王憲成, 李若亭, 孫志新, 馬 寧, 胡俊彪
(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系, 北京 100072; 2. 總裝備部車(chē)船軍代局駐西安軍代室, 陜西 西安 710043)
一種含氧混合燃料燃燒及排放數(shù)值仿真研究
王憲成1, 李若亭1, 孫志新1, 馬 寧1, 胡俊彪2
(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系, 北京 100072; 2. 總裝備部車(chē)船軍代局駐西安軍代室, 陜西 西安 710043)
針對(duì)車(chē)輛燃油機(jī)燃用含氧燃料的燃燒、排放以及發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性的問(wèn)題,基于CFD軟件建立了柴油機(jī)燃用柴油和B20D10(70%柴油+20%生物柴油+10%DMC)含氧燃料的數(shù)值仿真模型,計(jì)算了柴油機(jī)噴油提前角和最大供油量對(duì)含氧燃料動(dòng)力性以及排放特性的影響,結(jié)果表明:柴油機(jī)燃用含氧混合燃料時(shí),其缸內(nèi)燃燒溫度低,NOx的生成時(shí)刻晚,碳煙排放明顯降低;增加柴油機(jī)噴油提前角,柴油機(jī)的動(dòng)力性提高,碳煙排放減少,但是柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷以及NOx排放惡化;通過(guò)增加極限噴油量的方法可以解決含氧燃料功率下降的問(wèn)題,極限供油量增大10%后,柴油機(jī)最大功率比原機(jī)燃用柴油提高了4%,同時(shí)能降低40%的碳煙排放量。
含氧燃料;燃燒;排放;數(shù)值仿真
隨著世界范圍內(nèi)能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益突出,車(chē)輛代用燃料已成為新型能源研究的一大熱點(diǎn)[1-3]。由于含氧燃料在柴油機(jī)燃燒過(guò)程中具有自供氧功能,可以增加混合氣中的氧濃度,縮短燃燒持續(xù)期,提高熱效率[4-8],因此,摻混部分含氧燃料作為車(chē)輛柴油機(jī)代用燃料是應(yīng)對(duì)能源短缺的有效措施。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者[9-12]主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究含氧代用燃料的燃燒和排放特性,存在周期較長(zhǎng)且實(shí)驗(yàn)成本較高等諸多問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及柴油機(jī)計(jì)算燃燒模型的發(fā)展,近年來(lái)數(shù)值計(jì)算被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒及其工作過(guò)程仿真。國(guó)外學(xué)者Kidoguchi等[13]建立數(shù)值模型對(duì)高擠流燃燒室的排放進(jìn)行了仿真計(jì)算,Song等[14]建立三維CFD模型研究了直噴式HCCI柴油機(jī)的燃燒特性;在國(guó)內(nèi),湯東等[15]利用三維數(shù)值計(jì)算方法研究了柴油機(jī)摻燒生物柴油的NOx和碳煙排放,施愛(ài)平等[16]對(duì)YD490ZL 型柴油機(jī)進(jìn)氣、壓縮、燃燒過(guò)程進(jìn)行了多維瞬態(tài)數(shù)值模擬。然而,目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)柴油機(jī)三維數(shù)值仿真的研究多限于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放特性,尚無(wú)針對(duì)柴油機(jī)燃用含氧燃料發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性的計(jì)算研究。
鑒于此,筆者利用CFD軟件AVL_Fire[17],建立柴油機(jī)燃燒的三維數(shù)值仿真模型,模擬全負(fù)荷工況條件下柴油和B20D10(70%柴油+20%生物柴油+10%DMC)含氧燃料的混合氣形成、燃燒和排放過(guò)程,分析研究含氧燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響,為研究柴油機(jī)代用燃料提供依據(jù)。
1.1 數(shù)學(xué)模型
柴油機(jī)工作過(guò)程中,氣缸內(nèi)噴霧、混合氣形成和燃燒過(guò)程十分復(fù)雜,具有非均質(zhì)、強(qiáng)湍流和非定常等特點(diǎn),其燃油噴射、蒸發(fā)霧化過(guò)程也較為復(fù)雜,為典型的氣液兩相流交互過(guò)程[18-19]。為使質(zhì)量方程、動(dòng)量方程以及能量方程等基礎(chǔ)方程封閉,計(jì)算過(guò)程中需建立缸內(nèi)工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。本文所選用的數(shù)學(xué)模型如表1所示。
表1 數(shù)學(xué)模型
1.2 初始條件
