正戊醇-柴油燃燒與排放特性的試驗(yàn)與仿真研究

王賽，朱召軍，郭曉宇，呂德淋，陳英杰，朱繼貞，黃豪中

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

開(kāi)發(fā)和研究新型清潔能源可以減少進(jìn)口石油、避免越來(lái)越高的油價(jià)對(duì)我國(guó)發(fā)展造成影響，也是減少大氣污染的有效方法，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)環(huán)境科學(xué)治理和國(guó)家安全都有重要意義。車(chē)用清潔可再生能源開(kāi)發(fā)是車(chē)輛工業(yè)節(jié)能減排研究的主要方向之一，中國(guó)的“十四五”規(guī)劃與歐盟委員會(huì)有關(guān)“2030年環(huán)境和能源結(jié)構(gòu)”的項(xiàng)目都在建議發(fā)展可再生新能源[1]。其中，醇類(lèi)燃料可以應(yīng)用在柴油機(jī)[2-3]，也可以應(yīng)用在汽油機(jī)，被認(rèn)為是最有潛力替代石油化石能源的燃料之一。

正戊醇化學(xué)式為C5H12O，含氧量多，著火溫度、粘度和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較低，可以從工程微生物的自然發(fā)酵和葡萄糖的生物合成中生產(chǎn)獲取[4-5]。ZHANG等[6]研究了丁醇-柴油和戊醇-柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒參數(shù)和排放特性，發(fā)現(xiàn)在比例相同情況下戊醇-柴油比丁醇-柴油的燃油消耗率少。ANTHNOY等[7]通過(guò)研究不同正戊醇比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加正戊醇可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒數(shù)濃度和減少排放顆粒質(zhì)量濃度，而且正戊醇比例增加，顆粒減少越明顯。WANG等[8]研究發(fā)現(xiàn)，添加戊醇可以減少碳煙Soot和NOx排放。正戊醇-柴油燃料比純柴油呈現(xiàn)更佳的熱效率，并增強(qiáng)抗爆震性。KUMAR等[9]在低溫燃燒(LTC)工況進(jìn)行正戊醇-柴油試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加正戊醇可顯著減少NOx和顆粒排放量。YOSHIMOTO等[10]研究了正戊醇-生物柴油燃料對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，結(jié)果表明，在生物柴油中添加正戊醇可減少Soot排放。

目前，有關(guān)正戊醇-柴油減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放的機(jī)理還不十分明了。因此，本研究通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和仿真運(yùn)算相驗(yàn)證的方法，在不同負(fù)荷工況下研究3種不同正戊醇比例燃料(D100、H30和H45)對(duì)柴油機(jī)燃燒參數(shù)和排放特性的變化規(guī)律。研究結(jié)果可為正戊醇-柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)給予理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)燃料與方案

試驗(yàn)燃料共3種，在柴油中加入體積比分別為30%和45%的正戊醇，制成正戊醇-柴油試驗(yàn)燃料，分別表示為H30和H45；另一種試驗(yàn)燃料為純柴油，表示為D100，D100為基準(zhǔn)燃料。表1為這些燃料的各項(xiàng)物理化學(xué)參數(shù)。

表1 純柴油、正戊醇、H30和H45的物理化學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)裝置和方法

2.1 試驗(yàn)裝置

圖1所示為試驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理圖，所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)四缸、增壓中冷車(chē)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)系統(tǒng)包括參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和試驗(yàn)控制系統(tǒng)。參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要有缸內(nèi)燃燒參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)量系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)主要有電子控制單元、INCA軟件系統(tǒng)和線束測(cè)量模塊組成。

1.油箱； 2.燃油過(guò)濾器； 3.油耗儀； 4.高壓油泵； 5.ECU； 6.燃燒參數(shù)檢測(cè)儀； 7.ECU控制臺(tái)； 8.發(fā)動(dòng)機(jī)控制柜； 9.電渦流測(cè)功機(jī)； 10.發(fā)動(dòng)機(jī)； 11.角標(biāo)儀； 12.高壓共軌管； 13.缸內(nèi)壓力傳感器； 14.噴油器； 15.熱交換器； 16.EGR閥； 17.進(jìn)氣中冷器； 18.空氣流量計(jì)； 19.Cambustion顆粒分析儀 dms500MkⅡ；20.Horiba MEXA-7100DEGR排放分析儀； 21.415SE煙度計(jì)；22.壓力閥

