鐘玉偉，魏 超，潘明章

（1.廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537000；2.廣西大學 機械工程學院，南寧 545004）

0 概述

柴油發(fā)動機以其優(yōu)異的動力性、經(jīng)濟性、可靠性及相對成熟穩(wěn)定的技術儲備被廣泛應用于許多行業(yè)［1］。然而，隨著全球溫室氣體排放、環(huán)境污染等問題的日益嚴重，柴油機必須進一步提高熱效率，減少污染物排放，以滿足更嚴苛的二氧化碳（carbon dioxide，CO2）和有害物排放法規(guī)要求［2］。隨著發(fā)動機技術的創(chuàng)新，開發(fā)可再生清潔替代燃料及探索先進的燃油噴射策略是解決這一問題的有效途徑［3］。

醇類燃料來源廣泛，可以由生物質(zhì)或可再生能源制備，并且醇類燃料具有熱值高、汽化潛熱大、蒸發(fā)溫度低及含氧等特點，一直受到內(nèi)燃機學術界和工業(yè)界的關注［4］。文獻［5］中研究了甲醇進氣道噴射的柴油甲醇二元燃料發(fā)動機在不同海拔條件下的燃燒和排放特性，結果發(fā)現(xiàn)：當甲醇替代率達到50% 時各海拔下的熱效率相比純柴油提高了0.64%～1.82%，碳煙排放降低了26.94%～74.05%。文獻［6］中以柴油、乙醇混合物為燃料，研究了車用柴油機燃用混合燃料時的顆粒排放特性，結果表明：在部分負荷時混合燃料的顆粒排放質(zhì)量分數(shù)相比于柴油降低了74.7%；此外，混合燃料顆粒物的幾何平均直徑在各個工況下均小于柴油，且隨摻醇比的增加而下降。低碳醇能夠有效降低柴油機顆粒物的排放，然而低碳醇燃料十六烷值低，與柴油的互溶性和穩(wěn)定性差，限制了其作為替代燃料在柴油機上的廣泛使用［7］。

與低碳醇相比，以正戊醇為代表的高碳醇在柴油機使用上更有優(yōu)勢，其具有甲醇、乙醇的優(yōu)點，另外由于其親水性差而能夠與柴油高比例混合，同時也更容易存儲和運輸［8］。正戊醇的低熱值和十六烷值也比甲醇和乙醇高，可以提高混合燃料的能量密度和著火性能［9］。正戊醇的低揮發(fā)性減少了摻混燃料的蒸發(fā)損失，且不容易產(chǎn)生氣阻。此外，正戊醇的毒性也比甲醇小，更加安全［10］。關于正戊醇-柴油混合燃料的摻混燃燒，文獻［11］中研究發(fā)現(xiàn)，隨著混合燃料中正戊醇比例的增加，CO2和碳煙排放減少；文獻［12］中研究發(fā)現(xiàn)，隨著正戊醇體積摻混比的增加，碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳香烴（PAH）持續(xù)降低?？梢姡齑寂c柴油燃料摻混可以替代部分柴油，是降低柴油機碳煙排放的有效途徑，有極廣的應用前景。

針對含氧燃料混合燃料，缸內(nèi)燃燒過程的優(yōu)化與控制是充分發(fā)揮其在提高熱效率和降低有效排放潛力的最有效的技術途徑。如以電控高壓共軌噴射系統(tǒng)為基礎的柴油機多次噴射策略，其能夠在一個燃燒循環(huán)中實現(xiàn)包括預噴射、主噴射和后噴射等多次燃油噴射［13］，并能實現(xiàn)對多次噴油正時和噴油量的精確控制，從而優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，在保證柴油機高熱效率前提下達到降低污染物排放的目的［14］。

柴油機多次噴油策略是一項較為成熟的技術。含氧混合燃料具有不同的理化特性，影響燃燒中間產(chǎn)物的生成、遷移和演化過程，進而最終決定污染物的生成過程。此外，不同的噴油策略也將影響缸內(nèi)當量比和溫度的變化歷程，從而對放熱規(guī)律和有害排放產(chǎn)生影響。然而，目前大部分文獻主要報道含氧混合燃料與噴油策略耦合對燃燒、性能和排放宏觀參數(shù)的影響，對其燃燒及有害排放物生成機理的研究報道不多，尤其是正戊醇與柴油混合燃料與噴油策略的耦合更鮮見報道。因此，有必要應用數(shù)值模擬方法，對其燃燒和污染物生成和演化過程機理進行深入研究，為噴射策略耦合含氧燃料的燃燒過程優(yōu)化奠定理論基礎。

