EGR對(duì)正戊醇-生物柴油混合燃料的燃燒排放性能影響研究

余金山，李文浩，顏伏伍

EGR對(duì)正戊醇-生物柴油混合燃料的燃燒排放性能影響研究

余金山1, 2，李文浩1, 2，顏伏伍1, 2

(1. 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué)汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

通過(guò)構(gòu)建的一個(gè)新的包含79種組分和234個(gè)反應(yīng)的正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理耦合已有的生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理，得到了正戊醇-生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理，該組合機(jī)理經(jīng)過(guò)了滯燃期以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓、放熱率和排放驗(yàn)證，可以用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃用正戊醇生物柴油時(shí)的燃燒及排放特性分析．在一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)上，基于Converge仿真軟件研究了EGR條件對(duì)正戊醇-生物柴油混合燃料的燃燒排放性能影響．結(jié)果表明：在不同的正戊醇摻混比例下，隨著EGR率的增大，正戊醇-生物柴油混合燃料的缸壓和放熱率峰值都有所降低，滯燃期和燃燒持續(xù)期增加．相同EGR率時(shí)，隨著正戊醇摻混比例的提高，燃料的霧化特性得到改善，燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值升高；添加正戊醇和增大EGR率可顯著降低混合燃料的NO排放，在EGR率為30%、正戊醇摻混比例為40%時(shí)，NO最低排放可達(dá)0.08g/(kW·h)，與EGR率為0時(shí)相比降低了71%；混合燃料具有較大的的碳煙氧化潛力，碳煙排放都處于較低水平，在較小的EGR率下(＜20%)碳煙排放增加并不明顯，EGR率增加到30%時(shí)，燃燒惡化，碳煙的氧化受到了抑制，碳煙排放顯著增加．

EGR；正戊醇；生物柴油；燃燒；排放

為了克服內(nèi)燃機(jī)對(duì)化石燃料的依賴(lài)以及面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)，尋找可以用來(lái)替代傳統(tǒng)燃料的清潔燃料成為降低污染排放的一種重要途徑．21世紀(jì)以來(lái)，生物柴油和醇類(lèi)燃料作為汽車(chē)燃油的替代品引起了人們的極大興趣，生物柴油是一種由植物油、動(dòng)物油、廢棄油脂經(jīng)酯轉(zhuǎn)化而形成的可再生、環(huán)保的生物燃料，其燃料性能與石油基柴油較為接近，具有點(diǎn)火性能好、含硫量低以及優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，且由于不含芳香烴，碳煙排放較低[1]．在實(shí)際運(yùn)用中，無(wú)需改動(dòng)柴油機(jī)即可和柴油一起摻混燃燒，較高的閃點(diǎn)也有利于安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸．研究表明[2]：在柴油中摻混生物柴油后，碳煙、CO、HC排放量都有所下降，燃油消耗率以及NO排放升高．盡管生物柴油有許多優(yōu)點(diǎn)，但直接使用純生物柴油或在柴油混合燃料中使用高比例的生物柴油可能會(huì)導(dǎo)致霧化不良和燃燒不完全、燃油管路積碳或堵塞等問(wèn)題，同時(shí)，氮氧化物排放量高也是生物柴油需要解決的問(wèn)題，這些因素都影響了生物柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)上的運(yùn)用[3]．

研究人員對(duì)利用醇類(lèi)燃料作為柴油或生物柴油的添加劑來(lái)降低化石燃料的排放表現(xiàn)出了極大的興趣．一些來(lái)源廣泛的低碳醇，如甲醇和乙醇，具有高揮發(fā)性、低黏度和高含氧量等優(yōu)點(diǎn)，可以改善燃油噴霧燃燒和降低排放，受到了人們的關(guān)注，但由于其汽化潛熱高、熱值低、十六烷值低等缺點(diǎn)，阻礙了其在柴油機(jī)上的大量應(yīng)用[4-5]．具有5個(gè)碳原子的正戊醇作為一種可以通過(guò)糖類(lèi)合成和微生物發(fā)酵獲得的清潔燃料，與低碳醇相比較，具有較大的能量密度、更高的十六烷值和較低的汽化潛熱，可以很好地和柴油進(jìn)行混合，有效地改善了著火特性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)能力，也不必對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行額外改動(dòng)即可和柴油摻混實(shí)現(xiàn)在缸內(nèi)燃燒，這些優(yōu)勢(shì)使得正戊醇成為一種具有潛力的替代燃料[6-7]．目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)正戊醇在柴油機(jī)上的燃燒進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究[8-9]，結(jié)果表明：與柴油相比，添加戊醇后，燃料的霧化特性得到了改善，燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值升高，有效熱效率提高，有效燃油消耗率增大，混合燃料的碳煙和NO排放量減少．

