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噴油嘴位置及噴射策略對直噴式生物柴油機燃燒和排放特性的影響

隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，柴油機成為了眾矢之的。盡管對柴油機的燃燒過程進(jìn)行了諸多優(yōu)化，但其排放效果仍然不理想。近年來，隨著對新能源的研究發(fā)現(xiàn)，生物柴油由于其具有優(yōu)良的屬性而可以作為傳統(tǒng)柴油的替代燃料。相關(guān)試驗表明，改變柴油機的燃油噴射策略對柴油機NOx的排放有影響，而對顆粒物的排放影響甚微，但由于生物柴油與傳統(tǒng)柴油一些物理特性的不同，使得這一結(jié)果不能直接應(yīng)用到以生物柴油為燃料的柴油上。利用KIVA4程序（模擬內(nèi)燃機化學(xué)反應(yīng)流的三維程序）建立了直噴式生物柴油機三維計算流體動力學(xué)模型，該模型能詳細(xì)描述生物柴油的燃燒過程。通過改變所建立模型的參數(shù)，對柴油機的燃燒特性和排放特性進(jìn)行分析。

由于KIVA4程序庫中沒有關(guān)于生物柴油特性的相關(guān)模型和預(yù)設(shè)值，因而需要自定義相關(guān)模型。結(jié)合開爾文-亥姆霍茲液滴破碎模型與瑞利-泰勒不穩(wěn)定性氣泡演化模型建立燃油噴霧模型。建立了傳熱模型及生物柴油燃燒、排放模型。給出了生物柴油的沸點、蒸氣壓力、密度、粘度、熱電導(dǎo)率、擴散系數(shù)和表面張力等物理屬性值作為預(yù)設(shè)值。發(fā)動機相關(guān)參數(shù)依據(jù)一個豐田4缸直噴式柴油機，采樣進(jìn)間間隔為500ms，考慮到相關(guān)發(fā)動機多在中等負(fù)荷條件下工作，因而將發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)為1200r/min和2400r/min，負(fù)荷為額定的50%。模擬結(jié)果如下。

（1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，由于燃料和空氣的混合時間較長，因此預(yù)混燃燒效果較好。

（2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，采取生物柴油3次噴射策略，則缸內(nèi)壓力、發(fā)熱率和輸出功率升高；而當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，則幾乎無影響。

（3）與單次噴射策略相比，采用2次和3次噴射策略均使發(fā)動機CO和NOx的排放量增加。

（4）噴油嘴的位置會影響發(fā)動機缸內(nèi)壓力及排放。改變噴油嘴的軸向位置，會使發(fā)動機缸內(nèi)燃燒特性、傳熱率及峰值溫度發(fā)生變化。

（5）發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，噴油嘴的位置對CO和NOx的排放量沒有影響；而發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，噴油嘴的位置對其CO和NOx的排放量具有較大影響。

刊名：Renewable Energy（英）

刊期：2015年第76期

作者：Amin Maghbouli et al

編譯：王祥