基于AVL-FIRE的生物柴油/正丁醇混合燃料燃燒與排放特性仿真分析

吉鵬，耿莉敏，王燕娟，陳陽，徐博健，畢磊超，李妍

(1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

基于石油等天然資源的有限性加上國際環(huán)境的復(fù)雜性，使得開發(fā)可持續(xù)的長期替代燃料已經(jīng)成為必要[1].生物柴油理化性質(zhì)接近柴油，可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的柴油機(jī)[2-4].生物柴油中加入醇類，可以降低其粘度，改善其霧化[5-7].其中正丁醇相對于甲醇和乙醇具有十六烷值和低熱值高等優(yōu)點(diǎn)，在生物柴油中摻入粘度較低的正丁醇可以大幅降低燃油的粘度，從而改善其霧化和冷起動性能[8].因此，國內(nèi)外學(xué)者對不同比例的生物柴油/正丁醇混合燃料的燃燒排放特性進(jìn)行了研究[9-13].Otaka等在柴油機(jī)上研究了生物柴油/正丁醇混合燃料的燃燒與排放特性，發(fā)現(xiàn)隨著正丁醇比例的增加，碳煙排放顯著減少，而CO和HC排放略有增加[14]；Soloiu等在一臺單缸柴油機(jī)上進(jìn)行進(jìn)氣道噴射正丁醇、缸內(nèi)噴射生物柴油的試驗(yàn)，結(jié)果表明，這種燃燒方式可以降低缸內(nèi)最高溫度，減少NOx排放[15]；Doan等對不同負(fù)荷下燃用正丁醇/柴油混合燃料的排放特性進(jìn)行了研究，指出隨正丁醇摻混比增大，碳煙、氮氧化物降低，碳?xì)渑欧旁黾樱艢鉁囟认陆礫16]；堯命發(fā)研究了正丁醇/生物柴油高預(yù)混壓燃的燃燒和排放特性，指出在正丁醇比例為80%～85%時，提前生物柴油的噴油時刻可以實(shí)現(xiàn)較高的熱效率，低的NOx和碳煙排放[17]；黃維等得出在小負(fù)荷時缸內(nèi)壓力的最大值隨丁醇比例的增加逐漸降低，CO和HC的排放逐漸升高[18].鄭尊清等研究了不同柴油/正丁醇摻混比例混合燃料的低溫燃燒特性，結(jié)果表明隨著正丁醇摻混比的增加，燃燒放熱始點(diǎn)明顯推遲，預(yù)混放熱增強(qiáng)[19].

基于此，本文采用奧地利AVL公司開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)燃燒模擬專用CFD軟件FIRE，對3種不同摻混比的生物柴油/正丁醇混合燃料進(jìn)行缸內(nèi)燃燒的模擬，對比其缸內(nèi)壓力曲線，溫度分布，NOx和soot排放曲線等，進(jìn)而分析生物柴油-正丁醇不同摻混比的燃燒與排放特性.

1 模型的建立

1.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)及網(wǎng)格劃分

本次建模以1臺6缸高壓共軌柴油機(jī)為原型，

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

其技術(shù)參數(shù)如表1所示.

由于該發(fā)動機(jī)使用的是孔式噴油器，4個噴孔周向均勻布置，夾角為90°.為了簡化計(jì)算，把燃燒室看成在活塞頂正中央對稱分布，因此在生成燃燒室的計(jì)算網(wǎng)格時只取燃燒室的1/4，網(wǎng)格在邊界處加密[20].活塞與氣缸頂之間的網(wǎng)格大小隨著活塞和氣缸的相對運(yùn)動成比例的拉伸和壓縮，網(wǎng)格數(shù)目也相應(yīng)地變化；燃燒室內(nèi)部網(wǎng)格大小和數(shù)目固定，只隨活塞一起運(yùn)動.網(wǎng)格劃分后的燃燒室模型如圖1所示.

1.2 燃料物理特性

通過對生物柴油和正丁醇的理化特性進(jìn)行分析研究，選取純生物柴油BD100、BD90N10和BD70N30的生物柴油/正丁醇混合燃料(BD為生物柴油的英文縮寫，其后的數(shù)字代表生物柴油在混合燃料中所占體積分?jǐn)?shù)；N為正丁醇的英文縮寫，其后數(shù)字代表正丁醇在混合燃料中的體積分?jǐn)?shù))，其理化特性參數(shù)如表2所示.從正丁醇的理化特性來看，相比于生物柴油的密度、粘度和低熱值較低，則生物柴油-正丁醇混合燃料的密度、粘度、和低熱值隨著正丁醇比例的增加而減小.在FIRE軟件中柴油“diesel”可直接從燃料庫選取，其他3種燃油均采取自定義方式，根據(jù)BD100、BD90N10、BD70N30的分子式定義其C、H、O 3種原子的數(shù)量比，其燃料低熱值由試驗(yàn)測得.

