一種含氧混合燃料燃燒及排放數(shù)值仿真研究

王憲成， 李若亭， 孫志新， 馬 寧， 胡俊彪

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 總裝備部車船軍代局駐西安軍代室， 陜西 西安 710043)

一種含氧混合燃料燃燒及排放數(shù)值仿真研究

王憲成1， 李若亭1， 孫志新1， 馬 寧1， 胡俊彪2

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 總裝備部車船軍代局駐西安軍代室， 陜西 西安 710043)

針對車輛燃油機燃用含氧燃料的燃燒、排放以及發(fā)動機適應性的問題，基于CFD軟件建立了柴油機燃用柴油和B20D10(70%柴油+20%生物柴油+10%DMC)含氧燃料的數(shù)值仿真模型，計算了柴油機噴油提前角和最大供油量對含氧燃料動力性以及排放特性的影響，結(jié)果表明：柴油機燃用含氧混合燃料時，其缸內(nèi)燃燒溫度低，NOx的生成時刻晚，碳煙排放明顯降低；增加柴油機噴油提前角，柴油機的動力性提高，碳煙排放減少，但是柴油機的機械負荷以及NOx排放惡化；通過增加極限噴油量的方法可以解決含氧燃料功率下降的問題，極限供油量增大10%后，柴油機最大功率比原機燃用柴油提高了4%，同時能降低40%的碳煙排放量。

含氧燃料；燃燒；排放；數(shù)值仿真

隨著世界范圍內(nèi)能源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，車輛代用燃料已成為新型能源研究的一大熱點[1-3]。由于含氧燃料在柴油機燃燒過程中具有自供氧功能，可以增加混合氣中的氧濃度，縮短燃燒持續(xù)期，提高熱效率[4-8]，因此，摻混部分含氧燃料作為車輛柴油機代用燃料是應對能源短缺的有效措施。目前，國內(nèi)外學者[9-12]主要通過實驗方法研究含氧代用燃料的燃燒和排放特性，存在周期較長且實驗成本較高等諸多問題。隨著計算機技術及柴油機計算燃燒模型的發(fā)展，近年來數(shù)值計算被廣泛應用于柴油機缸內(nèi)燃燒及其工作過程仿真。國外學者Kidoguchi等[13]建立數(shù)值模型對高擠流燃燒室的排放進行了仿真計算，Song等[14]建立三維CFD模型研究了直噴式HCCI柴油機的燃燒特性；在國內(nèi)，湯東等[15]利用三維數(shù)值計算方法研究了柴油機摻燒生物柴油的NOx和碳煙排放，施愛平等[16]對YD490ZL 型柴油機進氣、壓縮、燃燒過程進行了多維瞬態(tài)數(shù)值模擬。然而，目前國內(nèi)外有關柴油機三維數(shù)值仿真的研究多限于發(fā)動機的燃燒及排放特性，尚無針對柴油機燃用含氧燃料發(fā)動機適應性的計算研究。

鑒于此，筆者利用CFD軟件AVL_Fire[17]，建立柴油機燃燒的三維數(shù)值仿真模型，模擬全負荷工況條件下柴油和B20D10(70%柴油+20%生物柴油+10%DMC)含氧燃料的混合氣形成、燃燒和排放過程，分析研究含氧燃料對柴油機燃燒過程的影響，為研究柴油機代用燃料提供依據(jù)。

1 柴油機工作過程數(shù)值仿真建模

1.1 數(shù)學模型

柴油機工作過程中，氣缸內(nèi)噴霧、混合氣形成和燃燒過程十分復雜，具有非均質(zhì)、強湍流和非定常等特點，其燃油噴射、蒸發(fā)霧化過程也較為復雜，為典型的氣液兩相流交互過程[18-19]。為使質(zhì)量方程、動量方程以及能量方程等基礎方程封閉，計算過程中需建立缸內(nèi)工作過程的數(shù)學模型。本文所選用的數(shù)學模型如表1所示。

