柴油機燃用生物柴油低溫燃燒性能的仿真研究

陳彥君，周斌，何俊杰，王連富

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

近年來，世界石化燃料儲量日益枯竭，人類對有害污染物的排放管制越來越嚴格，發(fā)動機可再生替代燃料和低排放燃燒策略因而引發(fā)廣泛關(guān)注。從植物油、廢動物脂肪和廢餐館油脂(黃油脂)中提煉的烷基單酯通常被稱為生物柴油，生物柴油由于其可再生性、極低的硫和芳烴含量、較高的十六烷值、較高的生物降解性和分子中富氧的優(yōu)點，已成為更清潔的替代燃料，可用來填補石化柴油燃料的需求缺口[1-9]。生物柴油具有與石化柴油大致相似的特性，即使沒對發(fā)動機進行任何改造，也可直接用于柴油發(fā)動機。與傳統(tǒng)的柴油燃料相比，生物柴油富氧可使燃燒更完全，從而有效地減少發(fā)動機的顆粒物(PM)、一氧化碳(CO)和未燃物(THC)排放。但是在柴油機上使用生物柴油會使NOx排放升高[7-9]。

低溫燃燒模式可同時降低NOx和炭煙排放[10-11]，通常是由大EGR(Exhaust Gas Recirculation，廢氣再循環(huán))率來實現(xiàn)，這種方式用在生物柴油發(fā)動機上也有類似效果[12]。據(jù)前人的研究結(jié)果可知，該機型在EGR閥全開時的EGR率不足以使發(fā)動機從傳統(tǒng)燃燒模式向低溫燃燒模式轉(zhuǎn)變[13-14]，因此還需要采取其他技術(shù)手段。邱偉[14]以4JB1柴油機為對象，進行了EGR結(jié)合推遲供油的手段實現(xiàn)柴油機低溫燃燒的試驗研究，其研究結(jié)果為本研究提供了柴油實現(xiàn)低溫燃燒的性能變化的試驗依據(jù)。相關(guān)研究表明[14-16]，推遲噴油可以降低NOx排放，但必然會對其他性能產(chǎn)生影響。因此本研究針對EGR率和噴油正時對柴油機燃用生物柴油的燃燒過程、經(jīng)濟性、動力性和排放特性的影響進行了研究，為在柴油機上使用生物柴油替代燃料實現(xiàn)低溫燃燒提供依據(jù)，有利于生物柴油的普及和推廣。

1 柴油機仿真模型的建立

本研究使用的發(fā)動機原型為4JB1渦輪增壓柴油機，其主要性能參數(shù)見表1。根據(jù)該柴油機建立的GT-Power整機仿真模型見圖1。

表1 柴油機主要性能指標

圖1 4JB1柴油機整機模型

圖2和圖3分別示出仿真模型的外特性扭矩、油耗和標定工況示功圖的試驗驗證結(jié)果。由圖2和圖3可以計算出扭矩和燃油消耗率的最大誤差分別為3.69%和3.56%，缸壓的最大誤差為4.75%，證明模型正確，可以用于后續(xù)分析計算。

圖2 扭矩和油耗對比結(jié)果

圖3 示功圖對比結(jié)果

本研究使的用生物柴油替代燃料是由地溝油提煉而來，該生物柴油和0號柴油的理化特性見表2。

表2 生物柴油和0號柴油的理化特性

根據(jù)表2，在生物柴油模型中輸入相關(guān)的氣態(tài)和物態(tài)參數(shù)，完成生物柴油燃油庫模型的建立。其中汽化潛熱影響到燃油的蒸發(fā)和霧化，運動黏度影響到燃油的噴霧特性，十六烷值影響并決定著滯燃期的長短，生物柴油與柴油的物性區(qū)別通過在燃油模型中設(shè)置這些參數(shù)得到了體現(xiàn)。

在建立了生物柴油燃料模型后，對比了柴油機燃用生物柴油在2 200 r/min滿負荷時扭矩和燃油消耗率的實測值和仿真值(見表3)。由表3可見，計算誤差在允許范圍內(nèi)，證明生物柴油模型正確，可以用于后續(xù)分析計算。

表3 生物柴油模型驗證

2 計算結(jié)果及分析

本研究分析了不同EGR率和噴油正時對柴油機燃用生物柴油低溫燃燒的燃燒過程、經(jīng)濟性、動力性和排放特性的影響。選定的原機工況為柴油機最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min，噴油量為33.375 mg，約為原機75%負荷，噴油正時為-2.9°(上止點前2.9°)。研究選取的EGR率是由不同EGR閥開度(40%，60%，80%，100%)下得到的EGR率，分別為3.47%，6.97%，10.80%，14.69%；選取的噴油正時分別為-12°，-9°，-6°，-2.9°，0°，3°，6°(負值代表上止點前噴油，正值代表上止點后噴油，0°即為上止點噴油)。