圖1 燃燒室模型Figure 1 Combustion chamber model

表2 生物柴油/正丁醇混合燃料的理化特性參數(shù)(20 ℃)

1.3 初始條件與計(jì)算模型的選擇

本文計(jì)算始點(diǎn)為-141.5°(進(jìn)氣門關(guān)閉時刻)，計(jì)算終點(diǎn)為123.5°(排氣開啟時刻)的缸內(nèi)封閉區(qū)域，選擇初始缸內(nèi)壓力為1.3 bar，初始溫度為380 K，噴油提前角為7°CA，在1 400 r/min,缸內(nèi)平均有效壓力0.322 MPa,小負(fù)荷工況下進(jìn)行模擬仿真.本文采用的計(jì)算模型如表3所示.

表3 計(jì)算模型的選取

1.4 模型驗(yàn)證

挑選任意比例的生物柴油/正丁醇混合燃料，將仿真所得的示功圖與試驗(yàn)所測的示功圖進(jìn)行對比，來驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性.圖2所示為BD100混合燃料試驗(yàn)測得的示功圖與模擬計(jì)算的示功圖曲線，從圖中可以看出，二者變化趨勢吻合良好，說明所選模型和條件設(shè)定合理.

圖2 缸壓驗(yàn)證Figure 2 cylinder pressure verification

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒特性

2.1.1 缸內(nèi)壓力分布 圖3是不同燃料的缸內(nèi)壓力對比曲線圖.由圖可得純生物柴油的燃燒起始點(diǎn)略微先于混合燃料的燃燒起始點(diǎn)，且摻入正丁醇的比例越高，滯燃期越長.缸內(nèi)最大壓力處的曲軸轉(zhuǎn)角變化甚小，說明在噴油提前角不變的情況下，不同的燃料達(dá)到缸內(nèi)壓力最大值的曲軸轉(zhuǎn)角基本不變，約在上止點(diǎn)后6.5°CA，但混合燃料的缸內(nèi)最大壓力比燃用生物柴油略低，且缸內(nèi)的最高壓力隨著摻入正丁醇的比例增大而減小.在平均有效壓力0.322 MPa時，BD70N30的缸壓峰值相對BD90N10降低了0.05 MPa，相對BD100減小了0.18 MPa，這是由于正丁醇燃料的低熱值較之生物柴油更低，在循環(huán)噴油量保持不變的情況下，隨著正丁醇比例增加，低熱值相應(yīng)減少.因此，在生物柴油中適量加入正丁醇可以降低缸內(nèi)最大壓力，使發(fā)動機(jī)的機(jī)械負(fù)荷降低.

圖3 缸內(nèi)壓力曲線Figure 3 In-cylinder pressure curve

2.1.3 缸內(nèi)溫度場 圖4為不同燃料的缸內(nèi)平均溫度對比曲線圖.由圖可知BD100、BD90N10、BD70N30 3種不同比例生物柴油-正丁醇混合燃料，分別從曲軸轉(zhuǎn)角為3°CA、4°CA、3.5°CA起，缸內(nèi)溫度開始急劇上升，活塞下行直到曲軸轉(zhuǎn)角為36°CA、37°CA、36°CA時，燃料充分燃燒做功，使溫度達(dá)到燃燒過程的最大值，其中BD100的峰值溫度最高為1 663.23 K.這是因?yàn)檎〈计瘽摕岽?，且其低熱值小于生物柴油，汽化吸熱，隨著正丁醇比例的增加，混合燃料的滯燃期延長,缸內(nèi)峰值溫度逐漸降低.

圖5展示了不同燃料的缸內(nèi)溫度場分布，軟件中設(shè)定的噴油提前角為7°CA，由圖可得，在0°CA之前燃料并沒有著火，但由于活塞一直上行壓縮空氣做功，缸內(nèi)溫度不斷增加.當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為-3°CA時，缸內(nèi)溫度增加到了1 000 K；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為2°CA左右時，燃料燃燒放熱對外做功使缸內(nèi)溫度進(jìn)一步增加.通過剖面圖可以看出，燃燒室底部與縮喉口處燃燒溫度較高，這是由于最先燃燒的位置并不是燃料濃度高的位置，而是霧化效果最好的地方.噴油過程結(jié)束之后，燃燒從霧化效果較好的油束前端擴(kuò)散到整個燃燒室，此時由于全面的燃燒使缸內(nèi)溫度又升高了600 K左右，但是隨著活塞的下行，缸內(nèi)容積增大，溫度的升高速率逐漸變慢直到缸內(nèi)溫度開始降低，由圖可以看出在30°曲軸轉(zhuǎn)角時缸內(nèi)溫度比25°時缸內(nèi)溫度有所下降，燃燒也不斷向縮口處擴(kuò)散.