本文中基于CONVERGE 軟件平臺，搭建正戊醇柴油混合燃料燃燒過程的三維數(shù)值模型，通過耦合化學反應動力學機理，結合發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)進行了仿真研究，揭示了混合燃料與不同噴射策略耦合對燃燒和有害排放的影響機制，進而提出了正戊醇柴油混合燃料實現(xiàn)高效低排放燃燒技術路線。這一研究揭示了含氧燃料耦合噴射策略的協(xié)同調(diào)控機制，可為降低柴油機的排放提供理論依據(jù)。

1 仿真模型的構建

1.1 試驗發(fā)動機

本試驗所用的柴油機為直列4 缸增壓中冷電控高壓共軌直噴式柴油機，型號為YC4Y22-15050。表1 為試驗用柴油機的基本參數(shù)。

表1 YC4Y22—15050 柴油機的基本參數(shù)

1.2 測試燃油

正戊醇的熱值比柴油低，高比例的正戊醇摻混會造成發(fā)動機燃油經(jīng)濟性下降［15］。同時，正戊醇的十六烷值為20，而純柴油為54，高比例的正戊醇摻混會降低混合燃料的自燃性能［16］。然而，文獻［17］中研究發(fā)現(xiàn)，隨著正戊醇體積摻混比從20% 增加到40%，碳煙排放持續(xù)降低。結合文獻［15-17］報道結果，本次研究中采用兩種燃料，分別是純柴油（D100）、體積摻混比40% 的正戊醇與體積摻混比60% 的純柴油的混合物（PD40）。本次試驗所用的燃料的性質(zhì)見表2。

表2 測試燃油性質(zhì)

1.3 發(fā)動機運行工況

在試驗過程中，發(fā)動機轉速為1 400 r/min，負荷（平均有效壓力）為0.6 MPa，進氣壓力為0.16 MPa，進氣溫度為（30.0±0.2）℃，噴油壓力為120 MPa，噴油正時為上止點前9°。

1.4 三維模型搭建

本文采用CONVEGE 2.4 軟件進行模擬計算，由于計算模型對稱，為提高計算效率，采用sector 計算模型按照噴油孔數(shù)（8 孔）選擇氣缸的1/8 模型。仿真模型的基礎網(wǎng)格為2.0 mm。圖1 為本研究所建立的仿真模型的網(wǎng)格圖。此外，對噴油器、氣缸、活塞進行嵌入式固定加密，并采用自適應加密技術對速度及溫度進行加密。

圖1 發(fā)動機仿真模型的網(wǎng)格圖

在模擬過程中，選擇的湍流模型是RNGk-?模型，通過O’Rouke 模型來描述連續(xù)相中湍流對油滴運動的影響。油滴蒸發(fā)使用Frossling 多組分蒸發(fā)模型來模擬。液滴的破碎機制選用KH-RT 模型來描述，KH 模型模擬因氣動阻力而失穩(wěn)的一次破碎，而RT 模型用來模擬減速不穩(wěn)定造成的二次破碎。利用Wall-film 壁面油膜撞壁模型來模擬液滴與固體表面的相互作用。缸內(nèi)燃燒模型為SAGE 詳細化學動力學模型。反應機理采用文獻［18］中構建的柴油-正戊醇簡化機理。