正戊醇作為一種含氧燃料，揮發(fā)性好，具有很高的含氧量(18.15%)，在生物柴油中摻混正戊醇燃燒，可以解決生物柴油黏度高、揮發(fā)性差的缺點(diǎn)，在提高混合燃料的含氧量的同時(shí)，可以改善生物柴油的霧化蒸發(fā)特性，使油氣可以更快地混合和充分燃燒，同時(shí)正戊醇較高的汽化潛熱也可以降低缸內(nèi)的燃燒溫度，也削弱了NO的生成條件．文獻(xiàn)[10]的結(jié)果也說(shuō)明，生物柴油中摻入正戊醇具有較大的碳煙氧化潛力.同時(shí)，生物柴油具有的良好的點(diǎn)火性能也可以彌補(bǔ)戊醇燃料在著火性能上的不足．

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)正戊醇和生物柴油混合燃料的燃燒排放性能的研究相對(duì)較少，對(duì)正戊醇/生物柴油的化學(xué)燃燒機(jī)理也鮮有報(bào)道[11]．在此之前，Heufer等[12]已經(jīng)給出了正戊醇詳細(xì)的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來(lái)描述在低溫和高溫條件下的氧化和裂解，對(duì)于生物柴油，Herbinet等[13]提出用癸酸甲酯(MD)、癸烯酸甲酯(MD9D)、正庚烷的混合物的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)機(jī)理來(lái)作為生物柴油的替代機(jī)理，其中MD和MD9D分別用來(lái)模擬生物柴油中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸，Brakora等[14]根據(jù)此機(jī)理構(gòu)建了癸酸甲酯-癸烯酸甲酯-正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理．

由于目前對(duì)生物柴油化學(xué)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型的研究已較為成熟，而對(duì)正戊醇的簡(jiǎn)化機(jī)理以及多組分混合燃料機(jī)理的構(gòu)建的報(bào)道并不多．本文運(yùn)用基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法(DRGEP)、反應(yīng)路徑分析法、敏感性分析法、峰值濃度分析等方法，構(gòu)建了一個(gè)新的包含79種組分和234步反應(yīng)的正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理，該機(jī)理經(jīng)過(guò)了滯燃期，射流攪拌器組分濃度驗(yàn)證．在正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)，耦合了Brakora等[14]的生物柴油的簡(jiǎn)化機(jī)理，最終形成了正戊醇生物柴油混合燃料的簡(jiǎn)化機(jī)理．

EGR作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程控制以及降低NO排放的重要手段，可以降低燃燒溫度和NO排放量[15].由于生物柴油具有的高NO排放特點(diǎn)，筆者采用EGR手段來(lái)研究生物柴油正戊醇混合燃料的燃燒排放特性．根據(jù)生物柴油和正戊醇在混合燃料中的摻混體積比可得到以下種4不同的燃料：B100(純生物柴油)、BP10(摻混10%的正戊醇)、BP20(摻混20%的正戊醇)和BP40(摻混40%的正戊醇)．考慮到高EGR率會(huì)極大地影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，筆者選用0、10%、20%、30% 4種不同的EGR率，運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)模擬軟件Converge，結(jié)合所構(gòu)建的正戊醇生物柴油混合燃料簡(jiǎn)化機(jī)理，模擬研究了在不同的EGR率條件下不同的正戊醇生物柴油混合燃料的燃燒排放特性．

1?正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理的構(gòu)建與驗(yàn)證

1.1?正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理的構(gòu)建

基于Heufer等[12]提出正戊醇詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，簡(jiǎn)化流程首先采用DRGEP對(duì)機(jī)理進(jìn)行初步簡(jiǎn)化，計(jì)算在Chemkin軟件上進(jìn)行，模型采用軟件中封閉均質(zhì)模型，初始溫度設(shè)置為700～1400K，當(dāng)量比為0.5～2.0，初始?jí)毫?.1～5MPa，以滯燃期、CO和C2H2摩爾濃度為目標(biāo)設(shè)置相應(yīng)的誤差判斷閾值，除燃料nC5H11OH和O2以及最終的燃燒產(chǎn)物CO2和H2O外，保留nC4H9CHO、nC3H7、C2H3OH、C3H6、C2H2、CH2O和C2H4等燃燒過(guò)程中重要的中間產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到了一個(gè)包含198種組分和1020個(gè)反應(yīng)的半詳細(xì)機(jī)理．