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)過(guò)程中冷卻水溫度和進(jìn)氣溫度控制在(85±3)℃和(30±2)℃，系統(tǒng)噴油壓力為120 MPa，噴油正時(shí)-3°CA(ATDC)。試驗(yàn)固定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，負(fù)荷工況有5種(表3)，研究正戊醇比例(D100、H30和H45)和負(fù)荷對(duì)正戊醇-柴油燃料的燃燒和排放特性的影響。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)

2.3 仿真運(yùn)算方法

本研究運(yùn)用CONVERGE進(jìn)行模型的建立和網(wǎng)格的劃分，仿真運(yùn)算發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒過(guò)程。所用的主要仿真運(yùn)算模型見(jiàn)表4。仿真運(yùn)算之前，運(yùn)用缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)平均溫度的仿真結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，選取四種基礎(chǔ)網(wǎng)格(1、2、3、4 mm)。結(jié)果表明不同網(wǎng)格尺寸對(duì)缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)平均溫度數(shù)值影響不大?？紤]運(yùn)算效率與準(zhǔn)確度，最終選取2 mm基礎(chǔ)網(wǎng)格，燃燒室運(yùn)算網(wǎng)格圖如圖2所示。

表4 仿真運(yùn)算模型

圖2 運(yùn)算網(wǎng)格圖

正戊醇機(jī)理采用本課題組構(gòu)建的正庚烷-正丁基苯-正戊醇-多環(huán)芳烴燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，此機(jī)理經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可用于柴油機(jī)仿真運(yùn)算，包括178個(gè)物種和746個(gè)化學(xué)反應(yīng)[12]。

2.4 試驗(yàn)值與仿真值驗(yàn)證

圖3所示為在不同進(jìn)氣氧濃度工況D100、H30和H45燃料的缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率的試驗(yàn)值與 CONVERGE仿真運(yùn)算結(jié)果對(duì)比。從圖3中可知，試驗(yàn)值與仿真結(jié)果基本一致。說(shuō)明本研究建立的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型可用于研究正戊醇-柴油的燃燒過(guò)程。

(a) D100

3 試驗(yàn)與仿真運(yùn)算結(jié)果分析

3.1 正戊醇比例對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的影響

3.1.1 缸內(nèi)平均壓力、缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率和最大壓力升高率分析

圖4所示為不同負(fù)荷工況D100、H30和H45燃料缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率。從圖4中可知，負(fù)荷增加時(shí)，3種燃料的缸內(nèi)平均壓力峰值增加。當(dāng)正戊醇比例增加時(shí)，缸內(nèi)平均壓力和缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率的峰值增加，這是因?yàn)椋环矫嬲齑颊扯容^低，改善了燃料的蒸發(fā)和霧化，缸內(nèi)形成可燃混合氣的燃料增加；另一方面，正戊醇的十六烷值比柴油少，柴油機(jī)缸內(nèi)滯燃期增加，滯燃期內(nèi)燃燒準(zhǔn)備更加充分。此外，正戊醇含氧量更多，可增加燃燒速率，促進(jìn)燃燒過(guò)程。

(a) 0.4BMEP負(fù)荷工況

圖5是在不同負(fù)荷工況下D100、H30和H45燃料的缸內(nèi)最大壓力升高率。從圖5中可知，正戊醇比例增加時(shí)，最大壓力升高率上升。負(fù)荷增加時(shí)，3種燃料的最大壓力升高率先增加，在中高負(fù)荷時(shí)增加幅度減少。主要因?yàn)椋?fù)荷增加時(shí)，缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，燃燒速率增加，最大壓力升高率升高。負(fù)荷增加至一定程度時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)減小，缸內(nèi)氧含量減少,缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量增加幅度減少，最大壓力升高率升高幅度有所減少。