表1 數(shù)學模型

1.2 初始條件

本文數(shù)值仿真模型基于12缸150增壓柴油機建立，柴油機燃燒室的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 燃燒室主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了縮短計算時間，模擬仿真上止點前60 °CA到上止點后60 °CA范圍內(nèi)的結(jié)果，其中：計算時間步長在噴霧與燃燒附近上止點前后20 °CA內(nèi)采用0.5 °CA加密，其余步長設置為1 °CA。將扇形體周向相對的兩面定義為循環(huán)邊界，將其余邊界定義為固壁邊界，其邊界條件設定如表3所示。

表3 邊界條件設定 K

柴油機燃燒系統(tǒng)采用軸對稱布置，為了提高計算效率，根據(jù)噴油器孔數(shù)(8孔)選取1/8扇形燃燒室作為計算區(qū)域。圖1為柴油機燃燒室三維網(wǎng)格圖，計算初始時刻的網(wǎng)格劃分為10 060個單元。

圖1 柴油機燃燒室三維計算網(wǎng)格

1.3 三維計算模型驗證

為了驗證模型的正確性，以轉(zhuǎn)速2 000 r/min外特性工況點為計算工況點，對比柴油機燃用柴油缸內(nèi)壓力的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果，如圖2所示。

圖2 缸內(nèi)壓力曲線的實驗結(jié)果和模擬結(jié)果

由圖2可見：模擬結(jié)果與柴油機實驗缸內(nèi)壓力曲線基本一致，其誤差在3%以內(nèi)。引起誤差的主要原因是：模擬計算中采用的是shell單步放熱模型，放熱速度比實際要快[20]，產(chǎn)生最大爆發(fā)壓力比實驗值高?？傮w來說，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

2 含氧燃料燃燒及排放特性分析

以轉(zhuǎn)速2 000 r/min外特性工況點為計算工況點，對柴油機燃用柴油及含氧混合燃料燃燒及排放特性進行對比分析。

2.1 燃燒特性分析

圖3為氣缸內(nèi)混合氣體形成各歷程的濃度分布模擬結(jié)果，其中，噴油時刻所對應柴油機的曲軸轉(zhuǎn)角為704 °CA。可以看出：柴油和含氧燃料均經(jīng)歷了噴霧、碰壁和蒸發(fā)等過程；但由于含氧燃料的黏度與柴油相比有所降低，且初始粒徑分布也更細，其噴射貫穿距離相比柴油要小[21]。

圖4為缸內(nèi)溫度場分布，可以看出：1)燃油噴射后，局部區(qū)域溫度下降，這是因為燃油蒸發(fā)過程中會吸收熱量；2)缸內(nèi)著火首先發(fā)生在噴霧的邊緣部分，因為這部分混合氣最先蒸發(fā)，并且濃度比較合適，滯燃期最短，隨后燃燒擴散到其他區(qū)域，缸內(nèi)整體溫度升高；3)燃燒過程中，含氧燃料的燃燒溫度要比柴油低，這是由于含氧燃料的低熱值小于柴油的低熱值，因此，相同質(zhì)量的含氧燃料燃燒的絕熱溫度相對柴油要低。

圖3 混合氣體濃度分布

圖4 缸內(nèi)溫度場分布

2.2 排放特性分析

圖5所示為缸內(nèi)NOx的生成歷程，可以看出：1)缸內(nèi)混合氣體在740 °CA以前，基本無NOx生成，只有在燃燒的后期，缸內(nèi)溫度較高時才出現(xiàn)NOx的排放；2)含氧燃料燃燒溫度較低，其NOx排放也比柴油燃燒的排放要低。

圖5 缸內(nèi)NOx生成歷程

圖6為缸內(nèi)碳煙排放的生成歷程，可以看出：1)燃油噴射后，在空燃比很濃的區(qū)域即有部分碳煙生成，而隨著溫度的升高，這部分碳煙又會被空氣氧化[22]；2)含氧燃料的碳煙生成比柴油要少，這主要是因為含氧燃料本身具有含氧成分，當量比濃度要比柴油低，碳煙的生成更難。

