王站成， 吳健， 商偉偉， 徐斌， 劉伊濱

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院， 河南 洛陽 471003)

EGR對正丁醇-柴油混合燃料燃燒和排放的影響

王站成， 吳健， 商偉偉， 徐斌， 劉伊濱

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院， 河南 洛陽 471003)

依據(jù)發(fā)動機(jī)臺架試驗數(shù)據(jù)，利用Fire軟件建立計算模型，并驗證了模型的準(zhǔn)確性，研究了不同比例的正丁醇-柴油混合燃料在不同EGR率下的燃燒和排放特性。研究結(jié)果表明：通過向柴油中摻混正丁醇可以加快燃燒速率，改善EGR對燃燒過程帶來的負(fù)面影響；采用較高的EGR率，可以抑制NOx的生成，但混合燃料攜氧燃燒，對NOx的生成有促進(jìn)作用，但總體來說NOx的最終生成略有降低；Soot的最終生成量隨著EGR率的增大而增加，通過添加含氧燃料可以有效地降低Soot的最終生成。

正丁醇； 柴油； 混合燃料； 廢氣再循環(huán)； 數(shù)值模擬； 燃燒； 排放

石油資源的匱乏、全球環(huán)境惡化已成為當(dāng)今社會發(fā)展的兩大難題，為實現(xiàn)全球的長期可持續(xù)性發(fā)展，尋找清潔代用燃料成為內(nèi)燃機(jī)研究的重要方向[1]。正丁醇來源廣泛，成本低，不需要添加劑即可與柴油很好地互溶，且熱值比其他替代燃料高，并具有較好的潤滑性能；此外正丁醇中含有氧，能保證發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性[2]，可以有效降低PM等污染物的排放[3]。研究正丁醇作為替代燃料對探索通過燃料改性改善柴油機(jī)燃燒性能的途徑、實現(xiàn)柴油的部分替代具有重要的理論意義和工程實際意義。國內(nèi)外對正丁醇的研究主要集中在燃燒和排放方面[4-8]，本研究主要針對不同比例的正丁醇柴油混合燃料在引入EGR形成的缸內(nèi)廢氣熱氛圍中的燃燒過程和排放進(jìn)行較全面研究，為正丁醇作為代用燃料的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

本研究利用Fire軟件模擬某高壓共軌直噴增壓柴油機(jī)在不同EGR率下燃用正丁醇柴油混合燃料的缸內(nèi)燃燒，并對燃燒和排放特性進(jìn)行分析。

1 計算模型的建立

1.1 燃燒室?guī)缀文Ｐ偷慕?/p>

通過實測某車用高壓共軌直噴增壓柴油機(jī)燃燒室尺寸建立計算用三維幾何模型。柴油機(jī)的基本參數(shù)見表1。在幾何模型建立時只考慮燃燒室與氣缸蓋和氣缸套組成的封閉空間，并且假設(shè)柴油機(jī)缸內(nèi)溫度對稱，氣體分布均勻，根據(jù)噴油器噴孔數(shù)目，將燃燒室等分為7份，計算整個燃燒室的1/7，從而大大簡化網(wǎng)格劃分并縮短計算時間[9]。利用軟件自動劃分網(wǎng)格以保證網(wǎng)格質(zhì)量，上止點時刻網(wǎng)格見圖1，網(wǎng)格數(shù)為2 607個。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

