某船用增壓柴油機摻混生物柴油燃燒的性能影響仿真分析

王彬彬，高敬博，高占斌,2

(1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，廈門 361021)

0 引 言

隨著經(jīng)濟、社會不斷發(fā)展，未來世界能源需求量將持續(xù)增加，石油供求矛盾逐漸變成影響各國之間能源安全的因素之一[1-2]。柴油機出現(xiàn)至今已超過百余年，并隨著人類科技的進步不斷提高；目前船舶、鐵路、工廠、發(fā)電設(shè)備等都是以柴油機作為主要的動力推進設(shè)備[3-5]，為了減輕對化石燃料的依賴，世界各國在努力尋找可再生綠色能源代替化石燃料。

面對石油資源緊缺、船舶行業(yè)排放法規(guī)日益嚴(yán)峻，生物質(zhì)能源是一種可再生的綠色能源，其來源比較廣泛，一般可由植被種子、廢棄油脂等可再生動植物油脂加工生成[6]；生物柴油中不含有芳香烴，且?guī)缀醪缓?，因此排放廢氣中對人體有危害的NOX和SO2排放量較低，與柴油相比生物柴油更容易被微生物分解，可以有效降低船舶航運中燃油泄漏導(dǎo)致的海洋污染問題；生物柴油的理化性質(zhì)與柴油接近，摻混生物柴油燃燒時不需要對柴油機進行大規(guī)模改造，就可以直接進行摻混燃燒[7-8]；同時，生物柴油的運動粘度比柴油更高，摻混生物柴油可以有效減小柴油機零部件的磨損問題，從而延長發(fā)動機的使用壽命[9]。綜合以上優(yōu)點，生物柴油被世界各國所青睞，認為是優(yōu)質(zhì)的石化柴油代替品。

綜合以上因素，本文將通過仿真研究常規(guī)增壓柴油機進行摻混生物柴油燃燒，分析摻混生物柴油燃燒對常規(guī)增壓船用柴油機的性能影響。

1 研究方案

1.1 研究對象

本文采用TBD234型V列、6缸、四沖程柴油機為原型機建立GT-Power的仿真模型，柴油機的基本性能參數(shù)見表1。

表1 柴油機性能參數(shù)

1.2 仿真方案

運用GT-Power軟件對建立完成后的柴油機仿真模型進行摻混生物柴油燃燒。通過設(shè)置10%-100%共5個工況點10%-100%共6組不同生物柴油摻混比，分析生物柴油不同摻混比對柴油機動力性、經(jīng)濟性及NOX排放的影響。表2為推進特性下柴油機對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩，B0為柴油機純柴油燃燒模式。

表2 推進特性下柴油機對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩

2 GT-Power模型建立及校核

2.1 建立整機模型

基于柴油機的性能參數(shù)和邊界條件等，運用GT-Power軟件建立柴油機的仿真模型，主要包括氣缸、進排氣系統(tǒng)、曲軸箱、中冷器系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)以及渦輪增壓系統(tǒng)等。

2.2 生物柴油模型的建立

GT-Power軟件中自帶了一些常用的燃料模型如柴油、醇類燃料、醚類燃料、脂類燃料等，用戶可以從燃料模型庫中直接調(diào)用。但GT-Power軟件沒有提供生物柴油的燃料模型，因此需要用戶在自定義模塊自行建立生物柴油的燃料模型，本文參考相關(guān)文獻對生物柴油理化性質(zhì)進行設(shè)置，圖1為建立完成后的生物柴油液態(tài)燃油模型。

圖1 生物柴油液態(tài)燃油模型

2.3 燃油摻混模塊

運用柴油機仿真模型進行摻混生物柴油燃燒。圖2為GT-Power軟件噴油器模塊中燃油摻混界面，調(diào)用上文中已經(jīng)建好的生物柴油燃油模型進行摻混燃燒，本節(jié)直接利用噴油器模塊中Fluid Mixture Combined功能塊進行柴油機摻混生物柴油燃燒的仿真計算。

圖2 燃油摻混模塊

2.4 整機模型校核

運用GT-Power建立整機模型，通過比對柴油機純柴油燃燒的仿真值與實驗值來校驗仿真模型建立的準(zhǔn)確性。圖3為建立完成后的TBD234V6常規(guī)增壓柴油機仿真模型。

圖4為柴油機GT-Power整機模型在推進特性5個不同負荷工作時，最高燃燒壓力及燃油消耗率的校核。由圖可知，各負荷下柴油機最高燃燒壓力及燃油消耗率其仿真結(jié)果值和實驗所得值基本一致，計算得相對誤差在5%內(nèi)。校核結(jié)果：TBD-234V6型原常規(guī)增壓柴油機仿真模型建立較為正確，各模塊系數(shù)設(shè)置合理，為仿真結(jié)果提供準(zhǔn)確性。