本文數(shù)值仿真模型基于12缸150增壓柴油機(jī)建立,柴油機(jī)燃燒室的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。
表2 燃燒室主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
為了縮短計(jì)算時(shí)間,模擬仿真上止點(diǎn)前60 °CA到上止點(diǎn)后60 °CA范圍內(nèi)的結(jié)果,其中:計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)在噴霧與燃燒附近上止點(diǎn)前后20 °CA內(nèi)采用0.5 °CA加密,其余步長(zhǎng)設(shè)置為1 °CA。將扇形體周向相對(duì)的兩面定義為循環(huán)邊界,將其余邊界定義為固壁邊界,其邊界條件設(shè)定如表3所示。
表3 邊界條件設(shè)定 K
柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)采用軸對(duì)稱(chēng)布置,為了提高計(jì)算效率,根據(jù)噴油器孔數(shù)(8孔)選取1/8扇形燃燒室作為計(jì)算區(qū)域。圖1為柴油機(jī)燃燒室三維網(wǎng)格圖,計(jì)算初始時(shí)刻的網(wǎng)格劃分為10 060個(gè)單元。
圖1 柴油機(jī)燃燒室三維計(jì)算網(wǎng)格
1.3 三維計(jì)算模型驗(yàn)證
為了驗(yàn)證模型的正確性,以轉(zhuǎn)速2 000 r/min外特性工況點(diǎn)為計(jì)算工況點(diǎn),對(duì)比柴油機(jī)燃用柴油缸內(nèi)壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果,如圖2所示。
圖2 缸內(nèi)壓力曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果
由圖2可見(jiàn):模擬結(jié)果與柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)壓力曲線基本一致,其誤差在3%以?xún)?nèi)。引起誤差的主要原因是:模擬計(jì)算中采用的是shell單步放熱模型,放熱速度比實(shí)際要快[20],產(chǎn)生最大爆發(fā)壓力比實(shí)驗(yàn)值高??傮w來(lái)說(shuō),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
以轉(zhuǎn)速2 000 r/min外特性工況點(diǎn)為計(jì)算工況點(diǎn),對(duì)柴油機(jī)燃用柴油及含氧混合燃料燃燒及排放特性進(jìn)行對(duì)比分析。
2.1 燃燒特性分析
圖3為氣缸內(nèi)混合氣體形成各歷程的濃度分布模擬結(jié)果,其中,噴油時(shí)刻所對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角為704 °CA??梢钥闯觯翰裼秃秃跞剂暇?jīng)歷了噴霧、碰壁和蒸發(fā)等過(guò)程;但由于含氧燃料的黏度與柴油相比有所降低,且初始粒徑分布也更細(xì),其噴射貫穿距離相比柴油要小[21]。
圖4為缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布,可以看出:1)燃油噴射后,局部區(qū)域溫度下降,這是因?yàn)槿加驼舭l(fā)過(guò)程中會(huì)吸收熱量;2)缸內(nèi)著火首先發(fā)生在噴霧的邊緣部分,因?yàn)檫@部分混合氣最先蒸發(fā),并且濃度比較合適,滯燃期最短,隨后燃燒擴(kuò)散到其他區(qū)域,缸內(nèi)整體溫度升高;3)燃燒過(guò)程中,含氧燃料的燃燒溫度要比柴油低,這是由于含氧燃料的低熱值小于柴油的低熱值,因此,相同質(zhì)量的含氧燃料燃燒的絕熱溫度相對(duì)柴油要低。
圖3 混合氣體濃度分布
圖4 缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布
2.2 排放特性分析
圖5所示為缸內(nèi)NOx的生成歷程,可以看出:1)缸內(nèi)混合氣體在740 °CA以前,基本無(wú)NOx生成,只有在燃燒的后期,缸內(nèi)溫度較高時(shí)才出現(xiàn)NOx的排放;2)含氧燃料燃燒溫度較低,其N(xiāo)Ox排放也比柴油燃燒的排放要低。
圖5 缸內(nèi)NOx生成歷程
圖6為缸內(nèi)碳煙排放的生成歷程,可以看出:1)燃油噴射后,在空燃比很濃的區(qū)域即有部分碳煙生成,而隨著溫度的升高,這部分碳煙又會(huì)被空氣氧化[22];2)含氧燃料的碳煙生成比柴油要少,這主要是因?yàn)楹跞剂媳旧砭哂泻醭煞郑?dāng)量比濃度要比柴油低,碳煙的生成更難。
圖6 缸內(nèi)碳煙生成歷程
為了提高燃料適應(yīng)性,柴油機(jī)燃用含氧混合燃料時(shí),應(yīng)相應(yīng)調(diào)整噴油提前角。但目前臺(tái)架實(shí)驗(yàn)所用柴油機(jī)的噴油提前角調(diào)整難度大,且精度很難保證,因此,利用建立的含氧燃料燃燒模型對(duì)噴油提前角進(jìn)行模擬調(diào)整,可以分析噴油提前角與噴油量調(diào)整對(duì)含氧燃料應(yīng)用于柴油機(jī)的性能改變的影響。
3.1 噴油提前角調(diào)整分析