將上一步得到的半詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)路徑分析和溫度敏感性分析來(lái)剔除機(jī)理中的冗余反應(yīng)，計(jì)算條件與上述相同，低溫時(shí)正戊醇的脫氫反應(yīng)是其主要的消耗反應(yīng)，隨著溫度的提高，活性自由基逐漸增加，加快了其他反應(yīng)鏈的進(jìn)行．高溫反應(yīng)時(shí)，正戊醇的主要反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂系母邷責(zé)峤夂臀齑蓟牧呀鈁16]，高溫?zé)峤夂土呀獾闹饕a(chǎn)物為烯醇烴、環(huán)氧醇等物質(zhì)，如nC3H7、PC4H9、C2H3OH、C3H6、C2H4OH等．它們是C2H4的主要來(lái)源，C2H4進(jìn)一步脫氫可生成C2H3以及C2H2，而C2H2是生成碳煙前驅(qū)體的關(guān)鍵組分．在敏感性分析中，保留敏感性系數(shù)較大的組分和反應(yīng)，對(duì)一部分敏感性不顯著的組分和反應(yīng)，可以考慮去除以進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)理．

為進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)理，對(duì)機(jī)理進(jìn)行峰值濃度分析(PCA)和反應(yīng)速率分析(ROP)．在當(dāng)量比為0.5～2，初始?jí)毫?.5～3MPa，溫度為700～1400K的條件下，通過(guò)設(shè)置不同的峰值濃度閾值，并將反應(yīng)物濃度分別按照所設(shè)置閾值從高到低依次進(jìn)行排序，刪除峰值濃度較低的部分組分．同時(shí)，為保證簡(jiǎn)化機(jī)理的準(zhǔn)確性，將刪除部分組分后的機(jī)理與上一步敏感性分析所得機(jī)理進(jìn)行滯燃期對(duì)比，當(dāng)兩者的相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)時(shí)，刪除組分后的機(jī)理可以用于下一步的簡(jiǎn)化，重復(fù)上述過(guò)程，可以對(duì)機(jī)理進(jìn)行反復(fù)簡(jiǎn)化．最后，將反應(yīng)速率較慢的非重要組分和反應(yīng)剔除，并對(duì)一些重要反應(yīng)的反應(yīng)速率進(jìn)行調(diào)整，最終得到了一個(gè)包含79種組分和234個(gè)反應(yīng)的正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理．

1.2?正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理的合理性，對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了滯燃期、流攪拌器組分濃度驗(yàn)證，其中滯燃期模擬計(jì)算是在Chemkin軟件的封閉均質(zhì)模型上進(jìn)行，初始溫度為700～1300K，當(dāng)量比為1，初始?jí)毫?.9MPa和3MPa，滯燃期定義為溫度升高至高于初始溫度400K的時(shí)刻．圖1是正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理、激波管試驗(yàn)數(shù)據(jù)，快速壓縮機(jī)(RCM)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17-18]的對(duì)比曲線(xiàn)，可以看出在0.9MPa和3MPa的試驗(yàn)壓力下，簡(jiǎn)化機(jī)理在高溫時(shí)與詳細(xì)機(jī)理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)總體上吻合較好，在低溫反應(yīng)區(qū)，簡(jiǎn)化機(jī)理的滯燃期預(yù)測(cè)略大于詳細(xì)機(jī)理，這是因?yàn)楹?jiǎn)化機(jī)理中移除了一部分的低溫反應(yīng)，使得低溫反應(yīng)的活性降低，滯燃期有所增加．

圖1?滯燃期驗(yàn)證

圖2是當(dāng)量比為1時(shí)簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理模擬預(yù)測(cè)的燃燒過(guò)程中主要組分(H2O、CO2、CO、O2、CH2O、CH4、C2H4、C3H6)的摩爾分?jǐn)?shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]的對(duì)比，整個(gè)模擬是在Chemkin軟件的PSR模塊上進(jìn)行，初始?jí)毫?MPa，當(dāng)量比為0.5～2，初始溫度為700～1200K．分析得出，簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)的正戊醇燃燒過(guò)程中的主要組分摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化規(guī)律與詳細(xì)機(jī)理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，雖然部分組分(如C2H4)摩爾分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)有所差異，但總體上簡(jiǎn)化機(jī)理對(duì)主要組分的摩爾分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)具有一定的精度．

圖2?組分濃度驗(yàn)證

2?正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理的構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1?正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理的構(gòu)建

