王賽，朱召軍，郭曉宇，呂德淋，陳英杰，朱繼貞，黃豪中

(廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

開發(fā)和研究新型清潔能源可以減少進口石油、避免越來越高的油價對我國發(fā)展造成影響，也是減少大氣污染的有效方法，對我國實現(xiàn)環(huán)境科學治理和國家安全都有重要意義。車用清潔可再生能源開發(fā)是車輛工業(yè)節(jié)能減排研究的主要方向之一，中國的“十四五”規(guī)劃與歐盟委員會有關“2030年環(huán)境和能源結構”的項目都在建議發(fā)展可再生新能源[1]。其中，醇類燃料可以應用在柴油機[2-3]，也可以應用在汽油機，被認為是最有潛力替代石油化石能源的燃料之一。

正戊醇化學式為C5H12O，含氧量多，著火溫度、粘度和腐蝕風險較低，可以從工程微生物的自然發(fā)酵和葡萄糖的生物合成中生產獲取[4-5]。ZHANG等[6]研究了丁醇-柴油和戊醇-柴油發(fā)動機的燃燒參數(shù)和排放特性，發(fā)現(xiàn)在比例相同情況下戊醇-柴油比丁醇-柴油的燃油消耗率少。ANTHNOY等[7]通過研究不同正戊醇比例對發(fā)動機顆粒排放的影響，結果發(fā)現(xiàn)，添加正戊醇可以減少發(fā)動機排放顆粒數(shù)濃度和減少排放顆粒質量濃度，而且正戊醇比例增加，顆粒減少越明顯。WANG等[8]研究發(fā)現(xiàn)，添加戊醇可以減少碳煙Soot和NOx排放。正戊醇-柴油燃料比純柴油呈現(xiàn)更佳的熱效率，并增強抗爆震性。KUMAR等[9]在低溫燃燒(LTC)工況進行正戊醇-柴油試驗時發(fā)現(xiàn)，添加正戊醇可顯著減少NOx和顆粒排放量。YOSHIMOTO等[10]研究了正戊醇-生物柴油燃料對柴油發(fā)動機排放的影響，結果表明，在生物柴油中添加正戊醇可減少Soot排放。

目前，有關正戊醇-柴油減少發(fā)動機排放的機理還不十分明了。因此，本研究通過發(fā)動機臺架試驗和仿真運算相驗證的方法，在不同負荷工況下研究3種不同正戊醇比例燃料(D100、H30和H45)對柴油機燃燒參數(shù)和排放特性的變化規(guī)律。研究結果可為正戊醇-柴油發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)給予理論基礎。

1 試驗燃料與方案

試驗燃料共3種，在柴油中加入體積比分別為30%和45%的正戊醇，制成正戊醇-柴油試驗燃料，分別表示為H30和H45；另一種試驗燃料為純柴油，表示為D100，D100為基準燃料。表1為這些燃料的各項物理化學參數(shù)。

表1 純柴油、正戊醇、H30和H45的物理化學參數(shù)

2 試驗裝置和方法

2.1 試驗裝置

圖1所示為試驗裝置系統(tǒng)原理圖，所用發(fā)動機為一臺四缸、增壓中冷車用柴油發(fā)動機，試驗發(fā)動機主要參數(shù)見表2。試驗系統(tǒng)包括參數(shù)測量系統(tǒng)和試驗控制系統(tǒng)。參數(shù)測量系統(tǒng)主要有缸內燃燒參數(shù)測量系統(tǒng)、發(fā)動機運行工況參數(shù)測量系統(tǒng)和發(fā)動機排放測量系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)主要有電子控制單元、INCA軟件系統(tǒng)和線束測量模塊組成。

1.油箱； 2.燃油過濾器； 3.油耗儀； 4.高壓油泵； 5.ECU； 6.燃燒參數(shù)檢測儀； 7.ECU控制臺； 8.發(fā)動機控制柜； 9.電渦流測功機； 10.發(fā)動機； 11.角標儀； 12.高壓共軌管； 13.缸內壓力傳感器； 14.噴油器； 15.熱交換器； 16.EGR閥； 17.進氣中冷器； 18.空氣流量計； 19.Cambustion顆粒分析儀 dms500MkⅡ；20.Horiba MEXA-7100DEGR排放分析儀； 21.415SE煙度計；22.壓力閥

表2 試驗發(fā)動機主要參數(shù)

2.2 試驗方法

在試驗過程中冷卻水溫度和進氣溫度控制在(85±3)℃和(30±2)℃，系統(tǒng)噴油壓力為120 MPa，噴油正時-3°CA(ATDC)。試驗固定發(fā)動機轉速為1 200 r/min，負荷工況有5種(表3)，研究正戊醇比例(D100、H30和H45)和負荷對正戊醇-柴油燃料的燃燒和排放特性的影響。

表3 發(fā)動機運行工況參數(shù)

