宣 熔，牛夢(mèng)達(dá)，李品芳,2，黃加亮,2，范金宇,2，胡 登，鄧 濤

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

0 引 言

近年來(lái)由于能源短缺及排放法規(guī)愈發(fā)嚴(yán)格等問(wèn)題[1– 2]，人們將目標(biāo)轉(zhuǎn)向雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)添加清潔能源的方法降低排放物并緩解能源緊缺問(wèn)題。柴油摻混甲醇可以有效降低碳煙排放，同時(shí)由于甲醇高汽化潛熱，亦可降低柴油機(jī)的NOX的排放[3]。甲醇作為高含氧的液體燃料，具有來(lái)源廣、產(chǎn)能高、低使用成本以及清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最具有潛力的石油替代能源之一[4]，但是甲醇十六烷值小、熱值低、對(duì)金屬有腐蝕、對(duì)塑料有溶脹作用等缺點(diǎn)不可忽略[5]。武文捷等[6]研究了甲醇噴入時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)雙噴柴油機(jī)燃燒與排放影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)甲醇噴入時(shí)刻為70°BTDC 時(shí)，缸內(nèi)預(yù)混合氣的濃度梯度較合理，燃燒等容度更好，CO 和soot 的排放量降低，NOX排放量增加；王斌等[7]通過(guò)研究柴油噴射壓力對(duì)柴油/甲醇二元燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放影響，得出在低柴油噴射壓力下，DMDF 模式可以明顯降低煙度且最大降幅可達(dá)35%；姚春德等[8]對(duì)高比例的甲醇預(yù)混燃燒在柴油機(jī)中的燃燒和排放特性進(jìn)行了研究，并指出進(jìn)氣口噴射甲醇并在氣缸內(nèi)通過(guò)柴油引燃，甲醇的最大摻混比例可以達(dá)到70%，在中高負(fù)荷時(shí)最大缸壓升高，在低速低負(fù)荷時(shí)最大壓力升高率變化不明顯。高比例摻混延長(zhǎng)了著火延遲期，降低了缸內(nèi)氣體的溫度，縮短了燃燒持續(xù)時(shí)間。李鵬等[9]研究了壓縮比對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響，通過(guò)將壓縮比從16.9 降到15.4，爆發(fā)壓力和最大壓力升高率分別下降44.5%，37.7%，使得HC 和CO的排放增加，NOX和碳煙的排放降低。本文以濟(jì)南柴油機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的4190ZLC-2 型船用四缸中速柴油機(jī)為原型，利用AVL_FIRE 軟件構(gòu)建柴油－甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室模型，在保留原機(jī)的電控高壓燃油噴射系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上，將提前預(yù)混混合燃料噴入氣缸燃燒室，對(duì)柴油機(jī)燃燒特性及排放特性進(jìn)行研究分析。其中，甲醇的摻混比例分別為0%，10%，20%，30%，40%。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

1.1 研究對(duì)象及模型建立

本文以濟(jì)南柴油機(jī)廠(chǎng)出產(chǎn)的廢氣渦輪增壓中冷四沖程4190ZLC-2 型船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，將柴油機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)，導(dǎo)入至CFD 軟件AVL_ FIRE 中并建立仿真模型。柴油機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 基本參數(shù)表Tab.1 Basic parameters

根據(jù)4190ZLC-2 型中速柴油機(jī)燃燒室參數(shù)，利用CAD 軟件繪制出燃燒室縱剖1/2 截面圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 燃燒室中心截面1/2 示意圖Fig.1 One-half of the center section of the combustion chamber

將燃燒室截面圖導(dǎo)入FIRE 軟件中的ESE-DIESL 模塊中進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分。由于燃燒室為圓形結(jié)構(gòu)，每個(gè)噴油嘴有8 個(gè)噴孔且噴孔處于氣缸中心并對(duì)稱(chēng)分布。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，故可將燃燒室等分8 份（見(jiàn)圖2），并取其1/8 進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。模型的計(jì)算范圍為柴油機(jī)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻（594°）至排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻（841°）。

圖2 柴油機(jī)燃燒室1/8 計(jì)算模型Fig.2 One-eighth calculation model of diesel engine combustion chamber

1.1.1 計(jì)算模型的選擇

本文選取k ?ε雙方程模型作為湍流流動(dòng)模型，適用于混合燃料的KH-RT 模型作為液滴破碎模型，Multi-component 模型作為液滴蒸發(fā)模型選擇，F(xiàn)ire 軟件自帶的O-Rourke 模型作為液滴相互碰撞模型，氣相脈沖速度來(lái)解釋的Enable 模型作為擴(kuò)散模型，Walljet1模型作為液滴碰壁模型，Zwldovich 模型作為NOX質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放物生成模型。

1.2 模型的驗(yàn)證

為確定仿真模型建立的準(zhǔn)確性，在其他條件不變，甲醇摻混比為0%，全負(fù)荷工況前提下，將柴油機(jī)仿真模型所測(cè)缸壓曲線(xiàn)與實(shí)機(jī)試驗(yàn)所得出的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖3）。由圖可知，2 條曲線(xiàn)基本吻合，仿真值略高于實(shí)驗(yàn)值，但誤差小于5%，屬合理范圍內(nèi)，即可說(shuō)明本文所建立的模擬仿真模型精度較高，具有一定的可靠性[10]。