本文采用Brakora等[14]構(gòu)建的MD/MD9D/ NC7H16生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理，該機(jī)理包含69種組分和170個(gè)反應(yīng)，并經(jīng)過(guò)了激波管滯燃期、層流火焰速度、預(yù)混火焰以及射流攪拌反應(yīng)器組分濃度驗(yàn)證和發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證，得到了廣泛運(yùn)用．將之前得到的正戊醇簡(jiǎn)化機(jī)理耦合到生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理中，去除正戊醇中重復(fù)的組分和反應(yīng)，并加入相應(yīng)的PAH[19]和NO[20]機(jī)理來(lái)預(yù)測(cè)碳煙和NO的生成，最終形成一個(gè)包含119種組分和448個(gè)反應(yīng)的正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理．

2.2?正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理的驗(yàn)證

2.2.1?滯燃期驗(yàn)證

由于生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理已得到了廣泛的驗(yàn)證[14]，且在合并過(guò)程中未對(duì)其做任何更改，所以不再對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證．在合并過(guò)程，由于去除了正戊醇中的一部分重復(fù)的反應(yīng)，為保證合并后機(jī)理對(duì)正戊醇仿真數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，將所得到的雙燃料組合機(jī)理與正戊醇詳細(xì)機(jī)理和正戊醇試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了滯燃期驗(yàn)證．計(jì)算在Chemkin軟件的封閉均質(zhì)模型上進(jìn)行，初始溫度為700～1300K，當(dāng)量比為1，初始?jí)毫?.9～3MPa，圖3是當(dāng)量比為1時(shí)正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理與正戊醇詳細(xì)機(jī)理、正戊醇激波管滯燃期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線(xiàn)．可以看出，正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)的滯燃期與正戊醇詳細(xì)機(jī)理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說(shuō)明組合機(jī)理仍然可以保證對(duì)正戊醇滯燃期數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性．

圖3?組合機(jī)理滯燃期驗(yàn)證

2.2.2?發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證

為確保下一步模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行缸壓和放熱率以及排放驗(yàn)證．采用Converge軟件耦合構(gòu)建的正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理，基于某高壓共軌柴油機(jī)建立燃燒室的計(jì)算模型，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示．由于模擬的柴油機(jī)采用8孔噴油器，為了提高計(jì)算效率，采用1/8的燃燒室作為計(jì)算區(qū)域，燃燒室計(jì)算模型如圖4所示.研究的工況轉(zhuǎn)速為1600r/min，噴油壓力為100MPa，噴油正時(shí)為9°CA BTDC，循環(huán)噴油量為30mg，計(jì)算區(qū)域設(shè)置為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻(-147°CA ATDC)至排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻(135°CA ATDC)之間的區(qū)域，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)確定進(jìn)氣壓力為0.23MPa，進(jìn)氣溫度為325K，EGR率設(shè)置為10%．計(jì)算過(guò)程中采用KH-RT噴霧破碎模型、O'Rourke碰撞模型、RNG-湍流模型、Frossling多組分蒸發(fā)模型[16]和多步現(xiàn)象學(xué)碳煙模型．

表1?柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1?Key specifications of diesel engine

圖4?燃燒室計(jì)算模型

試驗(yàn)采用在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上分別燃用B100(純生物柴油)、BP20(摻混20%正戊醇燃料)燃料(EGR為10%)燃燒時(shí)的缸內(nèi)壓力及放熱率曲線(xiàn)與模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，燃料的主要物性參數(shù)如表2所示．圖5是轉(zhuǎn)速1600r/min、進(jìn)氣壓力0.23MPa、EGR率為10%時(shí)，B100、BP20兩種燃料燃燒時(shí)缸內(nèi)壓力與放熱率和同一條件下仿真結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)，圖6是B100、BP10、BP20、BP40 4種不同燃料在工況轉(zhuǎn)速1600r/min，EGR為10%時(shí)NO和碳煙兩種排放物的試驗(yàn)值與仿真模擬值的對(duì)比曲線(xiàn)．可以看出，兩種燃料模擬的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，放熱率在上止點(diǎn)后變化曲線(xiàn)與試驗(yàn)值略有差異，但總體上變化趨勢(shì)相同.圖6的4種燃料的NO和碳煙模擬值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)基本一致且保持在同一數(shù)量級(jí)．由此表明，之前所構(gòu)建的正戊醇生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理，計(jì)算模型初始條件與邊界條件的設(shè)置均較為合理，能夠滿(mǎn)足對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真計(jì)算要求，可用于下一步的模擬計(jì)算．

