噴油策略及EGR對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的仿真研究

王文慧 宮濤 嚴(yán)才秀 羅美琴 吳沉

摘要：選取4100QBZL柴油機(jī)，燃燒B20生物柴油混合燃料，以預(yù)主噴間隔、預(yù)噴持續(xù)期、EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為研究對(duì)象，采用AVL-FIRE軟件進(jìn)行仿真模擬，用正交試驗(yàn)找出最佳優(yōu)化組合。結(jié)果表明：三個(gè)因素對(duì)NOX和Soot排放的影響主次順序?yàn)椋篍GR質(zhì)量分?jǐn)?shù)、預(yù)噴持續(xù)期、預(yù)主噴間隔;將三個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化組合并改進(jìn)可以達(dá)到同時(shí)降低NOX和Soot的目的。

Abstract： Aiming at 4100 QBZL automotive diesel engine， B20 as fuel， the pre-main injection interval angle， Pre-injection duration angle， and EGR mass fraction as research subjects， and through AVL-FIRE and orthogonal experiment method proceeding simulation calculation. the result shows that the Primary and secondary order of three factors on diesel is： EGR mass fraction， Pre-injection duration angle，pre-main injection interval angle. Finally the optimal combination of all the parameters is found in this article which could reduce emissions.

關(guān)鍵詞：生物柴油;正交試驗(yàn);多次噴射; EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Key words： biodiesel;orthogonal test method;multiple injection;EGR mass fraction

中圖分類號(hào)：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0017-03

0? 引言

生物柴油是可再生資源，并可與柴油任意比例調(diào)和，在柴油機(jī)上直接使用。本文采用由地溝油提煉而成的生物柴油以20%比例和柴油混合（B20）[1]，本文使用正交試驗(yàn)法確定多次噴射的參數(shù)搭配及試驗(yàn)次數(shù)，AVL-FIRE軟件進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，從而得到參數(shù)的優(yōu)化選擇，并使NOX和Soot[2][3]的排放量同時(shí)降低。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

本文選取4100BZL型柴油機(jī)來建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其基本參?shù)及邊界條件見表1。

缸內(nèi)氣體流動(dòng)模擬根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律來求解平均運(yùn)輸方程。為使方程組封閉，必須建立模型。研究中采用標(biāo)準(zhǔn)方程，湍流模型采用K-zeta-f，湍流擴(kuò)散模型采用Enable，蒸發(fā)模型采用Mult-component，破碎模型選用Wave，燃燒模型采用ECFM3Z，NOX模型選用Extend Zeldovich，Soot模型選用Frolov Kinetic[4]-[5]。

2? 模型優(yōu)化參數(shù)的選取

本文選取預(yù)主噴間隔（A）、預(yù)噴持續(xù)期（B）、EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）作為多次噴射試驗(yàn)的研究對(duì)象。將A、B、C的四個(gè)水平隨機(jī)排列，得表2。在仿真試驗(yàn)中，固定參數(shù)有預(yù)噴量為10%，主噴起始點(diǎn)為710℃A，主噴完結(jié)點(diǎn)為733℃A。

根據(jù)因素和水平數(shù)，選擇L64（421）來設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[6]。表3為正交試驗(yàn)方案的表頭設(shè)計(jì)，其中A×B、B×A和AB，A×C、C×A和AC，B×C、C×B和BC分別表示A與B、A與C、B與C之間的交互作用。

運(yùn)用Fire軟件對(duì)正交試驗(yàn)方案的64組試驗(yàn)逐個(gè)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。表4為計(jì)算結(jié)果。

3? 單指標(biāo)分析

3.1 NOX排放性分析

將表4中的NOX排放量進(jìn)行方差分析，得到NOX方差分析表5。從表5看出，因素A、B、C及B×C對(duì)NOX排放量的影響特別顯著，A×B影響顯著。由于B×C的均方值比B和C的均方值都小[6]，故各因素對(duì)NOX排放量的影響的主次順序?yàn)椋篊>B>A>B×C >A×B。

圖1為各因素水平數(shù)所對(duì)應(yīng)的NOX排放量。從圖1中看出，若只考慮單因素，則選取水平值為A3、B2、C4的時(shí)候NOX的排放量最少，此時(shí)優(yōu)化方案為A3B2C4，為第40組方案，其排放量為0.736×10-5。通過B×C二元表，可得當(dāng)B1×C4的時(shí)候，NOX的排放量最少。此時(shí)優(yōu)化方案為A3B1C4，為第36組方案，排放量0.7131×10-5。此時(shí)NOX排放量是所有仿真數(shù)據(jù)中最低。