2 甲醇不同摻混比對(duì)雙燃料柴油機(jī)燃燒特性影響分析

2.1 缸內(nèi)壓力

圖3 缸壓曲線(xiàn)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated values of cylinder pressure curve and experimental values

圖4 不同摻混比的缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)Fig.4 In-cylinder pressure curve with different mixing ratios

圖4 為不在同甲醇摻混比下的雙燃料柴油機(jī)缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)圖。由圖可知，隨著甲醇摻混比的增加，缸內(nèi)壓力逐漸降低，著火點(diǎn)滯后，滯燃期延長(zhǎng)，最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)相位略有提前，壓力升高率增大。最大爆發(fā)壓力從純柴油額定工況下的10.5 MPa 降低到在40%摻混比下的9.3 MPa，降低了約11.4%，從上止點(diǎn)后727.7°CA 移動(dòng)至上止點(diǎn)后727.3°CA。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)闊嶂荡笮∈欠磻?yīng)缸內(nèi)燃燒情況重要參數(shù)之一，但甲醇的熱值僅為19.6 MJ/kg，還未達(dá)到柴油熱值的一半，而隨著摻混比例增加，甲醇含量提高，燃用混合燃料所釋放出的熱值、能量均較純柴油模式低，因此導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低。在摻混比為40%條件下，可明顯觀(guān)察到缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)推遲且缸內(nèi)壓力下降幅度最大。

2.2 缸內(nèi)溫度

圖5 為在不同甲醇摻混比下的缸內(nèi)溫度變化曲線(xiàn)圖。由圖可知，隨著甲醇摻混比的不斷提高，缸內(nèi)溫度逐漸下降，缸內(nèi)最高溫度對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有所提前。溫度峰值從額定工況純柴油模式的1704 K 下降到在40%摻混比下的1532 K，降幅約為10.1%，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也從上止點(diǎn)后738.9°提前到上止點(diǎn)后735.9°。造成這種現(xiàn)象主要有以下幾個(gè)原因：一方面，甲醇汽化潛熱高，當(dāng)柴油摻混甲醇后，不僅會(huì)降低缸內(nèi)壓燃溫度，還會(huì)降低燃燒溫度；另一方面，甲醇熱值低，還未達(dá)到柴油熱值的一半，摻混甲醇后，混合燃燒所放出的熱量少，降低了缸內(nèi)溫度。此外，還可以觀(guān)察到隨著甲醇摻混比的增加，缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)及達(dá)到溫度峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角差值逐漸降低，這是因?yàn)榧状既紵?，其火焰?zhèn)鞑ニ俾蚀笥诩儾裼湍Ｊ较碌膫鞑ニ俾剩s短了速燃期，并且使得放熱更加集中。

圖5 不同摻混比的缸內(nèi)溫度曲線(xiàn)Fig.5 In-cylinder temperature curve with different mixing ratios

2.3 放熱率

圖6 為在不同甲醇摻混比下的混合燃料放熱率曲線(xiàn)圖。觀(guān)察圖中數(shù)據(jù)可得出，隨著甲醇摻混比的增加，放熱率峰值逐漸增加，峰值所對(duì)應(yīng)的相位有較明顯的延遲，純柴油模式的下放熱率曲線(xiàn)為雙峰，而摻混甲醇后，放熱率曲線(xiàn)趨向單峰。原因主要有以下幾個(gè)方面：一方面隨著甲醇的摻混，燃燒滯燃期延長(zhǎng)，使得放熱率峰值高于純柴油且推遲了峰值出現(xiàn)的相位，縮短了速燃期的反應(yīng)放熱時(shí)間[11]；同時(shí)甲醇為高含氧燃料，燃料燃燒更加完全，放熱量更大。另一方面甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，缸內(nèi)著火后，縮短速燃期。此外，結(jié)合圖4 和圖6 還可以發(fā)現(xiàn)，最大放熱率明顯增加的同時(shí)，最大壓力升高率也有略微增加，這是由加入甲醇后的燃燒始點(diǎn)推遲和滯燃期延長(zhǎng)所致。

圖6 不同摻混比的放熱率曲線(xiàn)Fig.6 Heat release rate curve with different mixing rations

3 甲醇不同摻混比對(duì)雙燃料柴油機(jī)排放特性影響分析

3.1 NO 排放

柴油機(jī)排放的氮氧化物（NOX）包括NO，NO2，N2O5等[12]。由于NO 在NOX占90%左右，故本文主要研究NO 的排放。按照NO 生成形式可分為：熱力型NO、燃料型NO、激發(fā)型NO。由于后兩者所占比例甚少，忽略不計(jì)。僅考慮生成條件為高溫、富氧、反應(yīng)時(shí)間的熱力型NO。

圖7 不同摻混比NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)Fig.7 Different mixing ratios of NO mass fraction curve