表2?燃料的物性參數(shù)(20℃)

Tab.2?Physicochemical properties of fuel(20℃)

圖5?缸內(nèi)壓力與放熱率對(duì)比

圖6?發(fā)動(dòng)機(jī)排放驗(yàn)證

3?結(jié)果與分析

3.1?燃燒特性

圖7是不同的EGR率(0、10%、20%、30%)條件下，B100、BP10、BP20、BP40等4種燃料的缸壓和放熱率變化曲線(xiàn)，由圖可看出隨著EGR率的增大，4種燃料的缸內(nèi)壓力和放熱率峰值都有所下降，且放熱率峰值向后推遲，當(dāng)EGR率位于EGR≤20%較低范圍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力峰值曲線(xiàn)下降并不明顯，當(dāng)EGR率達(dá)到30%時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值有了一個(gè)明顯幅度的降低，最大降幅可達(dá)15%(B100)．這是因?yàn)殡S著EGR引入缸內(nèi)的廢氣增多，氣體比熱容增大溫度降低，且缸內(nèi)的氧氣濃度降低，導(dǎo)致燃燒惡化，所以缸內(nèi)壓力和放熱率都開(kāi)始下降.在4種燃油中，EGR的變化對(duì)B100燃料的影響最大，在不同的EGR率條件下缸內(nèi)壓力峰值分別下降4%、8%、15%(與EGR率為0相比)，由表2的物性參數(shù)表可以看出，生物柴油黏度大且揮發(fā)性差，使得燃料的蒸發(fā)霧化特性變差，油氣混合不均勻，再加上引入EGR帶來(lái)的氧氣濃度下降，使得燃燒環(huán)境變得更差，所以燃料B100的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值最?。谕籈GR條件下，4種燃料中BP40的缸內(nèi)壓力和放熱率的峰值最高，B100的缸內(nèi)壓力和放熱率的峰值最低，BP10和BP20處于兩者之間，這是由于戊醇和生物柴油具有的不同物理特性和化學(xué)特性造成的，戊醇蒸發(fā)潛熱較高，十六烷值較低，燃燒室燃燒溫度較低且混合氣的可燃性差，使得滯燃期變長(zhǎng)，加大了預(yù)混合燃燒比例，促進(jìn)油氣的充分混合．另外，戊醇具有更高的含氧量，也促進(jìn)了燃料的燃燒，所以加入正戊醇以后混合燃料的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值都有所提高．

圖8是EGR率為10%和30%時(shí)4種燃料的滯燃期、燃燒持續(xù)期、最高放熱率的對(duì)比，其中滯燃期定義是從噴油始點(diǎn)到CA5所經(jīng)過(guò)的曲軸轉(zhuǎn)角，CA5定義為循環(huán)累計(jì)放熱量達(dá)到總放熱量5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，CA90定義為循環(huán)累計(jì)放熱量達(dá)到總放熱量90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角．以CA5作為燃燒始點(diǎn)，CA90作為燃燒終點(diǎn)，燃燒持續(xù)期定義為燃燒終點(diǎn)與燃燒始點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角之差．當(dāng)EGR率增大到30%時(shí)，4種燃料滯燃期和燃燒持續(xù)期都有所增長(zhǎng)，最高放熱率降低，這是由于EGR率增加使得缸內(nèi)溫度降低燃料燃燒速度變慢，滯燃期和燃燒持續(xù)期都隨之增加．在同一EGR條件下，隨著正戊醇摻混比例的增加，滯燃期逐漸變長(zhǎng)，由于戊醇具有比生物柴油更好的揮發(fā)性以及黏度低等特點(diǎn)，可以使混合氣更快地形成和分布，加快了燃料的燃燒速度，所以加入戊醇后混合燃料燃燒持續(xù)期縮短．

圖7?不同EGR條件下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線(xiàn)

圖8?滯燃期、燃燒持續(xù)期、最高放熱率對(duì)比

3.2?排放特性

3.2.1?NO排放

圖9是B100、BP10、BP20、BP40 4種燃料在不同的EGR條件下NO排放物的生成歷程曲線(xiàn)，可以看出隨著EGR率的增大，NO生成量顯著降低，以BP40為例，與EGR率為0相比，NO最終生成量在EGR率10%、20%、30%的條件下依次降低了21%、40%、64%．這是由于EGR的引入帶來(lái)的低溫和低氧濃度氛圍抑制了NO的生成條件，使得NO顯著下降．4種燃料中，由于正戊醇具有的高蒸發(fā)潛熱，使得缸內(nèi)燃燒溫度降低，NO的生成有所減少，所以不同EGR條件對(duì)BP40燃料的NO生成量影響最大，其中NO最大降幅可達(dá)64%(EGR 30%)．