2.3 仿真運算方法

本研究運用CONVERGE進行模型的建立和網格的劃分，仿真運算發(fā)動機缸內的燃燒過程。所用的主要仿真運算模型見表4。仿真運算之前，運用缸內平均壓力和缸內平均溫度的仿真結果進行網格無關性驗證，選取四種基礎網格(1、2、3、4 mm)。結果表明不同網格尺寸對缸內平均壓力和缸內平均溫度數(shù)值影響不大?？紤]運算效率與準確度，最終選取2 mm基礎網格，燃燒室運算網格圖如圖2所示。

表4 仿真運算模型

圖2 運算網格圖

正戊醇機理采用本課題組構建的正庚烷-正丁基苯-正戊醇-多環(huán)芳烴燃燒化學動力學機理，此機理經過驗證可用于柴油機仿真運算，包括178個物種和746個化學反應[12]。

2.4 試驗值與仿真值驗證

圖3所示為在不同進氣氧濃度工況D100、H30和H45燃料的缸內平均壓力和缸內瞬時放熱率的試驗值與 CONVERGE仿真運算結果對比。從圖3中可知，試驗值與仿真結果基本一致。說明本研究建立的發(fā)動機仿真模型可用于研究正戊醇-柴油的燃燒過程。

(a) D100

3 試驗與仿真運算結果分析

3.1 正戊醇比例對柴油機燃燒特性的影響

3.1.1 缸內平均壓力、缸內瞬時放熱率和最大壓力升高率分析

圖4所示為不同負荷工況D100、H30和H45燃料缸內平均壓力和缸內瞬時放熱率。從圖4中可知，負荷增加時，3種燃料的缸內平均壓力峰值增加。當正戊醇比例增加時，缸內平均壓力和缸內瞬時放熱率的峰值增加，這是因為，一方面正戊醇粘度較低，改善了燃料的蒸發(fā)和霧化，缸內形成可燃混合氣的燃料增加；另一方面，正戊醇的十六烷值比柴油少，柴油機缸內滯燃期增加，滯燃期內燃燒準備更加充分。此外，正戊醇含氧量更多，可增加燃燒速率，促進燃燒過程。

(a) 0.4BMEP負荷工況

圖5是在不同負荷工況下D100、H30和H45燃料的缸內最大壓力升高率。從圖5中可知，正戊醇比例增加時，最大壓力升高率上升。負荷增加時，3種燃料的最大壓力升高率先增加，在中高負荷時增加幅度減少。主要因為，負荷增加時，缸內燃料質量分數(shù)增加，燃燒速率增加，最大壓力升高率升高。負荷增加至一定程度時，過量空氣系數(shù)減小，缸內氧含量減少,缸內燃燒產生熱量增加幅度減少，最大壓力升高率升高幅度有所減少。

圖5 不同負荷工況D100、H30和H45燃料最大壓力升高率

3.1.2 CA50、滯燃期、有效熱效率分析

圖6是不同負荷工況3種燃料的滯燃期、CA50和有效熱效率。由圖6可以看出，發(fā)動機負荷增加時，滯燃期減少，CA50更早，有效熱效率升高。這是因為負荷增加時，缸內熱負荷增大[13]，使得缸內更快產生第一個火焰核并且開始燃燒，滯燃期減少，缸內擴散燃燒開始更早，產生熱量更多，CA50時刻更早。而且缸內火焰?zhèn)鞑サ乃俣群退偃计趦鹊娜紵俣仍黾?，燃燒過程進展更完全，燃燒過程產熱更加集中，所以有效熱效率增加[14]。

(a) 滯燃期

圖6還顯示出隨著燃料正戊醇比例的增加，試驗工況的滯燃期增加，這是因為正戊醇蒸發(fā)潛熱數(shù)值比柴油更大，燃料在蒸發(fā)過程中吸熱，壓縮過程始點的溫度減少，壓縮的燃料氣體的等熵指數(shù)較小，壓縮過程終點溫度減少，而且正戊醇十六烷值比柴油少，滯燃期增加。從圖6中可知，隨著正戊醇比例增加，有效熱效率增加。這是因為正戊醇含氧量多，霧化質量更佳，增加了缸內燃燒速率，所以增加了有效熱效率。

3.2 正戊醇比例對正戊醇-柴油燃料排放特性的影響

3.2.1 CO和HC排放分析

圖7和圖8顯示了D100、H30和H45燃料在不同負荷工況下的CO和HC的排放曲線。由圖7和圖8可以看到在中低負荷時，發(fā)動機負荷增加時，三種燃料的CO和HC排放減少，正戊醇-柴油的CO和HC排放比柴油多。這是因為正戊醇-柴油燃料的蒸發(fā)潛熱值較大，在缸內燃燒過程需吸取熱量，使得缸內溫度減少，不利于CO和HC進一步氧化。而且正戊醇比例增加時，缸蓋底面和活塞頂面凹坑的燃料濃度增加，區(qū)域燃料過濃，氧含量減少，抑制CO和HC的氧化過程(圖9)。

