低溫燃燒模式下電控柴油機摻燒丁醇性能分析

摘 要：為了研究正丁醇/柴油混合燃料對電控柴油機綜合性能的影響，采取在低溫燃燒模式下使用不同比例混合燃料的方法，建立4190型柴油機FIRE模型進行仿真研究，利用試驗臺架與仿真的結(jié)果對比，驗證了模型的準確性。設(shè)置4組正丁醇摻混比（blending ratio of n-butanol，BROB）及4組廢氣再循環(huán)率（exhaust gas recirculation rate，rEGR）進行仿真分析。結(jié)果表明：BROB增大，滯燃期延長，放熱率更高，燃燒性能得到改善;在高BROB（B30）和rEGR（12.5%）下，燃燒惡化，指示燃油消耗率明顯增大;B00、B10在低rEGR（0～7.5%）時動力性和經(jīng)濟性較好。rEGR對于降低NO排放方面較正丁醇明顯;正丁醇產(chǎn)生“低溫富氧”的環(huán)境，能有效抑制碳煙（soot）的生成;在低rEGR（0～7.5%），soot生成增多;在高rEGR（10%～12.5%），soot生成減少。

關(guān)鍵詞：正丁醇摻混比;EGR率;低溫燃燒;仿真;性能分析

中圖分類號：U664.121;TK421

文獻標志碼：A

傳統(tǒng)柴油機的NO與PM排放存在“此消彼長（trade-off）”的問題。探索新型的替代燃料成為減少大氣污染物排放、實現(xiàn)清潔高效燃燒的一條有效途徑[1]。丁醇作為一種新型的生物燃料和替代燃料，具有生產(chǎn)成本低、含氧、與柴油調(diào)和互溶性好、霧化性能好以及對燃油系統(tǒng)改動少的優(yōu)點。廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）、低溫預(yù)混合燃燒模式（如HCCI、PCCI、RCCI等）是降低柴油機排放的低溫燃燒技術(shù)[2]。正丁醇作為含氧燃料，能彌補低溫燃燒模式下進氣含氧量不足，達到同時有效降低柴油機NO和PM排放的目的。許多學者做了相關(guān)研究，張宗喜等[3]研究了柴油-甲醇-正丁醇混合燃料對柴油機排放的影響，得到了柴油機燃用醇類混合燃料可以同時降低NO和PM排放的結(jié)論。吉鵬等[4]建立FIRE燃燒模型，研究了生物柴油/正丁醇混合燃料的燃燒特性，隨著正丁醇摻混比（blending ratio of n-butanol，BROB）增大，NO和soot排放均降低。MOSS等[5]詳細研究了異丁醇柴油的摻混比對滯燃期的影響，并建立了詳細化學反應(yīng)動力學模型。HE等[6]研究表明，通過采用高EGR率（exhaust gas recirculation rate，rEGR）的方法，實現(xiàn)了NO和PM的較低排放。但這些方法沒有將低溫燃燒模式與混合燃料結(jié)合研究，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)柴油機較好的綜合性能。本文將研究BROB分別為B00、B10、B20、B30（0、10%、20%、30%，BROB指正丁醇在混合燃料中的質(zhì)量分數(shù)，見表1）時，采用4組不同EGR率（rEGR分別為0、7.5%、10%、12.5%）實現(xiàn)低溫燃燒，研究在低溫燃燒模式下不同質(zhì)量比例的正丁醇柴油混合燃料對電控柴油機綜合性能的影響，為實現(xiàn)柴油機清潔高效燃燒和節(jié)能減排提供一定的理論指導(dǎo)。

1 研究對象和仿真模型的建立

本文研究的4190型增壓電控柴油機：缸數(shù)四缸、ω型燃燒室、總排量23.82 L、標定功率220 kW、標定轉(zhuǎn)速1 000 r/min、缸徑×行程190 mm×210 mm、標定扭矩2 100 N·m、壓縮比14∶1。利用AVL-FIRE建立的仿真模型是從進氣門關(guān)閉（594°CA）到排氣門打開（841°CA）的缸內(nèi)燃燒過程，不考慮發(fā)動機進氣道和排氣道內(nèi)的氣體擾動過程。依據(jù)原機尺寸建立雙燃料燃燒室仿真模型，考慮到燃燒室的對稱性、噴油器噴孔數(shù)為8和簡化計算，選取1/8區(qū)域為計算網(wǎng)格[7]，如圖1所示。