圖6 缸內(nèi)碳煙生成歷程

3 噴油提前角與供油量調(diào)整計算分析

為了提高燃料適應性，柴油機燃用含氧混合燃料時，應相應調(diào)整噴油提前角。但目前臺架實驗所用柴油機的噴油提前角調(diào)整難度大，且精度很難保證，因此，利用建立的含氧燃料燃燒模型對噴油提前角進行模擬調(diào)整，可以分析噴油提前角與噴油量調(diào)整對含氧燃料應用于柴油機的性能改變的影響。

3.1 噴油提前角調(diào)整分析

以最大扭矩轉(zhuǎn)速1 400 r/min的外特性工況點為計算工況點，原機噴油時刻為上止點前19 °CA，循環(huán)噴油量為207 mg。將噴油提前角在-25～-10 °CA范圍內(nèi)變化，研究含氧燃料的燃燒和排放情況。缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率隨噴油提前角的變化規(guī)律見圖7。

圖7 缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率隨噴油提前角的變化規(guī)律

由圖7可知噴油提前角對柴油機的性能有較大影響：1)當噴油提前角由原機的-19 °CA分別增大到-22、-25 °CA時，缸內(nèi)燃燒壓力峰值由8.28 MPa相應提高到8.83、9.30 MPa，分別增加了6.64%、12.32%，缸內(nèi)燃燒放熱率峰值由71.79 J/°CA相應提高到73.20、79.01 J/°CA，分別提高了1.96%、10.06%,這是因為噴油提前角的增大使滯燃期延長，滯燃期內(nèi)噴入的燃油量大，從而導致初始放熱量增大，柴油機的機械負荷增大；2)當噴油提前角由-19 °CA分別減小為-15、-10 °CA時，缸內(nèi)燃燒壓力峰值分別降低了7.37%、21.01%,缸內(nèi)燃燒放熱率峰值分別降低了9.35%、23.01%，對應的曲軸轉(zhuǎn)角也相應推遲。

圖8為柴油機扭矩隨噴油提前角的變化規(guī)律，可以看出：1)噴油提前角為-22、-25 °CA時，最大扭矩分別比原機增加了3.05%、6.10%；2)當噴油提前角減小為-15、-10 °CA時，最大扭矩分別降低了3.39%、10.04%；3)隨著噴油提前角減小，燃燒持續(xù)期延長，做功能力下降，功率有所損失。

圖8 柴油機扭矩隨噴油提前角的變化規(guī)律

圖9為NOx以及碳煙排放隨噴油提前角的變化規(guī)律，可以看出：1)隨著噴油提前角的增大，NOx排放逐漸增加，而碳煙排放逐漸減少，兩者呈現(xiàn)出此消彼長的規(guī)律，這主要是因為噴油時刻的提前使滯燃期延長，燃油有更多的時間混合蒸發(fā)，混合氣更加均勻，著火后，混合氣燃燒溫度增加，更適合于NOx的生成，同時，由于局部濃區(qū)的范圍減小，碳煙的生成區(qū)域減少，柴油機NOx與碳煙排放這種此消彼長的規(guī)律使得在缸內(nèi)難以同時降低兩者的排放量；2)當噴油提前角由-22 °CA減小到-10° CA時，NOx排放由1 191×10-6降低至650×10-6，碳煙由1 005×10-6增加至1 370×10-6。

圖9 NOx和碳煙排放隨噴油提前角的變化規(guī)律

由上述分析可得：1)車輛柴油機燃用含氧混合燃料，在一定的工況下存在著最優(yōu)噴油提前角；2)最優(yōu)噴油提前角取決于柴油機的動力性、機械負荷以及排放等綜合指標的選擇；3)加大噴油提前角，柴油機的動力性提高，碳煙排放減少，柴油機的機械負荷以及NOx排放惡化。因此，噴油提前角應在-25～-15 °CA范圍內(nèi)。為確保動力性、經(jīng)濟性和降低碳煙排放的效果，噴油提前角可保持不變(上止點前19 °CA)或略有提前。

