船用柴油機(jī)燃用異丙醇-丁醇-乙醇噴油策略研究

宋亞楠 鄧騰樹

(泉州師范學(xué)院 航海學(xué)院， 福建 泉州 362000)

0 前言

丙酮、丁醇和乙醇混合物(acetone，n-butanol and ethanol mixture， ABE)是丁醇的中間發(fā)酵產(chǎn)物，可直接用作丁醇的替代燃料[1-2]。但丙酮對(duì)橡膠發(fā)動(dòng)機(jī)部件具有一定的腐蝕性，且其閃點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，因而難以存儲(chǔ)和運(yùn)輸。于是，異丙醇、丁醇和乙醇混合物(isopropanol， butanol and ethanol，IBE)作為替代生物燃料成為新的研究方向[3-6]。研究發(fā)現(xiàn)，IBE比ABE的燃燒和排放性能更佳[5]。將較高比例的IBE混入柴油中，可以降低敲缸強(qiáng)度、減少煙塵排放，但會(huì)增加NOx的排放[7]。將IBE與柴油共混后用作柴油機(jī)燃料，有助于減少碳煙排放[8]。

以往的試驗(yàn)大多是在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，且研究方向均側(cè)重于IBE的燃燒特性和排放特性，鮮有涉及船用柴油機(jī)IBE燃燒的噴油策略。本次研究將以某船用柴油機(jī)為研究對(duì)象，應(yīng)用 CFD 數(shù)值模擬軟件Converge 建立IBE燃燒模型，研究不同噴油策略對(duì)其燃燒和排放特性的影響，據(jù)此改善其燃燒和排放特性。

1 計(jì)算模型的搭建與驗(yàn)證

以某船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用三維仿真軟件Converge進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)柴油機(jī)的說明書和尺寸測(cè)量結(jié)果，建立幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，柴油機(jī)的基本參數(shù)如表1 所示。以4 mm的尺寸大小劃分基礎(chǔ)網(wǎng)格，對(duì)噴油器附近和噴射路徑區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。

表1 柴油機(jī)的基本參數(shù)

依據(jù)柴油機(jī)的幾何尺寸，繪制燃燒室的二維幾何模型圖，并將其導(dǎo)入到Converge軟件中生成三維體網(wǎng)格。原機(jī)燃燒室對(duì)稱，噴油器位于燃燒室中央，噴孔數(shù)為 8。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，選取燃燒室網(wǎng)絡(luò)的 1/8 部分作為仿真計(jì)算區(qū)域。1/8燃燒室網(wǎng)格模型如圖1所示。

為了縮短計(jì)算時(shí)間，以有效壓縮沖程開始(進(jìn)氣門關(guān)閉)到有效膨脹沖程結(jié)束(排氣門開啟)的時(shí)間作為時(shí)間域，計(jì)算始點(diǎn)為上止點(diǎn)前136°(即-136°)，計(jì)算終點(diǎn)為上止點(diǎn)后121°(即121°)。0°指壓縮上止點(diǎn)，正數(shù)表示上止點(diǎn)后，負(fù)數(shù)表示上止點(diǎn)前。模擬過程采用文獻(xiàn)[9]中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，其中包含151個(gè)組分和755步化學(xué)反應(yīng)，相關(guān)模型如表2所示。

圖1 1/8燃燒室網(wǎng)格模型

表2 相關(guān)模型

在全負(fù)荷工況下，將純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果與原機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，仿真值與試驗(yàn)測(cè)試值具有較好的吻合度(見圖2)，誤差在允許范圍(5%)以內(nèi)。這表明，所搭建的燃燒系統(tǒng)模型能夠在一定范圍內(nèi)反映實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，基于此模型的優(yōu)化工作具有參考價(jià)值。