2 試驗臺架及模型驗證

電控化改造后的試驗臺架如圖2所示。電控柴油機的控制核心是ECU（electronic control unit），它根據(jù)傳感器采集到的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等信號，達到精確化、數(shù)字化控制噴油規(guī)律的目的，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的燃燒。采用Kistler-2893A型燃燒分析儀、日本Horiba公司MEXA-7100D型排氣分析儀和AVL煙度分析儀對廢氣中CO、HC、soot、NO等體積分數(shù)進行測量;EGR閥可以控制進氣中廢氣的量（主要是CO2），來設(shè)定rEGR。在標定轉(zhuǎn)速1 000 r/min、標定工況下和rEGR為零時，分別選取純柴油（B00）和BROB 為20%的混合燃料（B20）進行試驗和仿真，試驗值和仿真值曲線有偏差，總體比較接近，如圖3所示，誤差不超過5%，建立的模型較準確，可以用于仿真研究。

3 仿真計算分析

3.1 對燃燒性能的影響

從圖4可以看出，在低rEGR（0、7.5%）下曲線變化趨勢基本一致，在高rEGR（10%、12.5%）下不同BROB曲線變化趨勢差別較明顯。具體來看，各

曲線在同一低rEGR下，隨著BROB增大，發(fā)火時刻延遲，最高壓力值也略有降低，在上止點附近差別較明顯。在同一高rEGR下，隨著BROB增大，相較于原機發(fā)火延遲變得更明顯，最高爆發(fā)壓力略有增高。這主要因為隨著rEGR增大，缸內(nèi)惰性氣體增多，熱容量增大，稀釋了可燃氣體，缸內(nèi)平均溫度降低，導(dǎo)致滯燃期延長。同時，BROB增大，氧含量增多，可燃混合氣汽化潛熱增大，而十六烷值降低，延長了滯燃期，在預(yù)混合階段可燃混合氣混合更均勻，使得最高爆發(fā)壓力增高[13]。從圖4還可以看出，在高rEGR下，放熱率曲線峰值更高，不同BROB下曲線峰值出現(xiàn)得更滯后。由于BROB增大，可燃混合氣汽化潛熱增大，從而延長滯燃期，使其混合更均勻，發(fā)火之后放熱率也更高。rEGR增大，缸內(nèi)惰性氣體的稀釋、熱容效應(yīng)越明顯，明顯延長滯燃期，推遲發(fā)火時刻。

3.2 對動力性和經(jīng)濟性的影響

從圖5（a）可以看出，各曲線整體呈下降趨勢，即在相同BROB下，隨著rEGR增大，各平均指示壓力相比B00降低，B20、B30降低幅度較大，在rEGR為10%、12.5%時，曲線出現(xiàn)波動。由于BROB增大，其十六烷值較小，混合氣熱值降低，滯燃期延長，使得發(fā)火逐漸偏離上止點，造成平均指示壓力下降。rEGR增大，缸內(nèi)平均溫度會降低，燃燒效率下降，平均指示壓力也隨之降低。在圖5（b）中指示功率呈下降趨勢，B30、B20相比B00下降更明顯。在低rEGR（0、7.5%），指示功率下降不明顯，而在高rEGR（10%、12.5%）時下降較明顯。這是因為BROB和rEGR增大，缸內(nèi)混合氣熱值降低，燃燒效率也隨之下降，指示功率與平均指示壓力正相關(guān)，曲線變化趨勢也與之類似。在圖5（c）中指示燃油消耗率均增大。B00和B10曲線比較接近，B30相比B00增長較明顯，在rEGR為7.5%時，指示燃油消耗率增長明顯加快。前面已經(jīng)分析，正丁醇的熱值與十六烷值均比柴油要低，BROB增大，滯燃期延長，rEGR增大使得燃燒偏離上止點，燃燒變得不理想。而在高BROB和rEGR下，燃燒變得惡化， 指示燃油消耗率也明顯增大。綜上，B00、B10在rEGR為0～7.5%時，發(fā)動機具有較好的動力性和經(jīng)濟性。所以選擇B10進行后文的排放特性分析。

3.3 對氮氧化物（NO）排放的影響

在圖6中，rEGR為零時，BROB增大，NO生成最后呈升高趨勢。rEGR提高，NO排放降低較明顯。在高rEGR，BROB增加，NO生成反而略有降低。高溫、富氧以及高溫環(huán)境持續(xù)時間，是NO生成的重要因素[14]。BROB對NO排放的影響主要體現(xiàn)在：一是正丁醇汽化潛熱較大，同時十六烷值較低，使得滯燃期延長，有利于燃氣混合均勻，正丁醇中含有氧，會形成富氧的環(huán)境;在低rEGR時，缸內(nèi)溫度較高，高溫富氧有利于NO的生成。二是正丁醇本身熱值較低，燃燒放熱較柴油少，汽化潛熱較大且易于蒸發(fā)，會使缸內(nèi)平均溫度降低;在高rEGR時，缸內(nèi)溫度會變得更低，高溫持續(xù)時間縮短，從而會抑制NO的生成。