圖9?不同EGR條件下NOx的生成歷程

圖10是4種不同燃料的NO模擬排放隨EGR的變化規(guī)律．隨著EGR的增大，4種燃料的NO的排放都呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，其中NO最低排放可達(dá)0.08g/(kW·h)(BP40)，相比EGR率為0時(shí)降低了71%．同一EGR條件下，隨著正戊醇摻混比例的提高，NO排放也有所降低．EGR率為30%時(shí)，與B100相比，BP10、BP20、BP40的NO排放降了4%、10%、18%．由此可見(jiàn)，在生物柴油中摻混正戊醇，以及結(jié)合EGR手段，可以顯著降低NO的排放．圖11是不同EGR條件下NO排放物在曲軸轉(zhuǎn)角為20°CA ATDC時(shí)燃燒室內(nèi)的分布，NO的主要生成區(qū)域主要集中在油束的邊緣附近及燃燒室凹坑周邊的高溫區(qū)域，隨著EGR率的增加，對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)的高溫區(qū)域以及氧含量的下降，所以NO在缸內(nèi)高濃區(qū)域有所減少，由于正戊醇的高蒸發(fā)潛熱降低了缸內(nèi)溫度，所以隨著正戊醇摻混比例的增加，NO高濃區(qū)域也會(huì)略微減少，但相對(duì)于增大EGR帶來(lái)的變化并不明顯．

圖10?4種燃料NOx排放隨EGR的變化

圖11?20°CA ATDC時(shí)缸內(nèi)NOx分布

3.2.2?碳煙排放

圖12是B100、BP10、BP20、BP40 4種燃料在不同的EGR條件碳煙排放的生成歷程曲線(xiàn)，可以看出，隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加，碳煙的生成量先增加后減少，前期生成的一部分碳煙在燃燒后期被逐漸氧化，使得碳煙生成量逐漸減少．隨著EGR率的增大，4種燃料的碳煙生成量都逐漸增大，在較小的EGR率下(10%)，碳煙生成雖然有所增加但不明顯，這是因?yàn)樵谳^低的EGR率條件下，此時(shí)燃燒室內(nèi)的含氧量和燃燒溫度并沒(méi)有急劇降低，仍然處于較高的水平．同時(shí)，引入EGR使得燃料的滯燃期變長(zhǎng)，油氣混合得更加均勻，這也使得碳煙排放并沒(méi)有大幅上升．當(dāng)EGR率增加到30%時(shí)，燃燒室內(nèi)含氧量不斷降低，缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒惡化，碳煙的氧化受到了抑制，此時(shí)碳煙生成量大幅度增加．

圖12?不同EGR條件下碳煙的生成歷程

圖13是不同EGR條件下4種燃料最終碳煙排放量變化規(guī)律，從圖中可以看出，混合燃料的碳煙排放都處于一個(gè)較低的水平(＜0.04g/(kW·h))，在EGR率為0時(shí)最低可達(dá)0.0075g/(kW·h)(BP40)，在EGR率為30%時(shí)最高可增加至0.028g/(kW·h)(B100)．這是因?yàn)檎齑己蜕锊裼投际呛跞剂希旌先剂现泻休^低的芳香烴物質(zhì)，有利于減少碳煙前驅(qū)物的生成，同時(shí)混合燃料具有的高含氧優(yōu)點(diǎn)也可以促進(jìn)碳煙的氧化，所以其碳煙排放水平較低．在同一EGR水平下，隨著正戊醇的摻混比例增加，碳煙的排放量逐漸下降，以EGR率30%為例，與B100相比，BP10、BP20、BP40碳煙排放量分別降低了2.6%、3.5%、5.8%．這是由于正戊醇的揮發(fā)性和含氧量都優(yōu)于生物柴油，較好的揮發(fā)性有利于燃油和空氣進(jìn)行混合，減少局部過(guò)濃區(qū)的出現(xiàn)，加之較高的含氧量，使得混合燃料碳煙排放變得更低．

圖13?4種燃料碳煙排放隨EGR的變化

圖14是4種燃料在曲軸轉(zhuǎn)角為20°CA ATDC時(shí)不同EGR條件下缸內(nèi)的碳煙的分布，由分布切片圖可以看出，碳煙的生成量和生成區(qū)域隨著EGR和戊醇摻混比變化都有所改變．隨著EGR的增大，圖中的高亮區(qū)域逐漸增大，反映出碳煙生成逐漸增加的趨勢(shì)，而隨著正戊醇摻混比例的增加，圖中的高亮區(qū)域略有減少，反映出了正戊醇燃料的加入導(dǎo)致缸內(nèi)氧濃度的上升，促進(jìn)了碳煙的氧化反應(yīng)，碳煙有所下降.