圖2 缸壓仿真值與試驗(yàn)測(cè)試值曲線

2 模擬結(jié)果分析

2.1 噴油時(shí)刻燃燒和排放特性的影響

選取IBE15(即燃料中IBE的體積分?jǐn)?shù)為15%)作為柴油燃料，分別針對(duì)提前角(噴油時(shí)刻)為-30、-25、-20、-15°CA的4種噴油方案進(jìn)行研究。

(1) 燃燒特性。不同噴油時(shí)刻缸內(nèi)IBE15燃料的燃燒特性如圖3所示。隨著噴油時(shí)刻的提前，壓力峰值與放熱相位均有所提前，滯燃期增長(zhǎng)。當(dāng)噴油提前角為-30、-25、-20、-15°CA時(shí)，其滯燃期分別為25、21、17、14°CA。這是因?yàn)殡S著噴油時(shí)刻的提前，缸內(nèi)對(duì)應(yīng)溫度壓力降低，使得燃料的蒸發(fā)擴(kuò)散、焰前氧化等準(zhǔn)備時(shí)間增加，進(jìn)而使滯燃期延長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量增多使速燃期燃燒更為迅速。 CA50是指燃燒放熱量達(dá)到累計(jì)放熱量50%時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般代表燃燒中點(diǎn)。噴油提前角-30、-25、-20、-15°CA對(duì)應(yīng)的CA50分別為-4、-2、5、12°CA。噴油時(shí)刻越早，燃燒中點(diǎn)越靠前，最高燃燒溫度也越高，缸內(nèi)最高溫度分別為1 640、1 710、1 790、1 950 K。在達(dá)到燃燒中點(diǎn)之后，噴油時(shí)刻越靠前，缸溫下降就越快，在80°CA 時(shí)缸內(nèi)溫度分別為1 250、1 220、1 190、1 120 K。

圖3 不同噴油時(shí)刻缸內(nèi)IBE15燃料的燃燒特性

(2) 排放特性。不同噴油時(shí)刻缸內(nèi)IBE15燃料的排放特性如圖4所示。隨著噴油時(shí)刻的提前，NOx排放顯著增大，噴油提前角為-30°CA時(shí)的NOx排放量達(dá)到提前角為-25°CA時(shí)的2倍。這是因?yàn)楦邷睾透谎鯒l件是生成 NOx的重要因素，加速了NOx的生成。噴油時(shí)刻提前，會(huì)使缸內(nèi)溫度升高、滯燃期延長(zhǎng)，從而使燃料混合更充分，使soot排放量顯著減少。但在燃燒后期(35°CA以后)，缸內(nèi)溫度變低，氧化作用變?nèi)酰詈笫沟胹oot排放量在噴油提前角-25°CA下達(dá)到最低。

圖4 不同噴油時(shí)刻缸內(nèi)IBE15燃料的排放特性

2.2 預(yù)噴策略對(duì)燃燒和排放特性的影響

分為有預(yù)噴和無預(yù)噴兩種方案進(jìn)行研究，設(shè)定兩次噴油的總量相等，噴油及持續(xù)期相同。

(1) 燃燒特性。不同預(yù)噴策略下IBE15燃料的燃燒特性如圖5所示。當(dāng)有預(yù)噴時(shí)，著火時(shí)刻提前，放熱峰值和壓力峰值均降低，且缸壓出現(xiàn)雙峰趨勢(shì)。這是由于預(yù)噴燃料提前放熱，使得缸內(nèi)溫度和壓力較高，使得有預(yù)噴時(shí)的滯燃期相對(duì)較短、壓力峰值相對(duì)較低。放熱峰值下降有兩方面的原因：一是預(yù)噴與主噴的間隔阻止了更多可燃混合氣的形成；二是滯燃期縮短，使得滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣減少。缸壓曲線出現(xiàn)雙峰，這是因?yàn)轭A(yù)噴燃料釋放的熱量不足以克服膨脹所導(dǎo)致的壓力減小，于是出現(xiàn)了第1個(gè)波峰，而當(dāng)主噴開始后更多熱量的釋放又使第2個(gè)波峰出現(xiàn)。初期的放熱率，在有預(yù)噴時(shí)顯著下降，僅為無預(yù)噴時(shí)的 1/2；緩燃期的放熱率，有預(yù)噴時(shí)相對(duì)較高。這也使得燃燒初期有預(yù)噴時(shí)缸溫相對(duì)較低，進(jìn)而逐漸達(dá)到相同的最高溫度，之后速燃期有預(yù)噴時(shí)的缸內(nèi)溫度反高于無預(yù)噴時(shí)。