圖5 不同負(fù)荷工況D100、H30和H45燃料最大壓力升高率

3.1.2 CA50、滯燃期、有效熱效率分析

圖6是不同負(fù)荷工況3種燃料的滯燃期、CA50和有效熱效率。由圖6可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，滯燃期減少，CA50更早，有效熱效率升高。這是因?yàn)樨?fù)荷增加時(shí)，缸內(nèi)熱負(fù)荷增大[13]，使得缸內(nèi)更快產(chǎn)生第一個(gè)火焰核并且開(kāi)始燃燒，滯燃期減少，缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒開(kāi)始更早，產(chǎn)生熱量更多，CA50時(shí)刻更早。而且缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ乃俣群退偃计趦?nèi)的燃燒速度增加，燃燒過(guò)程進(jìn)展更完全，燃燒過(guò)程產(chǎn)熱更加集中，所以有效熱效率增加[14]。

(a) 滯燃期

圖6還顯示出隨著燃料正戊醇比例的增加，試驗(yàn)工況的滯燃期增加，這是因?yàn)檎齑颊舭l(fā)潛熱數(shù)值比柴油更大，燃料在蒸發(fā)過(guò)程中吸熱，壓縮過(guò)程始點(diǎn)的溫度減少，壓縮的燃料氣體的等熵指數(shù)較小，壓縮過(guò)程終點(diǎn)溫度減少，而且正戊醇十六烷值比柴油少，滯燃期增加。從圖6中可知，隨著正戊醇比例增加，有效熱效率增加。這是因?yàn)檎齑己趿慷?，霧化質(zhì)量更佳，增加了缸內(nèi)燃燒速率，所以增加了有效熱效率。

3.2 正戊醇比例對(duì)正戊醇-柴油燃料排放特性的影響

3.2.1 CO和HC排放分析

圖7和圖8顯示了D100、H30和H45燃料在不同負(fù)荷工況下的CO和HC的排放曲線。由圖7和圖8可以看到在中低負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，三種燃料的CO和HC排放減少，正戊醇-柴油的CO和HC排放比柴油多。這是因?yàn)檎齑?柴油燃料的蒸發(fā)潛熱值較大，在缸內(nèi)燃燒過(guò)程需吸取熱量，使得缸內(nèi)溫度減少，不利于CO和HC進(jìn)一步氧化。而且正戊醇比例增加時(shí)，缸蓋底面和活塞頂面凹坑的燃料濃度增加，區(qū)域燃料過(guò)濃，氧含量減少，抑制CO和HC的氧化過(guò)程(圖9)。

圖7 不同負(fù)荷工況D100、H30和H45燃料CO排放曲線

圖8 不同負(fù)荷工況D100、H30和H45燃料HC排放曲線

圖9 D100、H30和H45燃料CA50和CA90時(shí)刻CO和燃料質(zhì)量分布(19.6 %進(jìn)氣氧濃度工況,負(fù)荷0.6 MPa)

D100、H30和H45燃料CA50和CA90時(shí)刻CO和燃料質(zhì)量分布(19.6%進(jìn)氣氧濃度工況,負(fù)荷0.6 MPa)如圖9所示，由圖9可以看出，在較高負(fù)荷工況，正戊醇比例增加時(shí)，CO排放減少。在較高負(fù)荷工況，缸內(nèi)燃燒溫度增加[15]，正戊醇蒸發(fā)潛熱對(duì)缸內(nèi)溫度降低的影響不明顯，而且由于正戊醇-柴油燃料的氧含量更高，有利于CO的氧化，所以在較高負(fù)荷工況，正戊醇比例增加，CO排放減少。

3.2.2 NOx排放分析

NOx的形成取決于燃燒峰值溫度、缸內(nèi)氧氣量和燃燒化學(xué)時(shí)間。NO是NOx的最主要的成分。圖10是D100、H30和H45燃料在不同負(fù)荷工況下的NOx排放試驗(yàn)結(jié)果曲線。從圖10中可知，負(fù)荷增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx試驗(yàn)排放增加。這是因?yàn)?，?fù)荷增加時(shí)，缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，缸內(nèi)燃燒溫度增加，NOx生成量增加。圖11是在19.6%和15.3%進(jìn)氣氧濃度工況三種燃料的CA50時(shí)刻N(yùn)O質(zhì)量分布，從圖10中可知，隨著正戊醇比例增加，NO減少，所以NOx排放減少，這是因?yàn)檎齑颊舭l(fā)潛熱值較大而降低缸內(nèi)溫度產(chǎn)生的影響起到主要作用(圖12)。