圖1 上止點時刻燃燒室模型網(wǎng)格

1.2 計算邊界條件的設(shè)置

本研究僅計算進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門打開這段時間的缸內(nèi)燃燒，所對應(yīng)的計算時間(曲軸轉(zhuǎn)角)為590°～814°。進(jìn)氣門關(guān)閉時刻缸內(nèi)壓力由試驗測得為323.688 kPa，計算出此時溫度為401 K。初始邊界溫度使用AVL推薦值[9-10]。對噴油規(guī)律作簡化處理，預(yù)噴射簡化為等腰三角形，主噴射簡化為等腰梯形；模型建立時的噴油量使用試驗測量值。通過電流鉗測量ECU發(fā)出的控制預(yù)噴和主噴噴油脈寬的電流信號以及預(yù)噴和主噴的時間間隔，然后在單次噴射儀和Bosh長管儀上測得所要計算工況下的噴油持續(xù)期，其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為688°～748°(默認(rèn)壓縮上止點為720°)。圖2示出計算時輸入的量綱1的噴油規(guī)律曲線，因為在Fire中噴油規(guī)律的邊界條件不必是真實數(shù)值，軟件會根據(jù)噴油規(guī)律曲線和工況下的耗油量自動計算瞬時噴油量[9]。

圖2 噴油規(guī)律示意

計算選用的物理化學(xué)模型見表2。燃燒模型為EBU(eddy break-up)模型，該模型假設(shè)化學(xué)反應(yīng)的平均速度與化學(xué)動力學(xué)無關(guān)，只取決于低溫的反應(yīng)物和高溫的燃燒產(chǎn)物之間的湍流混合作用。在足夠精細(xì)的流動湍流結(jié)構(gòu)尺度下，與湍流輸運過程相比，化學(xué)反應(yīng)的時間尺度很小。因此，一旦組分的混合是以分子的量級發(fā)生的，化學(xué)反應(yīng)可以認(rèn)為是在瞬間就可以完成的。著火模型為Diesel_MIL(Multiple Ignition Location)模型，只要達(dá)到著火條件，該模型允許在任意時刻、任意位置自動發(fā)火，即可以多點著火，其中混合燃料的蒸發(fā)模型為Multi-component。

表2 計算模型

1.3 燃料特性及計算模型的驗證

為保證所建立模型的可信性，分別用柴油(記為NB0)和體積分?jǐn)?shù)為5%的正丁醇柴油混合燃料(記為NB5)進(jìn)行試驗。表3為正丁醇和柴油的燃料特性對比。

表3 正丁醇和柴油的主要特性參數(shù)

臺架試驗系統(tǒng)示意見圖3。所用的測量儀器主要有FC2210Z智能油耗儀、Kistler-2893A燃燒分析儀、Horiba MEXA-7100D排放測試系統(tǒng)和AVL煙度分析儀等。

圖3 臺架試驗示意

利用試驗結(jié)果對模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，使模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。圖4示出試驗和模擬的示功圖對比，從圖中可以看出模擬計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果局部有少許誤差，但實際測量的壓力值與計算值偏差均在5%以內(nèi)，可以認(rèn)為該模型合理、準(zhǔn)確，可以進(jìn)行混合燃料的燃燒研究。

圖4 示功圖的試驗和計算對比

2 計算結(jié)果分析

利用上述計算模型計算了3 000 r/min,300 N·m工況下，燃用柴油和3種不同混合比的正丁醇柴油混合燃料(NB10，NB20和NB30)的缸內(nèi)燃燒，EGR率分別為0%，10%，20%和30%，固定主噴噴油時刻不變，通過調(diào)整噴油量來保證工況一致?；旌先剂系臒嶂低ㄟ^下式進(jìn)行計算：

HM=HBx+HD(1-x)。

(1)

式中:x為混合燃料中丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù);(1-x)為柴油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；HM，HB和HD分別為混合燃料、正丁醇和柴油的低熱值。表4示出混合燃料的低熱值。

表4 正丁醇混合燃料的低熱值

2.1 燃燒過程分析

表5示出燃用不同比例混合燃料和柴油在不同的EGR率下放熱量分別達(dá)到累計放熱量的50%(燃燒面心)和90%(燃燒結(jié)束)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。實際中一般認(rèn)為放熱量達(dá)到累計放熱量的90%即為燃燒放熱結(jié)束，燃燒面心所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角越靠近上止點，說明在整個燃燒放熱過程越接近定容放熱，擴(kuò)散燃燒比例越小，燃燒的定容度和熱效率越高[10]。

