含水乙醇-生物柴油對186F柴油機(jī)燃燒與排放的影響研究

朱佳隆，劉理凡，李瑞娜，劉帥，王忠

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

生物柴油以及醇類燃料是柴油機(jī)的清潔替代燃料，生物柴油來源廣泛，燃料理化特性與柴油相近[1]。生物柴油與醇類燃料的互溶性較好，在生物柴油中添加醇類燃料，可以增加燃料中的氧含量，進(jìn)一步降低柴油機(jī)的顆粒物排放[2]。

乙醇的化學(xué)分子式中含有官能團(tuán)羥基(—OH)，羥基是極性基團(tuán)，與水相似相容并可形成氫鍵，大大提高了乙醇與水的溶解度[3]，使乙醇在運(yùn)輸與儲(chǔ)存過程中易吸收空氣中的水分。生物柴油在制備過程中經(jīng)歷酯化反應(yīng)，酯化脫水過程中可能殘存部分未反應(yīng)的水[4]。水的存在影響了乙醇-生物柴油混合燃料的理化性質(zhì)，對乙醇-生物柴油混合燃料的燃燒與排放也產(chǎn)生了一定的影響。

圍繞柴油機(jī)燃燒不同組分乙醇-生物柴油混合燃料的燃燒過程與排放污染物的變化規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。D. H. Qi等[5]開展了不同負(fù)荷下生物柴油-乙醇-水乳化油的研究，研究結(jié)果表明：與燃用生物柴油相比，柴油機(jī)中高負(fù)荷下的最高燃燒壓力幾乎相同，壓力升高率和瞬時(shí)放熱率峰值升高，比能耗有所降低；在高負(fù)荷下soot排放明顯降低；在全負(fù)荷范圍內(nèi)，NOx排放降低，CO和HC排放明顯增加。王兆文等[6]研究了乙醇和水對柴油噴霧燃燒特性的影響，研究結(jié)果表明：柴油摻水可降低燃燒溫度和soot生成。胡斌等[7]開展了燃用含水乙醇-柴油的研究，研究結(jié)果表明：乙醇含水量較小時(shí)，隨著含水量的增加，缸內(nèi)壓力和放熱率峰值增加， NOx和總碳?xì)浠衔?THC)排放同時(shí)降低。燃燒乙醇-生物柴油可以有效降低柴油機(jī)的soot和NOx排放，對動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性也有一定的影響，但乙醇含水量的增加對柴油機(jī)燃燒和排放的影響還有待進(jìn)一步探究。

本研究以AVL-Fire軟件為基礎(chǔ)，建立了186F柴油機(jī)的燃燒及排放模型，通過采集柴油機(jī)的示功圖和排放，對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。考察了含水率對乙醇-生物柴油燃燒性能和排放的影響，在此基礎(chǔ)上，提出乙醇含水率的閾值概念并進(jìn)行了分析。

1 含水率與混合燃料理化特性分析

醇類燃料十六烷值低，若摻混比過高，其對柴油機(jī)的著火與燃燒過程影響較大，導(dǎo)致柴油機(jī)工作不穩(wěn)定。根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，柴油機(jī)燃用醇類-柴油混合燃料時(shí)，醇類燃料的摻混比一般不超過30%；燃用柴油-生物柴油-乙醇混合燃料時(shí)，乙醇摻混比為10%～40%時(shí)可形成微爆效應(yīng)[10]，促進(jìn)燃燒。綜合考慮，選定乙醇的摻混比(δE)為20%。

考慮混合燃料實(shí)際生產(chǎn)和使用過程中可能存在的問題，設(shè)定乙醇含水率為0%，1%，3%，5%，7%；為進(jìn)一步探討混合燃料含水后對燃燒和排放的影響，研究乙醇生物柴油極限含水率(>10%)對柴油機(jī)燃燒和排放的影響，設(shè)定混合燃料中乙醇含水率分別為0%，1%，3%，5%，7%，10%，15%和20%，分別用W0，W1，W3，W5，W7，W10，W15和W20表示。

采用指示比能耗(EBSEC)來衡量乙醇含水率對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，EBSEC計(jì)算公式[11]為

