牛夢(mèng)達(dá)，宣熔，陳美謙,2，胡登，范金宇,2，黃加亮,2

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

0 引言

目前國(guó)際海事組織(IMO)制定了更為嚴(yán)格的排放法規(guī)[1]，促使柴油機(jī)朝著更加節(jié)能的方向發(fā)展[2]。丁醇作為第二代新型生物燃料相較于傳統(tǒng)石油更容易實(shí)現(xiàn)清潔燃燒。但單純的摻燒丁醇無(wú)法滿足IMO Tier Ⅲ排放法規(guī)，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者在燃料-丁醇燃燒研究基礎(chǔ)上，通過(guò)改變柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)而達(dá)到改善排放的效果。Juan[3]在恒定體積容器中研究不同初始溫度和不同丁醇摻混比對(duì)燃燒和排放性能的影響；研究表明，柴油摻燒較高比例的正丁醇可以有效降低NOx排放，摻混比超過(guò)50%會(huì)降低燃燒溫度，適當(dāng)提高初始溫度可以有效改善燃燒狀況，但相應(yīng)NOx排放會(huì)出現(xiàn)不同程度的惡化，而廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)能夠有效實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)低溫燃燒，進(jìn)而達(dá)到降低NOx排放的效果。祖向歡[4]在TBD234V12型相繼增壓柴油機(jī)上，通過(guò)搭建高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)EGR對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能分析；研究表明，在低負(fù)荷較小EGR利用率及高負(fù)荷高EGR利用率條件下，能夠在不影響柴油機(jī)運(yùn)行基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，較高的EGR利用率可以實(shí)現(xiàn)Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)動(dòng)力性能極大地降低。鄭尊清[5]在一臺(tái)柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上摻混不同比例的汽油、柴油、丁醇混合燃料，結(jié)合較高EGR利用率，研究不同噴油正時(shí)和噴油壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒和排放的影響；研究表明，丁醇有較好的揮發(fā)性，能夠有效改善油氣混合，同時(shí)能有效改善碳煙、CO等的排放，但因汽油和丁醇熱值過(guò)低，以及較高的EGR利用率會(huì)造成缸內(nèi)燃燒惡化。由此得知，單純的改變丁醇摻混比或者EGR利用率，在達(dá)到既定目標(biāo)的同時(shí)，伴隨著燃燒性能的惡化。本文通過(guò)AVL_FIRE軟件，在4190 ZLC-2型中速柴油機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上，構(gòu)建仿真模型，通過(guò)改變丁醇摻混比例，結(jié)合低EGR利用率，在保證缸內(nèi)燃燒質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)NOx、碳煙及CO排放優(yōu)化。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象和模型建立

本文以電控改造后的4190 ZLC-2型柴油機(jī)為研究對(duì)象，其試驗(yàn)臺(tái)裝置的主要設(shè)備及系統(tǒng)如圖1所示。

首先，運(yùn)用CAD繪制燃燒室縱剖1/2截面圖，如圖2所示。導(dǎo)入ESE DIESEL模塊，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型中忽略了進(jìn)排氣閥對(duì)燃燒室容積影響，為確保壓縮比保持不變，以模型為參照對(duì)象，增加補(bǔ)償容積，使用FIRE軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成三維模型如圖3所示。選擇合適的計(jì)算模型，研究柴油機(jī)在不同EGR利用率條件下，摻燒不同比例丁醇時(shí)，柴油機(jī)的排放性能。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4190 ZLC-2型柴油機(jī)燃燒室為半開(kāi)式ω型，發(fā)火順序?yàn)?-3-4-2，雙氣道，其基本參數(shù)如表1所示。邊界條件參數(shù)的設(shè)置主要取決于柴油機(jī)初始運(yùn)行時(shí)模型各個(gè)部件的溫度，通過(guò)AVL_BOOST構(gòu)建整機(jī)一維模型，并通過(guò)計(jì)算得到邊界數(shù)據(jù)。

表1 柴油機(jī)基本性能指標(biāo)