圖4 缸內(nèi)平均溫度曲線Figure 4 In-cylinder average temperature curve

2.2 排放分析

2.2.1 NOx排放 圖6為不同燃料的缸內(nèi)氮氧化物(NOx)的排放曲線圖.由圖可知，在摻入正丁醇之后，NOx排放量相對于燃燒純生物柴油有所減少，且摻入的正丁醇越多，NOx的排放量越少.氮氧化物(NOx)產(chǎn)生的主要因素有高溫富氧，高溫滯留時間.由于正丁醇的低熱值低于生物柴油，在相同噴油量下放熱量少，并且正丁醇的汽化潛熱大，使得缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，燃料燃燒的高溫停留時間變短，從而使得NOx排放降低.加入正丁醇使得混合燃料的滯燃期延長，燃燒始點(diǎn)推后，也是導(dǎo)致NOx排放降低的可能原因之一.

圖6 缸內(nèi)氮氧化物生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線Figure 6 In-cylinder NOx formation mass fraction curve

圖5 不同比例生物柴油-正丁醇缸內(nèi)溫度場分布Figure 5 Temperature field distribution of different proportions of biodiesel-n-butanol cylinder

圖7為不同曲軸轉(zhuǎn)角下的氮氧化物(NOx)變化與分布情況.由圖可知缸內(nèi)的NOx排放主要集中在燃燒室的中心偏左的位置，由溫度場分布圖可知，此位置的溫度較高.這是因?yàn)槿剂系娜紵饕性谶@一區(qū)域.隨著缸內(nèi)燃燒的進(jìn)行，缸內(nèi)的氮氧化物排放向燃燒室中間擴(kuò)散.隨著活塞不斷下行，曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到30°CA時，燃燒進(jìn)入緩燃期，NOx的生成速度減緩，隨著缸內(nèi)容積繼續(xù)增大，曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到40°CA時，燃料基本燒完，NOx的生成不再增加.

2.2.2 soot排放 圖8是缸內(nèi)碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線，由圖可知，25.5°CA時，碳煙的排放達(dá)到最大值，BD100、BD90N10和BD70N30的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為8.42×10-4、6.82×10-4、4.61×10-4.可見隨著摻混正丁醇比例的增加，碳煙的排放是顯著減少的.這是由于加入正丁醇后，混合燃料的含氧量提高、霧化質(zhì)量改善，燃燒進(jìn)行的更完全.

圖7 不同比例生物柴油-正丁醇缸內(nèi)NOx排放分布Figure 7 NOx emission distribution in different proportions of biodiesel-n-butanol cylinder

圖8 缸內(nèi)碳煙生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線Figure 8 In-cylinder soot formation mass fraction curve

圖9描述了碳煙排放物隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的分布情況.由圖可知，缸內(nèi)的碳煙生成起始于曲軸轉(zhuǎn)角為-4°CA時，隨著燃燒做功，活塞下行，碳煙排放物開始向燃燒室縮口處蔓延.

3 結(jié)論

1) 通過對比BD100、BD90N10、BD70N30 3種不同摻混比的燃料在缸內(nèi)燃燒時的缸內(nèi)壓力曲線可以得出，在1 400 r/min小負(fù)荷工況下，隨著正丁醇摻混比的增高，混合燃料燃燒的滯燃期變長，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低，其中BD70N30的缸壓峰值相對BD100降低了3.6%，有利于降低發(fā)動機(jī)的機(jī)械負(fù)荷.

圖9 不同比例生物柴油-正丁醇缸內(nèi)soot排放分布Figure 9 Soot emission distribution in different proportions of biodiesel-n-butanol cylinder

2) 通過觀察溫度場得出，由于正丁醇的低熱值低，汽化潛熱大，所以隨著正丁醇摻混比的增大，缸內(nèi)最高溫度略有降低.

3) 通過對比NOx和soot排放曲線以及不同曲軸轉(zhuǎn)角下的排放分布圖，可以得出，隨著正丁醇摻混比的增加，碳煙排放明顯下降，BD70N30的碳煙排放相對BD90N10降低了32.4%，相對BD100降低了45.2%，NOx排放略有降低.