圖14?20°CA ATDC時(shí)缸內(nèi)碳煙分布

4?結(jié)?論

(1) 構(gòu)建了正戊醇的簡(jiǎn)化機(jī)理，在此基礎(chǔ)上耦合生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理，得到了正戊醇生物柴油混合燃料的組合機(jī)理．該機(jī)理模擬所得到的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，同時(shí)對(duì)NO和碳煙的排放也能進(jìn)行較好地預(yù)測(cè)．因此，所構(gòu)建的組合機(jī)理可以用作燃用正戊醇生物柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放特性分析．

(2) 隨著EGR率的增大，正戊醇生物柴油混合燃料缸內(nèi)壓力和放熱率峰值降低，滯燃期和燃燒持續(xù)期增加．同一EGR條件下，正戊醇的高蒸發(fā)潛熱使得混合燃料滯燃期有所延長(zhǎng)，良好的揮發(fā)性能改善了燃料的霧化特性，使得燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值升高.

(3) 運(yùn)用EGR手段可顯著降低混合燃料的NO排放，NO生成量最大降幅可達(dá)64%(EGR率30%)，添加正戊醇后，缸內(nèi)燃燒溫度降低，也削弱了NO的生成條件．

(4) 混合燃料具有較大的的碳煙氧化潛力，碳煙排放處于一個(gè)較低的水平．在較小的EGR率(10%)下，碳煙生成雖然有所增加但不明顯，EGR率增加到30%時(shí)，燃燒室內(nèi)含氧量不斷降低，缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒惡化，碳煙的氧化受到了抑制，此時(shí)碳煙排放大幅度增加．

［1］ 鄭國(guó)香，劉瑞娜，李永峰. 能源微生物學(xué)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

Zheng Guoxiang，Liu Ruina，Li Yongfeng.[M]. Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2013(in Chinese).

［2］ 陳?韜，謝?輝，吳志新，等. 車(chē)用柴油機(jī)燃用生物柴油的排放特性[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2017，11(11)：5972-5977.

Chen Tao，Xie Hui，Wu Zhixin，et al. Emission properties of diesel engine fueled with biodiesel[J].，2017，11(11)：5972-5977(in Chinese).

［3］ Ilker Temizer，Omer Cihan，Bunyamin Eskici. Numerical and experimental investigation of the effect of biodiesel/diesel fuel on combustion characteristics in CI engine[J].，2020，270：117523.

［4］ 鄒?柯，項(xiàng)旭昇，李海言，等. 柴油摻燒甲醇預(yù)混合燃燒和排放特性[J]. 汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2015，6(3)：272-279.

Zou Ke，Xiang Xusheng，Li Haiyan，et al. Characteristics of combustion and emissions of the diesel/ methanol premixed compound combustion[J].，2015，6(3)：272-279(in Chinese).

［5］ Lee J，Lee S，Lee S. Experimental investigation on the performance and emissions characteristics of ethanol/diesel dual-fuel combustion[J].，2018，220：72-79.

［6］ 葉麗華，孫程煒，鄭慶明，等. 正戊醇/F-T柴油混合燃料顆粒官能團(tuán)與碳原子研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2018，36(6)：524-530.

Ye Lihua，Sun Chengwei，Zheng Qingming，et al. Study on functional group and carbon atom of particles with-pentanol/Fischer-Tropsch diesel blended fuel[J].，2018，36(6)：524-530(in Chinese).

［7］ 李?莉，王建昕，王?志，等. 柴油機(jī)燃用新型戊醇混合燃料的燃燒和排放特性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2015，33(2)：97-103.

Li Li，Wang Jianxin，Wang Zhi，et al. Combustion and emissions of diesel engine fuelled with pentanol blended fuel[J].，2015，33(2)：97-103(in Chinese).

［8］ Pan Mingzhang，Huang Rong，Liao Jinyang，et al. Experimental study of the spray，combustion，and emission performance of a diesel engine with high-pentanol blending ratios[J].，2019，194：1-10

［9］ Chen Hao，Su Xin，He Jingjing，et al. Investigation on combustion and emission characteristics of a common rail diesel engine fueled with diesel/n-pentanol/methanol blends[J].2019，167：297-311.