湍動(dòng)能計(jì)算公式為：eTKE=3u2/2;u=0.5·Cm;Cm=2hn/60。式中：n為轉(zhuǎn)速(r/min)；Cm為活塞平均速度(m/s)；h為行程(m)；u為湍流脈動(dòng)速度(m/s)。

1/8噴油量m=[bepe/(120ni)]τ。式中:be為標(biāo)定功率點(diǎn)燃油消耗率；pe為標(biāo)定功率；τ為柴油機(jī)沖程數(shù)；n為標(biāo)定轉(zhuǎn)速；i為柴油機(jī)氣缸數(shù)。

1.3 選擇計(jì)算子模型

在丁醇-柴油雙燃料燃燒模型的基礎(chǔ)上，建立子模型，具體如下：選用k-ε型湍流流動(dòng)模型模擬流動(dòng)現(xiàn)象；在噴霧模型中，液滴破碎模型選用多噴孔噴油器的KH-RT模型，使計(jì)算結(jié)果更加可靠；擴(kuò)散模型選用Enab-le模型來(lái)解釋氣相脈沖速度；選用射流Walljet1模型作為液滴碰壁模型；蒸發(fā)模型選用軟件推薦的Multi-component模型；排放模型選用與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)燃燒模型相對(duì)應(yīng)的Zeldovich模型。

1.4 模型驗(yàn)證

在額定工況下，基于AVL_FIRE求解器成分中設(shè)置缸內(nèi)的正丁醇(C4H10O)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，在全負(fù)荷工況下，將柴油機(jī)仿真模型所測(cè)得的缸壓曲線與原機(jī)實(shí)測(cè)得的缸壓曲線進(jìn)行對(duì)比，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，直至兩條曲線誤差在5%以內(nèi)，如圖4所示。試驗(yàn)和仿真的放熱率曲線也基本重合，可用于仿真計(jì)算。其中純柴油機(jī)原機(jī)試驗(yàn)值與仿真值誤差較低，但仿真值缸壓峰值和放熱率峰值均低于試驗(yàn)值，放熱率誤差最高2.16%。主要原因?yàn)椋悍抡婺Ｐ椭惺褂谜榉磻?yīng)機(jī)理代替柴油參與燃燒，而正庚烷熱值略低于柴油，因此放熱率和缸壓均有略微降低。

2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

設(shè)置丁醇質(zhì)量摻混比為0(B0)、10%(B10)、20%(B20)、30%(B30)4組變量；EGR利用率為柴油機(jī)進(jìn)、排氣中CO2濃度的比值[6]，本文設(shè)置0%，7.5%，10.0%，12.5%，15.0%，17.5% 6組變量。

2.1 NO排放

圖5為缸內(nèi)平均燃燒溫度曲線圖。缸內(nèi)燃燒溫度對(duì)柴油機(jī)NOx、Soot和CO生成有著重要影響，尤其是NOx生成過(guò)程中，高溫對(duì)N元素的氧化起著決定作用，因此分析EGR利用率和丁醇摻混比對(duì)溫度變化的影響具有十分重要的意義。從圖5中可以看出，隨著EGR利用率的增加，缸內(nèi)平均溫度下降，當(dāng)EGR利用率為12.5%時(shí)缸內(nèi)平均溫度峰值從1 800 K降到1 600 K，基本實(shí)現(xiàn)了低溫燃燒。隨著惰性氣體的增加，比熱容增大，氧氣被稀釋，滯燃期延長(zhǎng)，導(dǎo)致混合燃料在低溫、缺氧環(huán)境下燃燒不完全，因此缸內(nèi)溫度出現(xiàn)明顯下降狀況。但由于氧含量的增加促進(jìn)了缸內(nèi)燃燒，彌補(bǔ)了燃料熱值的不足，因此丁醇摻混比的增加對(duì)溫度整體影響較小。