EBSEC=biHu·10-3。

式中：bi為指示燃油消耗率；Hu為混合燃料的低熱值。

含水乙醇-生物柴油混合燃料的十六烷值、低熱值、密度、運(yùn)動(dòng)黏度和表面張力可分別依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和試驗(yàn)得到(見表1)。由于混合燃料中含水，十六烷值和低熱值分別從42.7和36.16 MJ/kg下降到40.6和34.41 MJ/kg，降幅約為5%和4.8%；混合燃料的運(yùn)動(dòng)黏度從3.42 mm2/s下降到2.97 mm2/s，降低約13.1%。

2 模型建立與參數(shù)確定

2.1 模型建立

運(yùn)用AVL-Fire軟件建立186F柴油機(jī)的有限元模型，確定相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行模型驗(yàn)證。試驗(yàn)用柴油機(jī)為186F，柴油機(jī)氣缸直徑86 mm，四沖程，壓縮比19，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，標(biāo)定功率5.7 kW，噴油器噴孔數(shù)為4個(gè)，噴孔直徑為0.24 mm，燃燒室形狀為ω形，噴油提前角為-12°，循環(huán)噴油量24 mg。噴油器周向均布4個(gè)噴油孔，燃燒室中心對稱，取1個(gè)噴油孔結(jié)合1/4燃燒室進(jìn)行簡化，在ESE-Diesel模塊中設(shè)定網(wǎng)格尺寸，在邊界處進(jìn)行加密。計(jì)算網(wǎng)格見圖1。依據(jù)文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]中有關(guān)仿真網(wǎng)格與氣缸壓力計(jì)算關(guān)聯(lián)性的研究，當(dāng)生成的網(wǎng)格模型包含網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到20 000時(shí)，對計(jì)算結(jié)果影響較小。本研究中建立的燃燒室仿真模型的網(wǎng)格數(shù)為22 225個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為25 012個(gè)。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

表2列出建立的數(shù)學(xué)模型。含水乙醇-生物柴油混合燃料為多組分燃料，采用Multi-component模型仿真多組分燃料的液-氣相變化過程。柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程可分為預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒兩個(gè)階段，擴(kuò)展的擬序火焰模型(Extend-Coherent-Flame Model)將缸內(nèi)工質(zhì)的分布劃分為3個(gè)前后有聯(lián)系的區(qū)域，即空氣區(qū)、燃油區(qū)和混合區(qū)，能夠準(zhǔn)確地對柴油機(jī)的燃燒過程進(jìn)行描述[14]。

表2 數(shù)學(xué)模型

假定缸內(nèi)壓力與溫度分布均勻，初始?xì)飧讐毫蜏囟扔蓪?shí)測值確定?；钊斆鏈囟葹?75 K，氣缸蓋底部溫度為550 K，氣缸壁面溫度為475 K?；钊斆嬉苿?dòng)速度等同于活塞的運(yùn)動(dòng)速度，其他壁面均為靜止壁面[15]。

計(jì)算區(qū)間為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻至排氣門打開時(shí)刻，定義壓縮上止點(diǎn)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為0°，計(jì)算區(qū)間為-135.5°～124.5°，計(jì)算基礎(chǔ)步長為1°,噴油開始到燃燒過程結(jié)束的計(jì)算步長為0.2°。

NOx生成物中超過90%為NO，在計(jì)算中主要考慮熱力型NO的生成[16]；soot排放需考慮燃燒過程中O2，OH基對其的氧化結(jié)果[17]。

2.2 模型驗(yàn)證

通過建立的模型對柴油機(jī)燃燒過程特征參數(shù)進(jìn)行仿真，通過測量得到乙醇-生物柴油混合燃料的示功圖、NOx和soot排放數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

仿真和試驗(yàn)的工況確定為標(biāo)定工況：轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，功率為5.7 kW，乙醇-生物柴油混合燃料中乙醇的比例為20%。氣缸壓力實(shí)際測量值與仿真結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。從表3可以看出， NOx和soot排放的測量值與仿真結(jié)果的最大誤差小于5%。試驗(yàn)結(jié)果說明建立的模型具有一定的準(zhǔn)確性。