［10］ Zhang Zhihui，Balasubramanian Rajasekhar. Investigation of particulate emission characteristics of a diesel engine fueled with higher alcohols/biodiesel blends[J].，2016，163：71-80.

［11］ Ma Yinjie，Huang Ronghua，F(xiàn)u Jianqin，et al. Development of a diesel/biodiesel/alcohol (up to n-pentanol) combined mechanism based on reaction pathways analysis methodology[J].，2018，225：835-847.

［12］ Heufer K A，Sarathy S M，Curran H J，et al. Detailed kinetic modeling study of-pentanol oxidation [J].，2012，26(11)：6678-6685.

［13］ Herbinet O，Pitz W J，Westbrook C K. Detailed chemical kinetic mechanism for the oxidation of biodiesel fuels blend surrogate[J].，2010，157(5)：893-908.

［14］ Brakora Jessica，Reitz R D. A comprehensive combustion model for biodiesel-fueled engine simulations [C]//. USA，2013：2013-01-1099.

［15］ 梁?昱，周立迎，韓志嶸，等. 基于EGR的乙醇-生物柴油-柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2017，11(1)：413-420.

Liang Yu，Zhou Liying，Han Zhirong，et al. Emission performance of ethanol-biodiesel-diesel engine with exhast gas recirculation[J].，2017，11(1)：413-420(in Chinese).

［16］ Huang Haozhong，Lü Delin，Zhu Jizhen，et al. Development and validation of a new reduced diesel/-pentanol mechanism for diesel engine applications[J].，2018，32(9)：9934-9948.

［17］ Togbé C，Halter F，F(xiàn)oucher F，et al. Experimental and detailed kinetic modeling study of 1-pentanol oxidation in a JSR and combustion in a bomb[J].，2011，33(1)：367-374.

［18］ Heufer K A，Bugler J，Curran H J. A comparison of longer alkane and alcohol ignition including new experimental results for-pentanol and-hexanol[J].，2013，34(1)：511-518.

［19］ Wang Hu，Reitz R D，Yao Mingfa，et al. Development of an-heptane--butanol-PAH mechanism and its application for combustion and soot prediction[J].，2013，160(3)：504-519.

［20］ Wang Xin，Liu Haifeng，Zheng Zunqing，et al. Development of a reduced-butanol/biodiesel mechanism for a dual fuel engine[J].，2015，157：87-96.

Study on Influences of EGR on the Combustion and Emission Performance of n-Pentanol/Biodiesel Blends

Yu Jinshan1, 2，Li Wenhao1, 2，Yan Fuwu1, 2

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

A new reduced mechanism of n-pentanol containing 79 components and 234 reactions was established，which was coupled with the existing reduced mechanism of biodiesel to form the reduced mechanism of n-pentanol/biodiesel. This mechanism was verified by the ignition delay period as well as the cylinder pressure，heat release rate，and emissions of an engine，which can be used to analyze the combustion and emission characteristics of an engine fueled with n-pentanol /biodiesel. In a high-pressure common rail diesel engine，the influences of EGR on the combustion and emission characteristics of n-pentanol/biodiesel blends were studied using the simulation software CONVERGE. Results show that under different blending ratios of n-pentanol，with the increase of EGR，the peak values of both the cylinder pressure and heat release rate of n-pentanol/ biodiesel blends decrease，while the ignition delay and combustion duration increase. Under the same EGR condition，with the increase in the blending ratio of n-pentanol，the atomization characteristics of blends are improved，the combustion duration is shortened，and the peak heat release rate increases. Adding n-pentanol and increasing EGR can significantly reduce the NOemissions of blends. At EGR of 30% and the blending ratio of 40%，the lowest emission of NOis 0.08g/(kW·h)，which is 71% lower than that at EGR of 0. The blends have a great potential for soot oxidation，and the soot emissions are all at a low level. At a small EGR rate (＜20%)，the soot emissions do not increase significantly. When the EGR rate increases to 30%，the combustion deteriorates，the soot oxidation is restrained，and the soot emissions increase significantly.

EGR；n-pentanol；biodiesel；combustion；emission

TK16

A

1006-8740(2021)03-0279-10

10.11715/rskxjs.R202006019

2020-06-29．

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFC0211201).

余金山（1995—??），男，碩士研究生，yujinshan17@163.com.

李文浩，男，博士，講師，liwh@whut.edu.cn.

(責(zé)任編輯：武立有)