圖6為不同EGR利用率和丁醇摻混比下NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。從圖6中可以看出，在EGR利用率較低時(shí)，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著丁醇摻混比的增加而增大，但整體變化范圍不明顯。其中，在曲軸轉(zhuǎn)角低于738°時(shí)，因摻混比增加導(dǎo)致的滯燃期延長(zhǎng)，溫度下降，造成NO排放降低。而在較高EGR利用率范圍內(nèi)，隨著丁醇摻混比的增加，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈先升高后降低趨勢(shì)，且變化幅度有擴(kuò)大趨勢(shì)。在丁醇摻混比不變的條件下，隨著EGR利用率的增加，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低。其中：B0、EGR利用率17.5%組合對(duì)應(yīng)NO排放比原機(jī)組合下降64.12%；在EGR利用率大于12.5%、丁醇摻混比超過(guò)20%時(shí)，NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降幅度減??；B20、EGR利用率為12.5%組合NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原機(jī)減小58.97%。由于丁醇汽化潛熱遠(yuǎn)大于柴油，隨著摻混比的增加，在EGR利用率為15.0%、B30以及EGR利用率為17.5%、B20和EGR利用率為17.5%、B30組合出現(xiàn)失火現(xiàn)象。

由圖7可知，在較低EGR利用率范圍內(nèi)，由于缸內(nèi)進(jìn)氣空氣氧含量較為充足，以及丁醇氧元素含量較高，因而燃料能夠?qū)崿F(xiàn)充足燃燒，缸內(nèi)溫度仍然保持較高水平，滿足NO高溫富氧的生成環(huán)境；在較高EGR利用率范圍內(nèi)，由于缸內(nèi)初始氧含量急劇下降，此時(shí)丁醇中含氧量成為影響缸內(nèi)燃燒效果的決定因素，同時(shí)丁醇的汽化潛熱遠(yuǎn)高于柴油，達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)需要吸收更多的熱量，因而使得滯燃期延長(zhǎng)，NO生成時(shí)刻滯后。

2.2 Soot排放

碳煙(Soot)的排放是檢驗(yàn)柴油機(jī)排放性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。A4消耗量是指碳煙前驅(qū)物(A4)轉(zhuǎn)化為Soot所消耗的量，由于A4占比較大，起主要作用，因此Soot排放變化趨勢(shì)用碳煙前驅(qū)物(A4)表示[7-8]。圖8為不同EGR利用率和丁醇摻混比對(duì)應(yīng)A4生成和消耗質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。由圖8可知，在EGR利用率不變的條件下，碳煙前驅(qū)物A4的生成和消耗質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著丁醇摻混比的增加而逐漸降低，在摻混比超過(guò)20%時(shí)，低EGR利用率對(duì)應(yīng)A4下降趨勢(shì)幾乎保持不變，而較高EGR利用率對(duì)應(yīng)A4趨勢(shì)仍持續(xù)下降。A4主要在預(yù)混燃燒階段生成，丁醇摻混比例的增加會(huì)使滯燃期延長(zhǎng)，油氣充分混合，燃燒獲得有效改善，減少了A4的生成量。由圖5可知，缸內(nèi)溫度隨丁醇摻混比變化不大，但含氧量的增加提高了混合氣體的氧含量，從而使A4消耗量增高，減少了A4的生成量。

由圖9可知，在摻混比不變的條件下，隨著EGR利用率的增加，A4生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，在EGR利用率高于12.5%時(shí)，A4質(zhì)量分?jǐn)?shù)有進(jìn)一步上升趨勢(shì)，與之相反，在EGR利用率大于12.5%時(shí)，A4轉(zhuǎn)化為Soot消耗量急劇下降。B20、EGR利用率為12.5%時(shí)對(duì)應(yīng)A4生成峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原機(jī)下降37.5%。在較低丁醇摻混比下，隨著EGR利用率的增加，缸內(nèi)氧濃度逐步降低，燃燒惡化，A4生成質(zhì)量增加；在較高丁醇摻混比、高EGR利用率下，雙燃料滯燃期延長(zhǎng)，使燃料與空氣能夠較為充分混合，A4生成量減少。另由圖9可知，在低摻混比下，A4消耗率下降趨勢(shì)不明顯，燃料的不充分燃燒有利于Soot的生成。在EGR利用率為0%～12.5%時(shí)，A4消耗量先升高后降低，整體變化趨勢(shì)同溫度變化相吻合；在EGR利用率高于12.5%時(shí)，圖像呈下降趨勢(shì)。主要原因?yàn)?，隨著EGR利用率的增加，缸內(nèi)氧含量過(guò)低，燃燒不充分，導(dǎo)致溫度過(guò)低[9-10]。