圖7 不同負荷工況D100、H30和H45燃料CO排放曲線

圖8 不同負荷工況D100、H30和H45燃料HC排放曲線

圖9 D100、H30和H45燃料CA50和CA90時刻CO和燃料質量分布(19.6 %進氣氧濃度工況,負荷0.6 MPa)

D100、H30和H45燃料CA50和CA90時刻CO和燃料質量分布(19.6%進氣氧濃度工況,負荷0.6 MPa)如圖9所示，由圖9可以看出，在較高負荷工況，正戊醇比例增加時，CO排放減少。在較高負荷工況，缸內燃燒溫度增加[15]，正戊醇蒸發(fā)潛熱對缸內溫度降低的影響不明顯，而且由于正戊醇-柴油燃料的氧含量更高，有利于CO的氧化，所以在較高負荷工況，正戊醇比例增加，CO排放減少。

3.2.2 NOx排放分析

NOx的形成取決于燃燒峰值溫度、缸內氧氣量和燃燒化學時間。NO是NOx的最主要的成分。圖10是D100、H30和H45燃料在不同負荷工況下的NOx排放試驗結果曲線。從圖10中可知，負荷增加時，發(fā)動機NOx試驗排放增加。這是因為，負荷增加時，缸內燃料質量分數(shù)增加，缸內燃燒溫度增加，NOx生成量增加。圖11是在19.6%和15.3%進氣氧濃度工況三種燃料的CA50時刻NO質量分布，從圖10中可知，隨著正戊醇比例增加，NO減少，所以NOx排放減少，這是因為正戊醇蒸發(fā)潛熱值較大而降低缸內溫度產生的影響起到主要作用(圖12)。

圖10 不同負荷工況D100、H30和H45燃料NOx排放曲線

圖11 D100、H30和H45燃料CA50時刻NO質量分布(19.6 %和15.3 %進氣氧濃度工況)

圖12 D100、H30和H45燃料CA50、CA90時刻溫度分布(19.6 %進氣氧濃度工況)

3.2.3 Soot排放分析

圖13是不同負荷工況下3種燃料的Soot排放曲線，從圖13中可知，正戊醇比例增加，Soot排放減少。這是因為，正戊醇添加，缸內滯燃期增加，而且正戊醇-柴油粘度更低，燃料霧化質量更佳，促進了滯燃期內均勻可燃氣體的形成。正戊醇-柴油燃料的氧含量較多，改善了缸內可燃氣體區(qū)域過濃而缺氧的狀況(圖14)。正戊醇-柴油燃料相比柴油的芳香烴含量比例更少，減少Soot前驅物的形成，醇類還含有羥基，燃燒更加充分，減少了Soot的生成。

圖13 不同負荷D100、H30和H45燃料Soot排放曲線

圖14是在19.6%進氣氧濃度工況D100、H30和H45的CA50時刻C2H2和O質量分布圖像，C2H2是Soot生成路徑中重要的指示物。從圖13中可知，正戊醇比例增加時，C2H2在CA50時刻質量分數(shù)減少。主要因為，正戊醇比例增加時缸內溫度減少(圖12)，燃燒速率降低，C2H2產生量減少；另外，CA50時刻缸內O的質量分數(shù)增加，C2H2+O<=>CH2+CO和C2H2+O<=>HCCO+H氧化速率增加。

圖14 D100、H30和H45燃料CA50時刻C2H2和O質量分布(19.6 %進氣氧濃度工況)

4 結論

本研究通過柴油機試驗和仿真運算驗證方法，研究負荷和正戊醇比例對正戊醇-柴油燃料的柴油機燃燒參數(shù)和排放特性的影響規(guī)律，試驗和仿真運算驗證方法可得出發(fā)動機實際過程準確度與可信度。主要得出以下結論：

① 正戊醇比例增加時，缸內平均壓力峰值、缸內瞬時放熱率峰值增加，最大壓力升高率升高。負荷增加時，試驗工況D100、H30和H45的缸內平均壓力峰值和最大壓力升高率有所升高，在較高負荷時最大壓力升高率增加幅度降低。

② 正戊醇比例增加，三種燃料的滯燃期和CA50時刻增加，有效熱效率升高。在較低負荷工況時，正戊醇比例增加，滯燃期增加。負荷增加時，滯燃期和CA50時刻更早，有效熱效率有所升高。

③ 負荷增加，CO試驗結果排放減少，在較低負荷時，正戊醇-柴油的CO排放比柴油多，而在較高負荷時，正戊醇-柴油燃料的CO排放比柴油少。NOx排放結果隨著發(fā)動機負荷的增加而增加，正戊醇比例增加，NOx排放減少。HC排放隨著負荷的增加而減少，當正戊醇比例增加時，HC排放增加，Soot排放減少。在適當?shù)呢摵晒r,正戊醇-柴油燃料是一種更加清潔、有助環(huán)境保護的燃料。