圖5示出燃用不同比例混合燃料和柴油在不同的EGR率下的放熱率曲線。隨著EGR率的增大，燃燒前期放熱率逐漸降低，后期放熱率逐漸增大。這是因為隨著EGR率的增大，缸內(nèi)廢氣量增多，不利于燃料與空氣之間的相互擴(kuò)散和混合，降低了燃燒反應(yīng)分子間的有效碰撞概率，燃燒變緩；同時，隨著EGR率的增大，需要提供較多的燃料，以保證相同的動力輸出。這就使得參與中后期燃燒的燃料量增加，致使后期放熱率逐漸增大，燃燒持續(xù)期拖長。從表5看出，隨著正丁醇的加入，燃燒終點前移，正丁醇摻入量增大，燃燒終點前移量增大。這是由于正丁醇含氧，隨著正丁醇摻入量增大，缸內(nèi)氧含量增大，有利于燃燒反應(yīng)分子間的有效碰撞，燃燒加快，燃燒終點前移。

表5 不同燃燒時刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(°)

燃燒時刻NB0NB10NB20NB30燃燒面心燃燒結(jié)束燃燒面心燃燒結(jié)束燃燒面心燃燒結(jié)束燃燒面心燃燒結(jié)束EGR率0%423．3762．0420．3756．5418．8753．9415．1747．1EGR率10%425．8766．5422．8761．0419．1754．3416．3749．3EGR率20%426．6767．9423．5762．3421．3758．4417．8752．1EGR率30%426．7768．1424．2763．6422．8761．0421．2758．2

圖5 不同混合比燃料在不同EGR率下燃燒放熱對比

表6示出不同條件下缸內(nèi)最大燃燒壓力(pmax)和最高燃燒溫度(Tmax)的對比。由表6可見，在燃料不變的情況下，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)最大燃燒壓力和最高燃燒溫度均有所降低。這是由于隨著EGR率的增大，缸內(nèi)廢氣量增加，不利于油氣混合，使得中前期燃燒有所減緩，導(dǎo)致缸內(nèi)最大燃燒壓力和最高燃燒溫度均有所降低。當(dāng)燃用正丁-醇柴油混合燃料時，由于隨著正丁醇摻混量增加，缸內(nèi)氧含量隨之增加；同時，柴油摻混正丁醇后混合燃料的表面張力隨著正丁醇濃度的增大而降低[11]，加快了混合燃料液滴的破碎，有利于燃料的霧化、蒸發(fā)及與空氣的混合，可以促進(jìn)缸內(nèi)燃燒的進(jìn)行，中前期燃燒有所加快，因此隨著正丁醇摻混量增大，最高燃燒溫度有所上升，缸內(nèi)最大燃燒壓力略有變大。與柴油相比，燃用摻混比較大的NB30，最高燃燒溫度增加明顯，這是由于同工況下NB30中氧含量相對較大，對燃燒放熱的促進(jìn)作用較強。因此，柴油中摻混正丁醇可以加快燃燒速率，改善EGR對燃燒放熱帶來的消極影響。

2.2 燃油消耗率分析

燃油消耗率是反映發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。正丁醇的熱值比柴油低, 所以本研究采用折合燃油消耗率對發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。折合燃油消耗率是將混合燃料的燃油消耗率根據(jù)能量消耗折算成能量等值的柴油消耗率[12], 用BEBSFC來表示折合燃油消耗率, 計算公式為

BEBSFC=BBSFC· HM/HD。

(2)

式中:BEBSFC和BBSFC分別為折合燃油消耗率、混合燃料燃油消耗率。

圖6示出 3 000 r/min，300 N·m工況，不同EGR率下燃用不同比例的混合燃料的折合燃油消耗率對比。隨著EGR率的提高，由于缸內(nèi)廢氣量增大，不利于缸內(nèi)燃燒的進(jìn)行，折合燃油消耗率相應(yīng)增大。當(dāng)燃用含有正丁醇的混合燃料時，在EGR率相同的條件下，與柴油相比，隨著正丁醇摻混量增大，折合燃油消耗率增大。這是因為正丁醇熱值較柴油低，混合燃料的熱值也隨摻混比例增大而降低，而為了獲得相同的動力輸出，就需要供給更多的混合燃料。盡管混合燃料對混合氣形成和燃燒有促進(jìn)作用，但兩種因素綜合作用的結(jié)果表現(xiàn)為在EGR率相同的條件下，與柴油相比，隨著正丁醇摻混量增大，燃油消耗率增大。