圖2 氣缸壓力試驗(yàn)值與仿真結(jié)果的對比

表3 排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

在此基礎(chǔ)上，將混合燃料中乙醇含水率分別為0%，1%，3%，5%，7%，10%，15%和20%的8種理化特性參數(shù)用于模型的仿真。

3 結(jié)果分析

為探討乙醇含水率對柴油機(jī)燃燒和排放的影響，選定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，功率為5.7 kW的工況，對8種乙醇-生物柴油混合燃料燃燒過程和排放進(jìn)行仿真。為便于分析，定義滯燃期為噴油時(shí)刻到累計(jì)放熱量達(dá)10%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角[18]，用θCA10表示；燃燒中心為累計(jì)放熱量為50%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，用θCA50表示；燃燒持續(xù)期為累計(jì)放熱量10%～90%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角，用θCA90表示。對柴油機(jī)的氣缸壓力、缸內(nèi)溫度、放熱規(guī)律、指示比能耗、NOx和soot排放進(jìn)行了分析。

3.1 燃燒過程特征參數(shù)分析

圖3示出乙醇含水率對氣缸壓力、溫度和放熱率的影響。從圖3可以看出，與無水乙醇相比，隨著乙醇含水率的增加，缸內(nèi)最大燃燒壓力和平均溫度分別由7.78 MPa和1 551.1 K降低為7.18 MPa和1 477.0 K，最大降低7.7%和4.7%。

圖3 乙醇含水率對缸內(nèi)壓力、溫度和放熱率的影響

滯燃期、燃燒中心和燃燒持續(xù)期的仿真結(jié)果見表4。從表4可以看出，隨著乙醇-生物柴油混合燃料中含水率的增加，滯燃期從13.7°增加到15.5°，增加13.1%；燃燒中心從7.0°后延到8.7°，延遲24.2%。

可以認(rèn)為，隨著乙醇含水率的增加，水的存在逐漸降低混合燃料的黏度，水汽化和過熱促進(jìn)霧束分裂和液滴破碎，強(qiáng)化了燃油與空氣混合的能力，對燃燒產(chǎn)生一定的影響；混合燃料蒸發(fā)潛熱及比熱容增大，熱值有所降低，導(dǎo)致燃燒速度有所減緩，放熱峰略有延后，滯燃期略有延長，燃燒中心逐漸后延，缸內(nèi)溫度降低，最高燃燒壓力有所降低。

當(dāng)乙醇含水率較小時(shí)(<5%)，可近似認(rèn)為缸內(nèi)大部分混合燃料液滴的物理模型為水-油(W/O)型結(jié)構(gòu)[19]。隨缸內(nèi)溫度和壓力逐漸增大，較小的混合燃料液滴中開始出現(xiàn)氣泡并快速向外油膜發(fā)展，經(jīng)過短暫的延遲，水處于過熱狀態(tài)，混合燃料液滴破碎并細(xì)化為體積更小的二次液滴，燃油與空氣快速混合均勻，燃燒速度有所加快。在一定程度上可近似認(rèn)為混合燃料抵消了含水降低熱值的影響，使得混合燃料的滯燃期略有縮短，燃燒中心略有提前。

表4 滯燃期、燃燒中心和燃燒持續(xù)期

3.2 指示比能耗

圖4示出燃燒不同含水率乙醇-生物柴油時(shí)的柴油機(jī)指示比能耗柱狀圖。從圖4可以看出，隨乙醇含水率增加，柴油機(jī)指示比能耗從7.47 MJ/(kW·h)增加到8.30 MJ/(kW·h)，增加11.1%。

圖4 乙醇含水率對柴油機(jī)指示比能耗的影響

可以認(rèn)為，當(dāng)混合燃料燃燒時(shí)，乙醇含水導(dǎo)致混合燃料整體黏度有所下降，霧化性能和燃空當(dāng)量比得到一定改善，使柴油機(jī)指示比能耗在乙醇含水率較低時(shí)影響不大；當(dāng)水進(jìn)入氣缸蒸發(fā)吸熱，在一定程度上降低了缸內(nèi)溫度，滯燃期有所延長，預(yù)混量增加，等容度增加，放熱峰值相位延后，水在混合燃料燃燒過程中進(jìn)一步降低了缸內(nèi)的溫度，燃燒速度有所降低，燃燒持續(xù)期略有增加，使柴油機(jī)指示比能耗在乙醇含水率較高時(shí)逐漸增加。