在圖6中，BROB對NO的生成影響不是很明顯。rEGR對NO的生成影響較大，這是因為隨著rEGR增大，缸內(nèi)不參與燃燒的惰性氣體增多，混合氣熱容量隨之增大，缸內(nèi)溫度降低，NO生成降低。從圖7中可以看出，NO生成主要集中在燃燒室的底部區(qū)域，rEGR對NO的減排效果明顯，在高rEGR（12.5%）下，NO的排放被控制在很低的水平。

3.4 對碳煙（soot）排放的影響

缸內(nèi)“高溫、缺氧”的環(huán)境有利于碳煙（soot）的生成[15]。從圖8可以看出，在一定的rEGR下，隨著BROB增大，soot生成呈減少趨勢。在低rEGR（0、7.5%）時，相同的BROB曲線，soot生成呈增大的趨勢。而在高rEGR（10%、12.5%）時，相同BROB曲線，soot生成呈減少的趨勢。正丁醇對soot生成的影響體現(xiàn)在：一是正丁醇的十六烷值較低且汽化潛熱較高，會使滯燃期延長，有利于燃氣混合均勻，同時它是含氧燃料，使得混合氣氧濃度升高且分布均勻，從而減少soot的生成，摻混比越高這種效果越明顯。二是正丁醇熱值較低，蒸發(fā)性好，汽化潛熱較高，燃燒放熱較少，缸內(nèi)溫度會降低，從而抑制soot生成。所以正丁醇的加入會使缸內(nèi)產(chǎn)生“低溫富氧”的環(huán)境，soot生成會降低。

rEGR對soot生成的影響體現(xiàn)在：在低rEGR（0、7.5%）時，缸內(nèi)溫度較高，預(yù)混合燃燒階段燃空當量比較高，燃氣混合不是很均勻，缸內(nèi)局部存在缺氧的情況，EGR的熱容和稀釋作用會使氧濃度降低，從而會增大soot的生成，如圖9所示。而在高rEGR（10%、12.5%）時，EGR的熱容和稀釋作用更明顯，缸內(nèi)溫度會降低，導(dǎo)致滯燃期延長，使得燃氣混合較充分，如圖10氧原子濃度場圖，燃空當量比會降低，從而soot生成量減少。從圖10溫度場可以看出，隨著rEGR的增大，燃燒室高溫區(qū)溫度明顯降低，混合氣中的氧濃度被稀釋，這控制了NO生成的兩個重要條件，從而也降低了NO的生成。

4 結(jié)論

1）正丁醇具有較高的汽化潛熱，燃燒熱值較低，柴油摻燒正丁醇會使滯燃期延長，預(yù)混合期燃氣混合得更充分，有利于燃氣在速燃期快速放熱，使缸內(nèi)放熱率更高，有助于改善燃燒性能。EGR 的熱容和稀釋作用明顯，會使燃燒性能惡化，缸內(nèi)壓力、放熱率降低。

2） 正丁醇的十六烷值較小，缸內(nèi)混合氣熱值降低，隨著滯燃期延長，使得發(fā)火逐漸偏離上止點，平均指示壓力下降。rEGR增大，缸內(nèi)平均溫度隨之降低，燃燒效率會下降，指示功率降低。在高BROB和rEGR下，燃燒變得惡化，指示燃油消耗率也明顯增大。B00、B10在rEGR為0～7.5%時，發(fā)動機具有較好的動力性和經(jīng)濟性。

3） 高溫、富氧以及高溫環(huán)境持續(xù)時間，影響著NO的生成。EGR會顯著降低缸內(nèi)溫度，在降低NO排放方面作用較正丁醇明顯，在高rEGR（12.5%）時，NO排放降低接近零，實際上是犧牲部分動力性、經(jīng)濟性換取排放性。高溫、缺氧影響著soot的生成。正丁醇作為含氧燃料，使缸內(nèi)產(chǎn)生“低溫富氧”的環(huán)境，能有效抑制soot的生成。 在低rEGR（0～7.5%），預(yù)混合燃燒階段燃空當量比較高，soot生成增多。在高rEGR（10%～12.5%），滯燃期延長作用明顯，soot生成減少。

4）EGR是實現(xiàn)低溫燃燒，減少NO排放的有效措施。正丁醇作為新興的含氧替代燃料，能改善NO排放，解決采用EGR實現(xiàn)低溫燃燒而soot排放升高的問題，能較好地抑制soot的生成，從而克服了傳統(tǒng)燃料NO與PM排放“此消彼長（trade-off）”的問題，也有助于改善缸內(nèi)燃燒性能，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻：

[1]E J Q， LIU T， YANG W M， et al. A skeletal mechanism modeling on soot emission characteristics for biodiesel surrogates with varying fatty acid methyl esters proportion[J]. Applied Energy， 2016， 181： 322-331.