以最大扭矩轉(zhuǎn)速1 400 r/min的外特性工況點(diǎn)為計(jì)算工況點(diǎn),原機(jī)噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)前19 °CA,循環(huán)噴油量為207 mg。將噴油提前角在-25~-10 °CA范圍內(nèi)變化,研究含氧燃料的燃燒和排放情況。缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率隨噴油提前角的變化規(guī)律見(jiàn)圖7。
圖7 缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率隨噴油提前角的變化規(guī)律
由圖7可知噴油提前角對(duì)柴油機(jī)的性能有較大影響:1)當(dāng)噴油提前角由原機(jī)的-19 °CA分別增大到-22、-25 °CA時(shí),缸內(nèi)燃燒壓力峰值由8.28 MPa相應(yīng)提高到8.83、9.30 MPa,分別增加了6.64%、12.32%,缸內(nèi)燃燒放熱率峰值由71.79 J/°CA相應(yīng)提高到73.20、79.01 J/°CA,分別提高了1.96%、10.06%,這是因?yàn)閲娪吞崆敖堑脑龃笫箿计谘娱L(zhǎng),滯燃期內(nèi)噴入的燃油量大,從而導(dǎo)致初始放熱量增大,柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷增大;2)當(dāng)噴油提前角由-19 °CA分別減小為-15、-10 °CA時(shí),缸內(nèi)燃燒壓力峰值分別降低了7.37%、21.01%,缸內(nèi)燃燒放熱率峰值分別降低了9.35%、23.01%,對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也相應(yīng)推遲。
圖8為柴油機(jī)扭矩隨噴油提前角的變化規(guī)律,可以看出:1)噴油提前角為-22、-25 °CA時(shí),最大扭矩分別比原機(jī)增加了3.05%、6.10%;2)當(dāng)噴油提前角減小為-15、-10 °CA時(shí),最大扭矩分別降低了3.39%、10.04%;3)隨著噴油提前角減小,燃燒持續(xù)期延長(zhǎng),做功能力下降,功率有所損失。
圖8 柴油機(jī)扭矩隨噴油提前角的變化規(guī)律
圖9為NOx以及碳煙排放隨噴油提前角的變化規(guī)律,可以看出:1)隨著噴油提前角的增大,NOx排放逐漸增加,而碳煙排放逐漸減少,兩者呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的規(guī)律,這主要是因?yàn)閲娪蜁r(shí)刻的提前使滯燃期延長(zhǎng),燃油有更多的時(shí)間混合蒸發(fā),混合氣更加均勻,著火后,混合氣燃燒溫度增加,更適合于NOx的生成,同時(shí),由于局部濃區(qū)的范圍減小,碳煙的生成區(qū)域減少,柴油機(jī)NOx與碳煙排放這種此消彼長(zhǎng)的規(guī)律使得在缸內(nèi)難以同時(shí)降低兩者的排放量;2)當(dāng)噴油提前角由-22 °CA減小到-10° CA時(shí),NOx排放由1 191×10-6降低至650×10-6,碳煙由1 005×10-6增加至1 370×10-6。
圖9 NOx和碳煙排放隨噴油提前角的變化規(guī)律
由上述分析可得:1)車(chē)輛柴油機(jī)燃用含氧混合燃料,在一定的工況下存在著最優(yōu)噴油提前角;2)最優(yōu)噴油提前角取決于柴油機(jī)的動(dòng)力性、機(jī)械負(fù)荷以及排放等綜合指標(biāo)的選擇;3)加大噴油提前角,柴油機(jī)的動(dòng)力性提高,碳煙排放減少,柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷以及NOx排放惡化。因此,噴油提前角應(yīng)在-25~-15 °CA范圍內(nèi)。為確保動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低碳煙排放的效果,噴油提前角可保持不變(上止點(diǎn)前19 °CA)或略有提前。
3.2 供油量調(diào)整計(jì)算分析
摻混含氧燃料后,由于燃料的低熱值比柴油低,相同噴油量情況下的柴油機(jī)動(dòng)力性下降,因此,可以通過(guò)增加極限噴油量來(lái)彌補(bǔ)功率損失。實(shí)驗(yàn)用柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,則選取此時(shí)的外特性工況點(diǎn)為計(jì)算工況點(diǎn),分別模擬極限噴油量增加5%和10%后,柴油機(jī)的動(dòng)力恢復(fù)情況以及排放性能的變化。
圖10為柴油機(jī)扭矩隨極限噴油量的變化規(guī)律,可以看出:極限噴油量增加10%,柴油機(jī)扭矩已達(dá)2 650 N·m,與原機(jī)燃用柴油時(shí)相比增加了約4%,完全滿足柴油機(jī)的動(dòng)力性需求。
圖10 柴油機(jī)扭矩隨極限噴油量的變化規(guī)律
圖11為NOx以及碳煙排放隨極限噴油量的變化規(guī)律,可以看出:1)NOx排放隨著極限噴油量的增加而顯著增加,但碳煙排放增加比較少,這是由于NOx生成主要受燃燒溫度影響,隨著極限噴油量增加,缸內(nèi)燃燒溫度相應(yīng)增加,因此NOx排放量增加;2)碳煙排放主要與混合氣的濃度有關(guān),含氧燃料本身含氧,因此,碳煙的生成對(duì)混合氣濃度的敏感性下降,碳煙增加并不多;3)極限噴油量增加10%后,碳煙排放增加了8%左右,但仍比原機(jī)燃用柴油時(shí)下降了40%。因此,通過(guò)增加極限噴油量的方式可以解決含氧燃料功率下降的問(wèn)題,同時(shí)保證降低碳煙排放的效果。