A×B影響對(duì)NOX排放量影響最低，故不考慮A×B對(duì)NOX排放量的影響。

通過以上分析，可知在因素B的實(shí)際取值過程中，要考慮B×C的交互作用。不能直接忽略。

3.2 Soot的排放分析

將表5中的Soot排放量進(jìn)行方差分析，得到Soot排放方差分析表6?？傻靡蛩谹、B、C和A×B是影響Soot排放性的高度顯著因素，其他皆為非顯著因素。由于A×B的均方值比A和B的均方值都小，各因素對(duì)Soot排放量的影響的主次順序?yàn)椋築>A>C>A×B。

圖2為各因素水平數(shù)所對(duì)應(yīng)的Soot排放量。可看出，當(dāng)選擇A3、B1和C4時(shí)Soot排放量最低，優(yōu)化方案是A3B1C4，為第36組方案，排放量4.4001×10-4。為所有仿真數(shù)據(jù)中最低。

4? 優(yōu)化方案的選取和驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化方案選取

本文模擬工況為負(fù)荷率50%、轉(zhuǎn)速為2200rpm。相對(duì)于滿負(fù)荷而言，本文工況過量空氣系數(shù)較大，B20在燃燒過程中，NOX比Soot容易生成，且兩者的加權(quán)比約為3：1[7]。使用綜合評(píng)分法，分別設(shè)置NOX和Soot的權(quán)重為0.75、 0.25。對(duì)所得新數(shù)值進(jìn)行方差分析，得到三個(gè)因素對(duì)生物柴油機(jī)NOX和Soot排放量影響的主次順序?yàn)椋篊>B>A，優(yōu)化方案為A3B1C4，與之前取得NOX和Soot排放量最低值時(shí)的最優(yōu)方案相同，都是仿真模擬第36組試驗(yàn)。即預(yù)主噴間隔取6°CA，預(yù)噴持續(xù)期取8°CA，EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4。

4.2 優(yōu)化方案驗(yàn)證

將上述分析得到的優(yōu)化方案A3B1C4，與燃燒B20單次噴射且EGR質(zhì)量份數(shù)為0情況下所得到性能指標(biāo)相比，得到表7?？芍狽OX排放量下降82.12%，Soot卻上升8.52%，NOX減排效果顯著，但是Soot沒有達(dá)到減排目標(biāo)。

通過以上分析可知，EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)NOX和Soot排放量影響最顯著的因素，而且從水平圖中可看出，隨著EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，Soot的排放量在降低，故在使其他因素都不變的情況下，將EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.5，在進(jìn)行一次仿真模擬。即預(yù)主噴間隔取6°CA，預(yù)噴持續(xù)期取8°CA，EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為NOX排放量為0.29087×10-5，Soot排放量為4.0242×10-4，均小于無優(yōu)化方案中NOX和Soot排放量。

5? 結(jié)論

①針對(duì)4100QBZL柴油機(jī)，EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NOX和Soot排放量影響最顯著;預(yù)噴持續(xù)期次之;預(yù)主噴間隔最次。都是特別顯著因素。

②運(yùn)用方差分析法及實(shí)際驗(yàn)證可知，B與C的交互作用對(duì)NOX排放量的影響具有特別顯著作用，在實(shí)際應(yīng)用中需要重點(diǎn)考慮;各因素之間的交互作用對(duì)Soot排放量的影響不如單因素影響顯著，可以不用考慮。

③選定的預(yù)主噴多參數(shù)優(yōu)化方案為A3B1C4，但此方案并沒有同時(shí)降低NOX和Soot的排放量，所以對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)：A和B兩因素仍然取A3和B1兩個(gè)水平，但C因素取為0.5。如此，即可達(dá)到同時(shí)降低NOX和Soot的排放量的目的。

④本論文尚有不足之處，如過高的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)有可能對(duì)生物柴油機(jī)動(dòng)力性產(chǎn)生影響;實(shí)驗(yàn)限制沒有對(duì)更多的因素進(jìn)行仿真模擬等。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜家益.EGR對(duì)生物柴油顆粒物微觀結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2020，38（02）.

[2]Hu Wang， Experimental Study of the Influence of Multi-injection Coupled with EGR on Diesel Perforimance and Emssion. Transaction of CSICE， vol 28，pp.26-32，2008（In Chinese）.

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[7]張琦.生物柴油添加比例對(duì)輕型柴油機(jī)性能及排放影響的研究[D].吉林在學(xué)，2009.