3.2 供油量調(diào)整計算分析

摻混含氧燃料后，由于燃料的低熱值比柴油低，相同噴油量情況下的柴油機動力性下降，因此，可以通過增加極限噴油量來彌補功率損失。實驗用柴油機額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，則選取此時的外特性工況點為計算工況點，分別模擬極限噴油量增加5%和10%后，柴油機的動力恢復情況以及排放性能的變化。

圖10為柴油機扭矩隨極限噴油量的變化規(guī)律，可以看出：極限噴油量增加10%，柴油機扭矩已達2 650 N·m，與原機燃用柴油時相比增加了約4%，完全滿足柴油機的動力性需求。

圖10 柴油機扭矩隨極限噴油量的變化規(guī)律

圖11為NOx以及碳煙排放隨極限噴油量的變化規(guī)律，可以看出：1)NOx排放隨著極限噴油量的增加而顯著增加，但碳煙排放增加比較少，這是由于NOx生成主要受燃燒溫度影響，隨著極限噴油量增加，缸內(nèi)燃燒溫度相應增加，因此NOx排放量增加；2)碳煙排放主要與混合氣的濃度有關，含氧燃料本身含氧，因此，碳煙的生成對混合氣濃度的敏感性下降，碳煙增加并不多；3)極限噴油量增加10%后，碳煙排放增加了8%左右，但仍比原機燃用柴油時下降了40%。因此，通過增加極限噴油量的方式可以解決含氧燃料功率下降的問題，同時保證降低碳煙排放的效果。

圖11 NOx和碳煙排放隨極限噴油量的變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文通過建立數(shù)值仿真模型，模擬了全負荷工況下的柴油和B20D10的混合氣形成、燃燒和排放過程，研究了含氧燃料對柴油機燃燒過程的影響。主要結(jié)論如下。

1) 柴油機燃用含氧混合燃料與燃用柴油相比，缸內(nèi)燃燒溫度低，NOx的生成時刻晚，碳煙排放明顯減少。

2) 對噴油提前角的調(diào)整進行模擬研究，結(jié)果表明：加大噴油提前角，柴油機的動力性提高，碳煙排放減少，但是柴油機的機械負荷以及NOx排放惡化。噴油提前角應在-25～-15 °CA范圍內(nèi)，為確保動力性和降低碳煙排放的效果，噴油提前角可保持不變(上止點前19 °CA)或略有提前。

3) 模擬了柴油機極限供油量的調(diào)整。結(jié)果表明：通過增加極限噴油量的方法可以解決含氧燃料功率下降的問題，極限供油量增大10%后，柴油機最大功率比原機燃用柴油提高4%，同時能降低40%的碳煙排放量。

[1] Lapurta M, Fernandez R J, Oliva F, et al. Biodiesel from Low-grade Animal Fats: Diesel Engine Performance and Emissions[J]. Energy & Fuels, 2009, 23(1): 121-129.

[2] Lee C S, Park S W, Kwon S I. An Experimental Study on the Atomization and Combustion Characteristics of Biodiesel-blended Fuels[J]. Energy & Fuels, 2005, 19(1):2201-2208.

[3] Sensoz S, Kaynar I. Bio-oil Production from Soybean (Glycine max L): Fuel Properties of Bio-oil[J]. Industrial Crops and Products, 2006, 23(1):99-105.

[4] 袁銀南，張?zhí)?，梅德清，? 直噴式柴油機燃用生物柴油燃燒特性研究[J]. 內(nèi)燃機學報，2007, 25(1):43-46.

[5] 解茂昭. 內(nèi)燃機計算燃燒學[M]. 大連: 大連理工大學出版社, 2005.

[6] Dec J E. Advance Compression-ignition Engines-understanding the In-cylinder Processes[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(2): 2727-2742.

[7] Tompkin B T, Song H, Bittle J, et al. Biodiesel Later-phased Low Temperature Combustion Ignition and Burn Rate Behavior on Engine Torque[J]. SAE Technical Paper, 2012, doi: 10.4271/2012-01-1305.

[8] Chauhan B S, Kumar N, Haeng M C. A Study on the Performance and Emission of a Diesel Engine Fueled with Jatropha Biodiesel Oil and its Blends[J]. Energy, 2012,37(1):616-622.