2.1 EGR率和噴油正時對燃燒過程的影響

圖4和圖5分別示出上止點前2.9°噴油時不同EGR率下生物柴油燃燒的缸內(nèi)壓力和平均燃燒溫度曲線。從圖中可以看出，隨著EGR率的增大，最高燃燒壓力下降，缸內(nèi)最高平均溫度逐漸升高，最高燃燒溫度相位向后推遲。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，隨著EGR率的增大，滯燃期延長，燃燒始點向后推遲，燃燒主要過程在膨脹沖程中完成，此時活塞下行，導致壓力下降，而充量密度減小使缸內(nèi)單位充量吸收的熱量增加，導致缸內(nèi)最高平均溫度升高[14]。

圖4 不同EGR率下的缸內(nèi)壓力

圖5 不同EGR率下的缸內(nèi)平均燃燒溫度

圖6和圖7分別示出無EGR和EGR率14.69%條件下，缸內(nèi)壓力和平均燃燒溫度隨噴油正時變化的曲線。從圖中可以看出，無EGR時，隨著噴油正時的推遲，最高燃燒壓力降低，最高平均燃燒溫度降低，對應(yīng)的峰值相位也后移。這是由于隨著噴油推遲，燃燒的主要過程發(fā)生在活塞下行階段，燃油噴入氣缸內(nèi)的壓力與溫度較高，滯燃期變短，預(yù)混燃燒量減少，使得缸內(nèi)最高燃燒壓力和缸內(nèi)平均燃燒溫度下降。同一噴油正時下，最高燃燒壓力在EGR閥全開時有顯著的下降，缸內(nèi)平均燃燒溫度相位向后推遲。

圖6 不同噴油正時下的缸內(nèi)壓力

圖7 不同噴油正時下的缸內(nèi)平均燃燒溫度

2.2 EGR率和噴油正時對油耗和熱效率的影響

圖8示出EGR率、噴油正時對有效燃油消耗率和指示熱效率的影響規(guī)律。由圖8可見，隨著EGR率增大，有效燃油消耗率上升，熱效率下降。這是因為EGR率的增大雖然使滯燃期延長，但是可燃混合氣中氧濃度不足占主導因素，使燃燒質(zhì)量變差，進而使油耗和熱效率惡化。

圖8 不同EGR率和噴油正時下的油耗和熱效率

隨著噴油正時的推遲，油耗和熱效率基本呈現(xiàn)相悖的變化規(guī)律，油耗先降低后增加，熱效率先增加后降低。這是由于提前噴油會使得燃燒過程靠近上止點，做功能力得到提高，燃燒等容度加大，使熱效率提高，油耗降低。在上止點前9°～6°區(qū)間內(nèi)噴油，燃燒過程最接近上止點，因此油耗和熱效率最優(yōu)。

2.3 EGR率和噴油正時對排放的影響

圖9示出不同EGR率下，柴油的NOx比排放隨噴油正時的變化關(guān)系。從NOx排放曲線可以看出：在同一噴油正時下，隨著EGR率的增加，NOx排放降低，這與前人的研究結(jié)果[13]一致；保持EGR率不變，隨著噴油正時的提前，NOx排放增加。這是因為提前噴油使滯燃期延長，滯燃期內(nèi)形成的可燃預(yù)混合氣增加，預(yù)混燃燒比例增加，缸內(nèi)最高平均燃燒溫度上升，此時高溫是導致NOx排放增加的原因，尤其在低EGR率工況下表現(xiàn)更為明顯。

圖9 不同EGR率和噴油正時下的NOx排放

雖然提前噴油會導致NOx排放上升，但是將其與EGR結(jié)合，在大EGR率情況下，可以實現(xiàn)NOx排放低于原機。由此可見，生物柴油富氧效果導致的NOx排放升高現(xiàn)象在EGR和噴油正時的作用下得到了很大的改善。EGR率為14.69%時可實現(xiàn)NOx排放低于原機而不受噴油正時影響；在噴油正時推遲到上止點后4°以后可實現(xiàn)NOx排放低于原機而不受EGR率影響；在噴油正時為上止點前10°～4°區(qū)間內(nèi)，需要結(jié)合EGR進行優(yōu)化。

圖10 示出不同EGR率和噴油正時下的炭煙比排放變化規(guī)律。從圖10可以看出：隨著噴油正時的推遲，炭煙排放先升高后降低；隨著EGR率的增大，炭煙排放升高。這是由于炭煙排放主要受兩個因素的影響, 即滯燃期和氧濃度[17]。EGR率的增加降低了缸內(nèi)氧濃度，導致炭煙排放增加。在噴油過早時，雖然引入EGR降低了缸內(nèi)氧含量，但是噴油時刻的壓力和溫度較低，使滯燃期延長，混合氣混合更均勻，增加了預(yù)混燃燒的比例，炭煙排放較低。在噴油過晚時，雖然初始的壓力和溫度高，但著火前活塞下行，溫度和壓力迅速降低，導致滯燃期延長，炭煙排放也呈現(xiàn)降低趨勢。