圖6 不同EGR率下折合燃油消耗率對比

通過圖6曲線對比可見， EGR率低時，柴油和摻混正丁醇的混合燃料的折合燃油消耗率差距較大，隨著EGR率的提高，燃用不同燃料的折合燃油消耗率差距逐漸縮小。在EGR率為0%時，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣攜帶有充足的氧氣，這就使得正丁醇含氧、有利于燃燒的優(yōu)點不凸顯，反而由于混合燃料的熱值低，為保證通過燃燒釋放充足的熱量，使得燃油消耗率增高。隨著EGR率提高，缸內(nèi)廢氣增多，正丁醇含氧的優(yōu)點逐漸顯現(xiàn)，與燃用柴油的差距逐漸縮小。圖6中，當(dāng)EGR率為30%時，4種燃料的折合燃油消耗率較為接近，表明燃用正丁醇柴油混合燃料在較高EGR率時對改善燃燒的作用較大。

2.3 排放特性分析

2.3.1 NOx排放

圖7示出燃用正丁醇-柴油混合燃料NOx的生成隨EGR率的變化。NOx生成的條件是高溫、富氧以及高溫持續(xù)時間[13]。EGR降低缸內(nèi)氧濃度，同時降低燃燒過程中的溫度，改變NOx生成的條件，是降低NOx的有效手段。由圖7中可見，燃用不同混合燃料，隨著EGR率的提高，NOx的生成量都明顯降低；隨著EGR率增大，柴油和3種不同比例的混合燃料的NOx的生成量的差距逐漸減小，當(dāng)EGR率達(dá)到30%時，柴油和正丁醇-柴油混合燃料的NOx生成量都近乎為零。這是因為EGR率的增大降低了缸內(nèi)的溫度，另一方面缸內(nèi)氧濃度降低，影響了NOx的生成。

圖7 不同比例混合燃料NOx的生成量隨EGR率的變化

在EGR率不變的情況下，當(dāng)燃用正丁醇-柴油混合燃料時，由于隨著正丁醇摻混量增加，缸內(nèi)氧含量增加，可以促進(jìn)缸內(nèi)燃燒的進(jìn)行，中前期燃燒有所加快，使得最高燃燒溫度均有所上升，這就為NOx的生成創(chuàng)造了條件。但是從圖7 中看出：EGR率不變，隨著正丁醇的摻混量增加，NOx的生成先降低后增大，這是因為NOx生成還與缸內(nèi)高溫持續(xù)時間有關(guān)。文獻(xiàn)[14]指出：一旦滿足NOx的生成條件，當(dāng)溫度大于1 800 K(化學(xué)凍結(jié)溫度)，NOx的生成量與溫度呈指數(shù)增長關(guān)系，溫度越高，則NOx生成的速率就越大，從表6中可以看出，同一EGR率下的缸內(nèi)溫度隨著正丁醇的混合濃度增大逐漸增大；另一方面缸內(nèi)高溫環(huán)境的時間越短，NOx的生成量越少。對于較高壓縮比的柴油機(jī)來說，膨脹行程開始不久，缸內(nèi)溫度就迅速降低到NOx的化學(xué)凍結(jié)溫度。表7給出了燃用混合燃料和柴油在缸內(nèi)溫度達(dá)到NOx化學(xué)凍結(jié)溫度時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，隨著正丁醇摻混量的增大，NOx的凍結(jié)溫度所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有所提前，燃燒過程高溫持續(xù)時間縮短，即NOx大量生成的時間在縮短，這樣就影響了NOx的大量生成。綜上可以看出，圖7中NOx的變化規(guī)律是缸內(nèi)溫度和高溫持續(xù)時間共同作用的結(jié)果。