[2]ZHENG Z Q， XIA M T， LIU H F， et al. Experimental study on combustion and emissions of dual fuel RCCI mode fueled with biodiesel/n-butanol， biodiesel/2， 5-dimethylfuran and biodiesel/ethanol[J]. Energy， 2018， 148（1）： 824-838.

[3]張宗喜， 張營華， 李昊. 柴油-甲醇-正丁醇混合燃料對柴油機排放性能的影響[J]. 內(nèi)燃機工程， 2020， 41（3）： 35-41.

[4]吉鵬， 耿莉敏， 王燕娟， 等. 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[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學學報， 2019， 54（3）： 202-209.

[5]MOSS J T， BERKOWITZ A M，OHLSCHLAEGER M A. An experimental and kinetic modeling study of the oxidation of the four isomer of butanol[J]. Journal of Physical Chemistry A， 2008， 112（43）： 10843-10855.

[6]HE X， DURRETT R P， SUN Z X. Late intake valve closing as an emissions control strategy at tier 2 bin 5 engine-out NOx level[J]. SAE International Journal of Engines， 2009， 1（1）： 427-443.

[7]ZHENG Z Q， LI C L， LIU H F， et al. Experimental study on diesel conventional and low temperature combustion by fueling four isomers of butanol[J]. Fuel， 2015， 141： 109-119.

[8]SUDOL P E， GOUGH D V，PREBIHALO S E，et al. Impact of data bin size on the classification of diesel fuels using comprehensive two-dimensional gas chromatography with principal component analysis[J]. Talanta， 2020， 206： 120239.

[9]ASADI A， ZHANG Y N，MOHAMMADI H， et al. Combustion and emission characteristics of biomass derived biofuel， premixed in a diesel engine： a CFD study[J]. Renewable Energy， 2019， 138： 79-89.

[10]ZHU C S， IDEMUDIA C U， FENG W F. Improved logistic regression model for diabetes prediction by integrating pca and K-means techniques[J].Informatics in Medicine Unlocked， 2019， 17： 100179.

[11]孫程煒. 乙醇/正丁醇/柴油混合燃料燃燒排放特性及數(shù)值模擬研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學， 2019.

[12]韓偉強， 盧耀， 黃澤遠， 等. 預(yù)混比和噴油定時對異丁醇/柴油RCCI燃燒與排放特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2019， 35（9）： 88-96.

[13]WEI M R， LI S， XIAO H L， et al. Combustion performance and pollutant emissions analysis using diesel/gasoline/ iso-butanol blends in a diesel engine[J]. Energy Conversion and Management， 2017， 149（1）： 381-391.

[14]MANNSCHRECK K，KLEMP D，KLEY D， et al. Evaluation of an emission inventory by comparisons of modelled and measured emission ratios of individual HCs， CO and NOx[J]. Atmospheric Environment， 2018， 36： 81-94.

[15]ZHANG Z Q， E J Q， CHEN J W， et al. Effects of low-level water addition on spray， combustion and emission characteristics of a medium speed diesel engine fueled with biodiesel fuel[J]. Fuel， 2019， 239：245-262.

（責任編輯：曾 晶）

Abstract：

In order to study the effect of n-butanol/diesel blended fuel on the comprehensive performance of diesel engine， the FIRE model of 4190 diesel engine was established by using different proportion of blended fuel in low temperature combustion mode， and the accuracy of the model was verified by comparing the test bench with the simulation results.Four blending ratios of n-butanol（BROB）and four exhaust gas recirculation rates（rEGR） were set for simulation analysis.The results show that with the increase of BROB， the combustion delay period is prolonged， the heat release rate is higher， and the combustion performance is improved; At the high BROB（B30） and rEGR（12.5%）， the combustion deteriorates， the indicating fuel consumption rate increases significantly; The power and economy of B00 and B10 are better at low rEGR（0～7.5%）; rEGR reducing NO emission is more obvious than n-butanol; N-butanol produced \"low temperature and rich oxygen\" environment， which could effectively inhibit soot generation; At low rEGR（0～7.5%）， soot generation increased; At high rEGR（10%～12.5%）， soot generation decreased.

Key words：

blending ratio of n-butanol; EGR rate; low temperature combustion; simulation; performance analysis