圖3 TBD234V6柴油機的仿真模型

圖4 模型校核圖

3 摻混生物柴油燃燒的性能影響

3.1 動力性的影響

圖5、圖6為推進特性常規(guī)增壓柴油機不同生物柴油摻混比下，最高燃燒壓力和最高燃燒溫度的變化曲線。仿真結(jié)果表明：在同一負荷下，隨著生物柴油配比增大最高燃燒壓力呈下降趨勢，但下降幅度較小，在100%負荷時，B100的最高燃燒壓力比柴油機純柴油燃燒時降低了4.8%。柴油機最高燃燒溫度也隨著生物柴油配比增大呈下降趨勢，在100%負荷時，B20、B30、B40、B50、B100的最高燃燒溫度比柴油機純柴油燃燒時降低了1.1%、1.6%、2.1%、2.7%、5.4%。這是由于較柴油相比，生物柴油熱值相對偏低，燃燒同質(zhì)量燃油，柴油放出的熱量要高于生物柴油，燃燒同質(zhì)量的生物柴油為柴油機提供的動力和熱量都要小于燃燒同質(zhì)量的柴油，因此柴油機最高燃燒壓力和最高燃燒溫度隨著生物柴油摻混比增加而下降。

圖5 最高燃燒壓力

圖6 最高燃燒溫度

3.2 經(jīng)濟性的影響

圖7為推進特性常規(guī)增壓柴油機不同生物柴油摻混比下，柴油機燃油消耗率的變化曲線。仿真結(jié)果表明：在B10時，柴油機的燃油消耗率與原機純柴油燃燒時的燃油消耗率基本重合，但隨著生物柴油配比增加，燃油消耗率呈上升趨勢。柴油機在低負荷工作時，隨著生物柴油配比增大燃油消耗率上升速度較慢；但在高負荷工作時，隨著生物柴油配比增大燃油消耗率上升速度較快。在100%負荷時，生物柴油B10、B20、B30、B40、B50、B100的燃油消耗率較柴油機純柴油燃燒時高出了1.1%、1.4%、2.3%、7.6%、8.3%、12.5%。

研究分析可知，柴油機在較低的生物柴油摻混比燃燒時，由于生物柴油本身富含氧元素的特性，較低生物柴油摻混比提高了燃燒室內(nèi)氧含量，使燃油能夠燃燒更加充分，彌補了燃燒同質(zhì)量的燃油，生物柴油放出的熱量要低于柴油的不足。但是隨著生物柴油摻混比增大，生物柴油熱值低的缺點逐漸凸顯，摻混生物柴油燃燒想要達到相同機械效率，柴油-生物柴油的混合燃油消耗量會更多；因此隨著生物柴油配比增大燃油消耗率增加。

圖7 燃油消耗率

3.3 NOX排放的影響

圖8為推進特性常規(guī)增壓柴油機不同生物柴油摻混比下，NOX排放量的變化曲線。仿真結(jié)果表明：在同一負荷下，隨著生物柴油配比增加NOX排放量逐漸升高；在B10時，NOX排放量與原機純柴油燃燒時的NOX排放量區(qū)別不大；隨著生物柴油配比的增加，NOX排放量迅速增加。在100%負荷時，生物柴油不同摻混比例B10、B20、B30、B40、B50、B100的NOX排放量比柴油機純柴油燃燒時高出了0.5%、1%、1.4%、1.8%、2.4%、6.2%。

研究分析可知：NOx生成環(huán)境為高溫和富氧；生物柴油十六烷值數(shù)遠大于柴油，含氧量高以及低熱值性，摻混生物柴油增加燃燒室氧含量濃度，同時會導(dǎo)致燃燒室內(nèi)最高燃燒溫度下降，燃燒室內(nèi)溫度雖然下降會抑制NOx生成，但缸內(nèi)氧含量升高富氧有助于NOx生成；因此在同負荷下，隨著生物柴油配比增加伴隨著NOX排放量增加。

圖8 NOX的排放量

4 結(jié)束語

(1)運用GT-Power軟件搭建TBD234V6柴油機整機模型，并根據(jù)相關(guān)的參考文獻建立生物柴油的燃油模型，可以進行摻混生物柴油燃燒的仿真研究，為船用柴油機采用柴油/生物柴油混合燃油提供一定的指導(dǎo)依據(jù)；

(2)通過仿真分析，隨著生物柴油摻混比增大，柴油機的動力性和經(jīng)濟性呈下降趨勢，NOX排放量逐漸增加；

(3)仿真數(shù)據(jù)表明，柴油機摻混較低比例的生物柴油燃燒，柴油機整機性能影響不大，因此可以考慮較低摻混比生物柴油-柴油的混合燃油應(yīng)用到實踐中，從而減輕對化石燃油的依賴性。