表7 凍結(jié)溫度對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(°)

燃料NB0NB10NB20NB30EGR率0%766．5764．0762．3760．4EGR率10%763．0762．2761．0760．2

2.3.2 Soot排放

Soot最終生成量是燃燒前期Soot生成和后期氧化過程共同作用的結(jié)果，影響Soot生成和氧化的因素主要有溫度、時間和氧濃度[14]。圖8示出燃用3種燃料在不同的EGR率下Soot生成過程的對比。

圖8 不同EGR率下的Soot排放對比

由圖8可見，隨著EGR率的提高，由于缸內(nèi)廢氣量增多，氧濃度相對降低，缺氧區(qū)域增加，Soot的生成量較大，燃燒過程中生成的Soot在后期的氧化過程中因缺氧而使氧化速率降低，致使Soot的最終生成量增大。與燃用柴油相比，燃用摻混正丁醇的混合燃料時，由于正丁醇含氧，使缸內(nèi)氧濃度增大，有利于燃燒充分進(jìn)行；另外，正丁醇中不含有被認(rèn)為生成炭煙前驅(qū)物的多環(huán)芳香烴，混合燃料中的多環(huán)芳香烴減少，含氧碳?xì)浠衔镏械某跏佳踉釉诜磻?yīng)中直接生成CO，降低了生成Soot前驅(qū)物的碳原子的含量，使Soot生成量減少[15]。由圖8可見，正丁醇摻混量越大，Soot的生成量越小。

對于混合燃料NB20，隨著EGR率的增大，Soot的最大生成量逐漸降低，最終生成量基本不變。這是因為混合燃料中正丁醇含量較大，混合燃料中氧濃度較大，在Soot的生成階段攜氧燃燒，Soot的生成量相對于柴油和NB10低，即使EGR率增大，對炭煙的最終排放量影響也較小。此時降低炭煙的主要因素是混合氣中氧濃度，燃燒過程中氧濃度大，Soot的最大生成量和最終生成量均降低。

3 結(jié)論

a) 柴油中摻混正丁醇可以加快燃燒速率，改善EGR對燃燒放熱帶來的消極影響；

b) 燃用正丁醇柴油混合燃料在較高EGR率時對改善燃燒的作用較大，混合燃料的折合燃油消耗率在高的混合比下與柴油接近；采用較高的EGR率，可以抑制NOx的生成，但是混合燃料攜氧燃燒，對NOx的生成有促進(jìn)傾向，但總體NOx的最終生成略有降低；

c) 由于混合燃料攜氧燃燒，可以有效地抑制Soot的生成；通過EGR可以降低NOx的生成，但是燃燒放熱會緩，可以通過柴油中添加含氧燃料來改善EGR帶來的不足。

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[編輯: 李建新]

Influence of EGR on Combustion and Emission of N-Butanol and Diesel Blended Fuel

WANG Zhancheng, WU Jian, SHANG Weiwei, XU Bin, LIU Yibin

(College of Vehicle & Traffic Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

The calculation model was built and verified with the Fire software according to engine bench test data and then the combustion and emission characteristics of n-butanol and diesel blended fuel under different EGR rates were researched with the model. The results show that the addition of n-butanol can accelerate the combustion rate and improve the negative effect of EGR during the combustion process. Higher EGR rate can suppress the formation of NOx, but the carried oxygen from burning blended fuel promotes the formation of NOx, and finally the whole NOxemission still shows the trend of reduction. The final soot emission increases with the increase of EGR rate, but reduces effectively after adding the oxygenated fuel.

n-butyl alcohol; diesel; blended fuel; EGR; numerical simulation; combustion; emission

2016-09-27;

2016-12-06

河南省國際合作項目(144300510039)

王站成(1976—)，男，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)的燃燒和控制; zcwzh@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.012

TK411.5

B

1001-2222(2016)06-0061-06