[9] Han D, Ickes A M, Bohac S V, et al. HC and CO Emissions of Premixed Low-temperature Combustion Fueled by Blends of Diesel and Gasoline[J]. Fuel, 2012, 99(2): 13-19.

[10] Xue J L, Grift T E, Hansen A C. Effect of Biodiesel on Engine Performances and Emissions[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(2):1098-1116.

[11] 吳謀成. 生物柴油[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[12] 何旭，鄭亮，趙陸明，等. 生物柴油噴霧、著火和燃燒特性試驗研究[J]. 內(nèi)燃機工程，2012, 33(5): 41-45.

[13] Yoshiyuki Kidoguchi, Yang C, Miwa K, Effect of High Squish Combustion Chamber on Simultaneous Reduction of NOxand Particulate from a Direct-injection Diesel Engine[J].SAE Technical Paper, 1999, doi: 10.4271/1999-01-1502.

[14] Song C K, Marriott C D, Rutland C J, et al. Experiments and CFD Modeling of Direct Injection Gasoline HCCI Engine Combustion[J].SAE Technical Paper, 2002, doi:10.4271/2002-01-1925.

[15] 湯東，李昌遠，葛建林，等. 柴油機摻燒生物柴油NOx和碳煙排放數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2011, 42(7): 1-4.

[16] 施愛平，葉麗華，燕明德，等. 柴油機缸內(nèi)工作過程的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009, 40(3): 40-45.

[17] AVL List GmbH.AVL FIRE 2008 Manual Spray[R].Graz: AVL List GmbH, 2008.

[18] Bensler H, Bühren F, Samsone. 3-D CFD Analysis of the Combustion Process in a DI Diesel Engine Using a Flamelet Mode[J].SAE Technical Paper, 2000, doi: 10.4271/2000-01-0662.

[19] Patterson M A, Reitz R D. Modeling the Effects of Fuel Spray Characteristics on Diesel Engine Combustion and Emission[J].SAE Technical Paper, 1998, doi:10.4271/980131.

[20] Sazhin S, Heikal M R, et al. The Shell Auto Ignition Model: A New Mathematical Formulation[J]. Combustion and Flame, 1999, 117(3):529-540.

[21] 孫志新，王憲成，王建昕，等.一種含氧混合燃料噴霧特性的試驗研究[J].裝甲兵工程學院學報，2011,25(2):31-36.

[22] 李麗梅，郭和軍，劉圣華，等.一種新型含氧燃料燃燒與排放性能研究[J].內(nèi)燃機工程，2007，28(4):43-49.

(責任編輯:尚菲菲)

Numerical Simulation of Combustion and Emission of a Kind of Oxygenated Mixed Fuel

WANG Xian-cheng1, LI Ruo-ting1, SUN Zhi-xin1, MA Ning1, HU Jun-biao2

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. Xi’an Office, Vehicle and Ship Representative Bureau, General Armament Department, Xi’an 710043, China)

In view of the problem of energy shortage, a CFD model is established to simulate numerically the mixture gas formation, combustion and emissions of diesel and B20D10 oxygenated fuel. The impact of fuel supply advance angle and maximum fuel supply amount on oxygenated fuel dynamic performance and emission feature are calculated as well. Result shows that compared with diesel oil, the application of B20D10 oxygenated mixed fuel leads to a lower temperature in the engine cylinder, the NOxgeneration timing is later and soot emissions is significantly reduced. Power performance of the engine increases and soot emissions decrease as the fuel supply advance angle increases, yet mechanical loads and NOxemissions deteriorate. The oxygenated fuel power decline problem could be solved by increasing maximum fuel supply amount. As maximum fuel supply amount increases by 10%, the maximum power of diesel engine applied with oxygenated fuel increases by 4% compared to the engine applied with diesel, and the soot emissions also decrease by 40%.

oxygenated fuel; combustion; emission; numerical simulation

1672-1497(2015)02-0029-06

2014-11-25

軍隊科研計劃項目

王憲成(1964-)，男，教授，博士。

TK427

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.006