圖11 NOx和碳煙排放隨極限噴油量的變化規(guī)律
本文通過(guò)建立數(shù)值仿真模型,模擬了全負(fù)荷工況下的柴油和B20D10的混合氣形成、燃燒和排放過(guò)程,研究了含氧燃料對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響。主要結(jié)論如下。
1) 柴油機(jī)燃用含氧混合燃料與燃用柴油相比,缸內(nèi)燃燒溫度低,NOx的生成時(shí)刻晚,碳煙排放明顯減少。
2) 對(duì)噴油提前角的調(diào)整進(jìn)行模擬研究,結(jié)果表明:加大噴油提前角,柴油機(jī)的動(dòng)力性提高,碳煙排放減少,但是柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷以及NOx排放惡化。噴油提前角應(yīng)在-25~-15 °CA范圍內(nèi),為確保動(dòng)力性和降低碳煙排放的效果,噴油提前角可保持不變(上止點(diǎn)前19 °CA)或略有提前。
3) 模擬了柴油機(jī)極限供油量的調(diào)整。結(jié)果表明:通過(guò)增加極限噴油量的方法可以解決含氧燃料功率下降的問(wèn)題,極限供油量增大10%后,柴油機(jī)最大功率比原機(jī)燃用柴油提高4%,同時(shí)能降低40%的碳煙排放量。
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(責(zé)任編輯:尚菲菲)
Numerical Simulation of Combustion and Emission of a Kind of Oxygenated Mixed Fuel
WANG Xian-cheng1, LI Ruo-ting1, SUN Zhi-xin1, MA Ning1, HU Jun-biao2
(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Xi’an Office, Vehicle and Ship Representative Bureau, General Armament Department, Xi’an 710043, China)
In view of the problem of energy shortage, a CFD model is established to simulate numerically the mixture gas formation, combustion and emissions of diesel and B20D10 oxygenated fuel. The impact of fuel supply advance angle and maximum fuel supply amount on oxygenated fuel dynamic performance and emission feature are calculated as well. Result shows that compared with diesel oil, the application of B20D10 oxygenated mixed fuel leads to a lower temperature in the engine cylinder, the NOxgeneration timing is later and soot emissions is significantly reduced. Power performance of the engine increases and soot emissions decrease as the fuel supply advance angle increases, yet mechanical loads and NOxemissions deteriorate. The oxygenated fuel power decline problem could be solved by increasing maximum fuel supply amount. As maximum fuel supply amount increases by 10%, the maximum power of diesel engine applied with oxygenated fuel increases by 4% compared to the engine applied with diesel, and the soot emissions also decrease by 40%.
oxygenated fuel; combustion; emission; numerical simulation
1672-1497(2015)02-0029-06
2014-11-25
軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目
王憲成(1964-),男,教授,博士。
TK427
A
10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.006
裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)2015年2期