3.3 NOx與soot排放

圖5示出燃燒不同含水率乙醇-生物柴油時(shí)的NOx排放物和O自由基濃度的變化。從圖5可以看出，隨乙醇含水率增加，NOx排放和O自由基濃度呈現(xiàn)下降趨勢，NOx排放最大降低幅度為38.1%。W1混合燃料NOx排放和O自由基濃度均高于W0。

NOx的生成條件為高溫、富氧以及足夠的反應(yīng)時(shí)間[20]。W1混合燃料的瞬時(shí)放熱率、累積放熱、O自由基濃度以及燃燒持續(xù)期均高于W0混合燃料，

圖5 乙醇含水率對NOx排放和O自由基的影響

圖6示出燃燒不同含水率乙醇-生物柴油時(shí)的soot排放曲線和OH自由基變化。從圖6可以看出，隨乙醇含水率增加，soot排放和OH自由基濃度呈減少趨勢，soot排放最大降低幅度約為60.6%。

圖6 乙醇含水率對soot排放和OH自由基的影響

隨著乙醇含水率的增加，混合燃料中的水汽化和微爆效應(yīng)降低了燃空當(dāng)量比，同時(shí)在高溫貧氧區(qū)域存在水煤氣反應(yīng)，水在高溫下分解產(chǎn)生OH自由基，促進(jìn)soot氧化和消亡，soot由于OH自由基的逐漸消失趨于穩(wěn)定；微粒的熱運(yùn)動(dòng)變緩，降低了微粒間碰撞與凝并的機(jī)會(huì)，抑制了soot的生長。

3.4 含水率閾值

3.4.1乙醇含水率對柴油機(jī)性能的影響

圖7示出不同含水率乙醇-生物柴油的三種性能參數(shù)的變化。如圖7所示，隨著乙醇含水率的增加，平均指示壓力逐漸減小，指示比能耗增加，NOx和soot排放量減少。意味著動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性逐漸變差，排放性能逐漸變好。

圖7 乙醇含水率對柴油機(jī)性能的影響

當(dāng)乙醇含水率從0%增加到20%時(shí)，平均指示壓力從0.47 MPa下降到0.43 MPa，動(dòng)力性下降9.3%；指示比能耗從7.47 MJ/(kW·h)上升到8.30 MJ/(kW·h)，經(jīng)濟(jì)性下降10.9%；NOx排放從37.5×10-6下降到23.2×10-6，soot排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)從351×10-6下降到138×10-6，排放降幅分別為38.1%和60.6%。

3.4.2含水率閾值確定

乙醇含水率對柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放有不同程度的影響。以無水乙醇-生物柴油混合燃料作為對比分析的參考燃料，提出乙醇混合燃料含水率閾值的概念。燃用不同含水率的混合燃料時(shí)，當(dāng)平均指示壓力高于參考燃料對應(yīng)值的95%，指示比能耗低于參考燃料對應(yīng)值的105%，NOx和soot排放量分別高于參考燃料對應(yīng)值的95%和85%時(shí)，定義為混合燃料乙醇含水率閾值。以平均指示壓力和指示比能耗的變化百分比分別作為橫縱軸，以NOx和soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化百分比分別作為橫縱軸，繪制含水率閾值圖來評估柴油機(jī)含水允許范圍(見圖8)。

圖8中，以-5%和+5%分別作為平均指示壓力和指示比能耗變化的下限和上限，得W1，W3，W5和W10可作為動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的含水率閾值；以-5%和-15%分別作為NOx和soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化百分比的上限，得W3，W5，W7，W10，W15和W20可作為排放降低性能的含水率閾值?？梢钥闯觯掖己书撝禐?%、5%或10%時(shí)，對柴油機(jī)性能影響不大，考慮到乙醇的替代率，建議乙醇含水率的閾值為10%。

圖8 含水率閾值圖

4 結(jié)論

a) 當(dāng)乙醇含水率由0%增加到20%，最大燃燒壓力、缸內(nèi)平均溫度均有所降低，平均指示壓力降低，柴油機(jī)指示比能耗有所增加；

b) 生物柴油摻混含水乙醇能同時(shí)降低柴油機(jī)的NOx和soot排放，隨著乙醇含水率的增加，NOx和soot排放均呈現(xiàn)減少的趨勢，與無水乙醇相比，NOx和soot排放最大分別降低38.1%，60.6%；

c) 提出兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的含水乙醇-生物柴油混合燃料含水率閾值概念，并確定為10%。