圖10 不同負(fù)荷工況D100、H30和H45燃料NOx排放曲線

圖11 D100、H30和H45燃料CA50時(shí)刻N(yùn)O質(zhì)量分布(19.6 %和15.3 %進(jìn)氣氧濃度工況)

圖12 D100、H30和H45燃料CA50、CA90時(shí)刻溫度分布(19.6 %進(jìn)氣氧濃度工況)

3.2.3 Soot排放分析

圖13是不同負(fù)荷工況下3種燃料的Soot排放曲線，從圖13中可知，正戊醇比例增加，Soot排放減少。這是因?yàn)?，正戊醇添加，缸?nèi)滯燃期增加，而且正戊醇-柴油粘度更低，燃料霧化質(zhì)量更佳，促進(jìn)了滯燃期內(nèi)均勻可燃?xì)怏w的形成。正戊醇-柴油燃料的氧含量較多，改善了缸內(nèi)可燃?xì)怏w區(qū)域過(guò)濃而缺氧的狀況(圖14)。正戊醇-柴油燃料相比柴油的芳香烴含量比例更少，減少Soot前驅(qū)物的形成，醇類(lèi)還含有羥基，燃燒更加充分，減少了Soot的生成。

圖13 不同負(fù)荷D100、H30和H45燃料Soot排放曲線

圖14是在19.6%進(jìn)氣氧濃度工況D100、H30和H45的CA50時(shí)刻C2H2和O質(zhì)量分布圖像，C2H2是Soot生成路徑中重要的指示物。從圖13中可知，正戊醇比例增加時(shí)，C2H2在CA50時(shí)刻質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。主要因?yàn)?，正戊醇比例增加時(shí)缸內(nèi)溫度減少(圖12)，燃燒速率降低，C2H2產(chǎn)生量減少；另外，CA50時(shí)刻缸內(nèi)O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，C2H2+O<=>CH2+CO和C2H2+O<=>HCCO+H氧化速率增加。

圖14 D100、H30和H45燃料CA50時(shí)刻C2H2和O質(zhì)量分布(19.6 %進(jìn)氣氧濃度工況)

4 結(jié)論

本研究通過(guò)柴油機(jī)試驗(yàn)和仿真運(yùn)算驗(yàn)證方法，研究負(fù)荷和正戊醇比例對(duì)正戊醇-柴油燃料的柴油機(jī)燃燒參數(shù)和排放特性的影響規(guī)律，試驗(yàn)和仿真運(yùn)算驗(yàn)證方法可得出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際過(guò)程準(zhǔn)確度與可信度。主要得出以下結(jié)論：

① 正戊醇比例增加時(shí)，缸內(nèi)平均壓力峰值、缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率峰值增加，最大壓力升高率升高。負(fù)荷增加時(shí)，試驗(yàn)工況D100、H30和H45的缸內(nèi)平均壓力峰值和最大壓力升高率有所升高，在較高負(fù)荷時(shí)最大壓力升高率增加幅度降低。

② 正戊醇比例增加，三種燃料的滯燃期和CA50時(shí)刻增加，有效熱效率升高。在較低負(fù)荷工況時(shí)，正戊醇比例增加，滯燃期增加。負(fù)荷增加時(shí)，滯燃期和CA50時(shí)刻更早，有效熱效率有所升高。

③ 負(fù)荷增加，CO試驗(yàn)結(jié)果排放減少，在較低負(fù)荷時(shí)，正戊醇-柴油的CO排放比柴油多，而在較高負(fù)荷時(shí)，正戊醇-柴油燃料的CO排放比柴油少。NOx排放結(jié)果隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增加，正戊醇比例增加，NOx排放減少。HC排放隨著負(fù)荷的增加而減少，當(dāng)正戊醇比例增加時(shí)，HC排放增加，Soot排放減少。在適當(dāng)?shù)呢?fù)荷工況,正戊醇-柴油燃料是一種更加清潔、有助環(huán)境保護(hù)的燃料。