圖5 不同預(yù)噴策略下IBE15燃料的燃燒特性

(2) 排放特性。不同預(yù)噴策略下的IBE15燃料排放特性如圖6所示。從中可以看出，有預(yù)噴時(shí)NOx和soot的排放都稍低于無預(yù)噴時(shí)。 燃燒初期有預(yù)噴時(shí)缸溫較低，NOx的生成速率明顯低于無預(yù)噴時(shí)，因而其排放量稍低；速燃期有預(yù)噴時(shí)缸內(nèi)溫度較高，后期氧化反應(yīng)更強(qiáng)，因而使得soot排放量也變得較低。

2.3 噴油持續(xù)期對(duì)燃燒和排放特性的影響

通過噴油持續(xù)角25、29、33°CA變化，分析噴油持續(xù)期對(duì)燃燒和排放特性的影響。

(1) 燃燒特性。不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料燃燒特性如圖7所示。從中可以看出，隨著噴油持續(xù)期的延長(zhǎng)，缸壓峰值降低，放熱率和最高燃燒溫度下降。這是由于噴油持續(xù)期延長(zhǎng)，使噴油速率下降，燃燒速率下降所致。

(2) 排放特性。不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料排放特性如圖8所示。隨著噴油持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，NOx排放顯著降低，噴油持續(xù)角33°CA時(shí)的NOx排放量?jī)H為25°CA時(shí)的一半。這是由于噴油時(shí)間延長(zhǎng)使得缸內(nèi)燃燒溫度更低所致。而與此相反，隨著噴油持續(xù)期的延長(zhǎng)，soot排放量在增加；同時(shí)，在燃燒初期均生成了大量的 soot，且噴油越快soot的形成也越快。但在曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到10°CA之后，在25°CA時(shí)混合氣已經(jīng)得到充分混合，soot的氧化速率開始大于生成速率，其質(zhì)量開始減??；而此時(shí)，持續(xù)角為29、33°CA時(shí)缸內(nèi)混合氣仍然較濃，soot的氧化速率仍然大于生成速率，soot的質(zhì)量仍然在增大。 當(dāng)噴油持續(xù)角為29°CA時(shí)，氧化速率大于生成速率的時(shí)刻是提前角為15°CA時(shí)；當(dāng)噴油持續(xù)角為33°CA時(shí)，氧化速率大于生成速率的時(shí)刻是提前角為20°CA時(shí)。噴油持續(xù)期的延長(zhǎng)，使得soot的形成時(shí)間加長(zhǎng)，從而使soot排放量增大。

圖6 不同預(yù)噴策略下的IBE15燃料排放特性

圖7 不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料燃燒特性

圖8 不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料排放特性

3 結(jié) 語

通過對(duì)IBE混合燃料在船用柴油機(jī)中的燃燒與排放特性研究，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1) 當(dāng)噴油時(shí)刻提前時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值有所升高，壓力峰值及放熱相位均有所提前，且NOx的排放量加大，soot的生成受到抑制。

(2) 當(dāng)有預(yù)噴時(shí)，缸內(nèi)最高壓力下降，NOx、soot的排放量均小幅下降。

(3) 隨著噴油持續(xù)期的增長(zhǎng)，缸壓峰值降低，最高燃燒溫度下降，且NOx的排放量顯著下降，soot的排放量增大。