圖7 為雙燃料柴油機(jī)在額定工況下?lián)綗煌壤状糔O 排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)圖。由圖可知，隨著摻混比的增大，NO 排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。原因如下：一方面，甲醇具有高汽化潛熱值，隨著甲醇的加入，在燃燒時(shí)甲醇汽化，會(huì)降低缸內(nèi)溫度及燃燒溫度，同時(shí)縮短了高溫持續(xù)時(shí)間；另一方面，由于甲醇中不含氮元素，參與燃燒的氮元素減少。綜上所述，NOX排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著摻混比的增加而降低。此外，由仿真數(shù)據(jù)可得，最終NO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在摻混20% 甲醇生成5.79 ppm 較純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)6.155 ppm 降低了約5.85%，隨著摻混比增加至40% 時(shí)，NO 的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5.58 ppm 較純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)降低9.3%

3.2 CO 的排放

圖8 為不同摻混比下的CO 排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)。從圖中可以看出，隨著甲醇的摻混比增加，CO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高。與純柴油模式相比，摻混比為20%時(shí)，增加了49.2%，而摻混比為40%時(shí)的CO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅最大。CO 的生成條件為低溫、缺氧以及氧化時(shí)間。造成這種現(xiàn)象有以下幾個(gè)原因：一方面，甲醇具有高汽化潛熱以及較低的熱值，甲醇的加入降低了燃燒溫度，為CO 創(chuàng)造了低溫的環(huán)境，促進(jìn)了CO 的生成；另一方面，由于摻混甲醇，缸內(nèi)燃燒不僅存在著柴油的擴(kuò)散燃燒，還有甲醇的預(yù)混燃燒；隨著甲醇摻混比的增加，柴油當(dāng)量比降低，引燃柴油的著火范圍以及著火能量降低[13]，導(dǎo)致燃燒不完全，CO 排放增加。此外，CO 氧化為CO2需要活潑的OH—，而甲醇的加入會(huì)將活潑的OH—轉(zhuǎn)化為不活潑的H2O2，從而導(dǎo)致CO 氧化速度變慢，CO 量增加。

圖8 不同摻混比CO 生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)Fig.8 Different mixing ratios of CO mass fraction curve

3.3 碳煙的排放

碳煙的排放是檢驗(yàn)柴油機(jī)排放的標(biāo)準(zhǔn)之一。由于本文選取的氣相計(jì)算模型所得出的結(jié)果并沒(méi)有直接顯示碳煙（soot）生成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此利用碳煙生成的前驅(qū)物A4用來(lái)表示。故通過(guò)對(duì)不同甲醇摻混比例所生成的碳煙前驅(qū)物A4進(jìn)行研究分析。

圖9 為不同摻混比下A4生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)。從圖中可看出，隨著甲醇摻混比增加，A4生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低。在額定工況下，摻混20%甲醇所生成A4相比純柴油模式降低了71.2%，且A4的最大降幅發(fā)生在摻混比為為40%時(shí)，降幅約為85.9%。造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾個(gè)方面：一是在混合燃料中，甲醇的“微爆效應(yīng)”使得混合燃料霧化效果進(jìn)一步提高，與空氣充分混合后，在燃燒更加徹底時(shí)又由于甲醇為高含氧燃料，在柴油擴(kuò)散燃燒階段會(huì)減少缺氧區(qū)，從而抑制A4的生成同時(shí)，甲醇的十六烷值低，滯燃期延長(zhǎng)，同樣會(huì)使得空氣與混合燃料充分混合，反應(yīng)更徹底；二是由于甲醇汽化潛熱高、熱值低放出熱量少的雙重作用，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低。此外，甲醇不含有碳—碳鏈，從根本上消除了碳煙產(chǎn)生的可能，從而降低A4生成量。

圖9 不同摻混比A4 生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)Fig.9 Different mixing ratios of A4 mass fraction curve

4 結(jié) 論

1）隨著甲醇摻混的增加，甲醇-柴油雙燃料柴油機(jī)缸內(nèi)壓力以及溫度變化趨勢(shì)相同，均有不同程度的下降，最大爆發(fā)壓力和最高溫度對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均有所提前。

2）當(dāng)柴油摻混甲醇后，其燃燒出現(xiàn)明顯不同的放熱規(guī)律。燃燒放熱率與甲醇摻混比呈現(xiàn)正相關(guān)，瞬時(shí)放熱率變大且對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角略有后移，滯燃期延長(zhǎng)，且放熱率曲線(xiàn)由純柴油雙峰曲線(xiàn)向摻混后單峰曲線(xiàn)轉(zhuǎn)變。

3）與純柴油相比，甲醇-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著甲醇摻混增加，CO 排放顯著升高，且在摻混比為40%時(shí)，增幅最大。

4）額定工況下，NOX、碳煙隨摻混比增加而大顯著降低。在摻混40%甲醇后，NOX的最低排放約降低9.3%，碳煙的最大降幅約為85.9%。

在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，燃用摻混比為20% 混合燃料時(shí)，NO 排放較原機(jī)降低5.85%，CO 含量增加49.2%，碳煙排放量降低71.2%。