2.3 CO排放

圖10為丁醇摻混比和EGR利用率對(duì)CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響曲線圖。由圖10可知，在同一EGR利用率下，隨著丁醇摻混比的增加，CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，初始生成時(shí)刻向后延長(zhǎng)，在摻混比高于20%條件下，下降幅度逐漸減緩；正丁醇十六烷值含量遠(yuǎn)低于柴油，同時(shí)丁醇的汽化潛熱過(guò)高導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，有助于燃料與空氣充分混合燃燒，使得CO生成量降低。但丁醇熱值較低，隨著丁醇摻混比的增加，缸內(nèi)最高溫度呈下降趨勢(shì)，高溫持續(xù)時(shí)間縮短，CO生成量理應(yīng)增加；而從圖10不難發(fā)現(xiàn)，不同摻混比對(duì)應(yīng)缸內(nèi)平均溫差很小，隨著摻混比的增加，丁醇因?yàn)橛衅涓叩难鹾?，有助于燃料更加充分地燃燒，CO在富氧環(huán)境被氧化為CO2。

由圖11可知，在較低丁醇摻混比下，隨著EGR利用率的增加，CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先明顯上升而后逐漸平穩(wěn)趨勢(shì)；在高丁醇摻混比下，隨著EGR利用率的增加，CO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯下降趨勢(shì)。B20、EGR利用率12.5%組合對(duì)應(yīng)CO排出質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原機(jī)降低23.53%。EGR利用率的增加，導(dǎo)致缸內(nèi)惰性氣體增加，造成比熱容增大，進(jìn)氣中的氧濃度進(jìn)一步降低，為CO創(chuàng)造了良好的生成環(huán)境；同時(shí)，隨著EGR利用率的增加，空燃比明顯減小，缸內(nèi)燃燒性能惡化，B0、EGR利用率17.5%組合比B0、EGR利用率0%組合缸內(nèi)溫度降低200 K以上，低溫環(huán)境下，燃料燃燒中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為碳粒，因此CO生成量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文利用FIRE軟件建立柴油-丁醇混合燃料燃燒高壓循環(huán)仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在既定工況下，以NO、Soot、CO生成和排放綜合優(yōu)化為目標(biāo)，選取最優(yōu)摻混比和EGR利用率，結(jié)果如下。1)改變丁醇摻混比對(duì)降低NO排放效果不明顯，但對(duì)A4的生成和排放有著較大地影響，CO排放也有明顯改善。2)EGR的引入能夠?qū)崿F(xiàn)低溫燃燒，可以有效改善NO的排放，但EGR利用率過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，進(jìn)而造成碳煙和CO排放的升高，在EGR利用率15%，B30情況下出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。3)柴油摻燒丁醇，并與EGR技術(shù)結(jié)合能夠較大程度降低NO排放，Soot排放有升高但整體幅度可控， CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于原機(jī)，在保證燃燒質(zhì)量條件下，實(shí)現(xiàn)了降低排放目標(biāo)。

綜合以上分析，丁醇摻混比為B20，EGR利用率12.5%組合下，NO排放比原機(jī)降低58.97%，Soot生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值比原機(jī)降低37.5%，而排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有升高，CO排放比原機(jī)降低23.53%。在對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性能不產(chǎn)生較大影響的前提下，實(shí)現(xiàn)了降低NO排放，改善Soot、CO排放的目標(biāo)。