圖10 不同EGR率和噴油正時下的炭煙排放

結(jié)合圖9與圖10對比得出，在同一噴油正時下，隨著EGR率的增大，炭煙排放和NOx排放呈現(xiàn)相悖變化趨勢，這表明發(fā)動機仍處于傳統(tǒng)燃燒模式中。在噴油正時推遲到-6°以后，炭煙排放和NOx排放都隨著噴油推遲出現(xiàn)降低的趨勢，這表明發(fā)動機由傳統(tǒng)模式向低溫燃燒模式轉(zhuǎn)變。但是EGR的加入導致炭煙排放升高，雖然推遲了噴油正時，然而只有在少數(shù)工況(EGR率3.47%時、上止點后3°后噴油)實現(xiàn)炭煙排放低于原機。

圖11示出了不同EGR率和噴油正時下CO比排放的變化規(guī)律。由圖11可見，隨著噴油正時的提前，CO排放降低。在噴油正時提前到上止點之前，缸內(nèi)平均燃燒溫度較高，此時有利于CO的氧化過程，從而使CO排放降低；在噴油正時推遲到上止點后時，燃燒溫度低甚至變得不穩(wěn)定，熱效率降低，CO排放量急劇上升。同一噴油正時下，隨著EGR率的增大，CO排放增加。這是因為隨著EGR率的增加，混合氣中的氧濃度降低，再加上缸內(nèi)燃燒溫度降低，不利于CO的氧化過程，導致CO排放增加。

圖11 不同EGR率和噴油正時下的CO排放

在傳統(tǒng)燃燒模式下，生物柴油富氧可以很好地氧化CO，使CO排放保持在較低水平；但是在向低溫燃燒模式轉(zhuǎn)變的情況下，生物柴油的氧含量不足以彌補進氣氧濃度的降低，進而導致CO排放隨EGR率的增大出現(xiàn)上升的現(xiàn)象。然而將EGR和噴油正時耦合，在EGR率低于3.47%，噴油正時提前到上止點前6°之前，可以實現(xiàn)CO排放低于原機。

圖12 示出不同EGR率和噴油正時下的THC比排放變化規(guī)律。由圖可知，隨著EGR率的增加，THC排放升高；隨著噴油正時的提前，THC排放降低。滯燃期和最高平均燃燒溫度是影響低溫燃燒模式THC 排放的最主要因素[13]。EGR率的增大使滯燃期延長，這是導致THC排放升高的主要原因。在上止點后噴油，隨著噴油正時的推遲，雖然初始的壓力和溫度高，但著火前活塞下行，溫度和壓力迅速降低，導致滯燃期延長，所以THC排放升高；在上止點前噴油，隨著噴油正時的提前，缸內(nèi)最高平均燃燒溫度升高，溫度占主導因素，因此THC排放降低。由此可見，EGR會加劇THC排放的惡化，但可以將其耦合噴油正時，實現(xiàn)與原機相當甚至低于原機的THC排放水平。在EGR率為3.47%，噴油正時提前到上止點前6°之前，THC排放低于原機。

圖12 不同EGR率和噴油正時下的THC排放

3 結(jié)論

a) 在相同噴油正時下，隨著EGR率的增大，最高燃燒壓力下降，缸內(nèi)最高平均溫度逐漸升高，燃燒相位后移；有效燃油消耗率增加，熱效率降低；NOx排放大幅度降低，炭煙排放、CO排放和THC排放都增加；

b) 在相同的EGR率下，隨著噴油正時推遲，最高燃燒壓力和缸內(nèi)平均燃燒溫度降低，燃燒相位后移；有效燃油消耗率先減小后增加，熱效率先升高后下降；NOx排放降低，炭煙排放先升高后降低，CO排放和THC排放都升高；

c) EGR的引入和推遲噴油正時都可大幅度降低NOx排放，但是炭煙排放、CO排放、THC排放和燃油油耗率也隨之升高；在追求低NOx排放和炭煙排放的情況下，應(yīng)該盡可能晚地推遲噴油，但是EGR率不宜過高，在噴油正時為上止點后6°、EGR率為3.47%時可實現(xiàn)NOx排放和炭煙排放低于原機，但此時油耗和熱效率惡化，且CO和THC排放升高，因此需要耦合其他參數(shù)來優(yōu)化，改善NOx排放和油耗、熱效率之間的trade-off關(guān)系。