物柴油發(fā)動機(jī)EGR率的增大，NOx呈持續(xù)下降的趨勢，而soot則呈先增加后下降的趨勢。當(dāng)EGR率從0%增加到15%時，NOx的比排放量急劇下降，EGR率在10%～15%區(qū)間NOx的比排放量下降較慢；而soot在EGR率0%～15%范圍變化較為平坦，近似于線性增加；當(dāng)EGR率從15%增大到20%時，NOx和soot排放量均呈急劇下降的趨勢。

綜上分析認(rèn)為：EGR剛介入生物柴油發(fā)動機(jī)燃燒過程時，對燃燒非常敏感，燃燒溫度降低，NOx排放急劇下降，隨著EGR率的持續(xù)增加(5%～15%)，燃燒對EGR的敏感性降低，NOx排放下降較慢；EGR影響缸內(nèi)的氧分壓和最高燃燒溫度，二者共同作用導(dǎo)致soot排放增加；隨著EGR率進(jìn)一步增加(15%～20%)，缸內(nèi)再循環(huán)廢氣大幅增加，燃燒過程急劇變差，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，燃燒不穩(wěn)定性增加，燃燒溫度急劇下降，導(dǎo)致NOx和soot排放同時大幅下降，此時由于過大的EGR率，缸內(nèi)出現(xiàn)了不正常的燃燒。

生物柴油發(fā)動機(jī)EGR率從0%增加至15%時，NOx比排放量從7.51 g/(kW·h)下降至4.78 g/(kW·h)，下降幅度約為36%，而soot僅從0.049 g/(kW·h)上升至0.053 g/(kW·h)，上升幅度約為9%，說明生物柴油發(fā)動機(jī)對EGR有較好的容忍度，這主要是由于生物柴油含氧的因素所致。

3 結(jié) 論

1)柴油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)爆發(fā)壓力仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用CFD軟件AVL-FIRE軟件建立的發(fā)動機(jī)三維仿真燃燒模型能夠準(zhǔn)確模擬缸內(nèi)燃燒過程。

2)生物柴油的燃燒始點(diǎn)較純柴油提前，滯燃期縮短，最高燃燒溫度下降，燃燒持續(xù)期略有延長。

3)生物柴油發(fā)動機(jī)的NOx排放量略有上升，而soot排放大幅度下降。

4)生物柴油發(fā)動機(jī)對EGR有良好的容忍度，采用高EGR率可降低NOx的排放，但soot排放沒有大幅度增加。

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責(zé)任編輯：何莉

Numerical Simulation for Combustion and Emission of an Engine Fueled with Biodiesel

HUANG Zhaoming1,SU Hong2,WANG Li3
(1.Department of Mechanical Engineering,Hehai University Wentian College,Ma'anshan 243031,China; 2.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China;3.Department of MechineryandAutomobileEngineering,XuanchengVocational&TechnicalCollege,Xuancheng242000,China)

For a vertical,straight,water cooled,four stroke,electronically controlled direct injection,high pressure common rail,high pressure common rail,and high pressure diesel engine with exhaust gas hypass valve,threedimensional combustion process simulation models were established with the method of combining computational fluid dynamics(CFD)software AVL-FIRE and experiment.Effects of combustion process,emission formation and exhaust gas recirculation(EGR)rate on the emission of biodiesel engine were simulated.The results show that compared with pure diesel oil,biodiesel combustion has a shorter ignition delay and earlier ignition,cylinder pressure curve ahead,and the combustion duration is slightly longer;compared with the pure diesel engine,the biodiesel engine soot emissions are significantly lower,and the nitrogen oxides(NOx)emissions increase slightly; EGR can significantly reduce NOxemissions of biodiesel engine under the condition of no significant impact on soot emission,which indicates that the biodiesel engine can enhance the tolerance of EGR.

combustion process;simulation;biodiesel engine;emission formation;exhaust gas recirculation rate

TK 421

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.03.013

2015-05-18

黃昭明(1981-)，男，江蘇高淳人，講師，主要研究方向?yàn)槠嚞F(xiàn)代設(shè)計理論與方法。

1671-7872(2016)03-0266-06