為了更清晰地觀察缸內(nèi)燃燒變量及中間產(chǎn)物的分布，利用Ensight 后處理軟件將模擬結果的云圖切片進行對稱處理。

1.5 模型驗證

圖2 是在單次噴射策略下缸壓和放熱率的仿真結果與試驗數(shù)據(jù)的對比圖。從圖2 可以看出，仿真的缸壓與試驗的缸壓一致性較高，而仿真的放熱率與試驗的放熱率出現(xiàn)偏差，但放熱開始時刻基本一致。圖3 是試驗與仿真的排放數(shù)據(jù)的對比，包括CO、總碳氫化合物（total hydrocarbons，THC）、NOx和碳煙。從圖3 可以看出，仿真的排放值比試驗值低，這是由仿真計算所使用的簡化機理及物理模型的誤差引起的，但仿真的有害排放變化趨勢與試驗結果一致，即正戊醇柴油混合燃料NOx排放比柴油高而CO、THC 和碳煙排放比柴油低。綜上，所建立的仿真模型能夠較準確地表征添加正戊醇對柴油機燃燒和排放的影響。

圖2 單次噴射策略下試驗與仿真的缸壓及放熱率對比

圖3 單次噴射下試驗與仿真的排放數(shù)據(jù)對比

1.6 模擬案例工況設計

為了探究正戊醇-柴油混合燃料與多次噴射策略耦合對柴油機燃燒性能和排放特性的影響。本文中研究了單次噴射、預-主噴射、主-后噴射及預-主-后噴等不同的噴射方式，本所采用的所有模擬仿真工況見表3。

表3 模擬仿真工況

2 模擬結果分析

2.1 燃燒性能分析

圖4 為純柴油與PD40 混合物在工況1 和工況2 時的缸壓和放熱率曲線。圖5 為兩種燃料在-2°曲軸轉角時缸內(nèi)的當量比、OH 自由基分布及溫度分布。從圖4 可以看出，PD40 燃料的缸壓和最高放熱率均高于純柴油。這是由于PD40 燃料的十六烷值較低，從而延長了燃燒滯燃期，燃料與空氣混合更充分，缸內(nèi)當量比分布更均勻（見圖5（a）與圖5（d）），從而改善了燃燒過程。此外，正戊醇的含氧特性能夠促進燃燒過程，增加缸內(nèi)OH濃度（見圖5（b）與圖5（e）），使缸 內(nèi)溫度升高（見圖5（c）與圖5（f）），使缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值升高。

圖4 兩種燃料在工況1 和工況2 下的缸壓及放熱率對比

圖5 兩種燃料在-2°時缸內(nèi)當量比、OH 及溫度分布圖

圖6 為不同噴油策略下燃用PD40 時缸內(nèi)壓力及放熱率曲線。圖7 為PD40 燃料在工況1～工況3下曲軸轉角為-5°時缸內(nèi)的當量比、OH 自由基質(zhì)量分數(shù)及溫度的分布。從圖6（a）可以看出，與單次噴射相比，采用預噴射策略缸內(nèi)最高燃燒壓力升高，但主噴放熱率峰值降低。這是由于本研究所采用的預噴射比例高，大量的預噴射燃油使著火時刻提前，導致缸內(nèi)最高燃燒壓力升高，而主噴射燃油量少使主噴射放熱率降低，并且預噴射燃油使放熱提前也提高了缸內(nèi)溫度（見圖7（c）、圖7（f）與圖7（i））。此外，預噴燃油釋放的熱量及自由基促進主噴燃油的自燃，使主噴燃油燃燒相位提前。

圖6 不同噴油策略下燃用PD40 時缸內(nèi)壓力及放熱率曲線

從圖6（a）中還可以看出，在較小的預噴間隔下峰值缸壓和峰值放熱率較高。這是由于在較小的預噴射間隔下缸內(nèi)形成了大量的可燃混合氣，并且OH 濃度較高（見圖7（b）、圖7（e）與圖7（h）），因此峰值缸壓和峰值放熱率較高。隨著預噴間隔的增大，油氣混合時間延長，缸內(nèi)當量比分布均勻，部分混合氣過稀反而不利于燃燒放熱，導致峰值降低（見圖7（a）、圖7（d）與圖7（g）），使得缸壓峰值和放熱率峰值有所降低。采用后噴射策略時主噴放熱率峰值和缸壓峰值降低，這主要是由兩次噴射策略下主噴燃油量減少所造成的。

圖7 PD40 燃料在-5°時缸內(nèi)當量比、OH 及溫度分布

從圖6（b）可以看出，3 次噴射策略下的最高燃燒壓力和放熱率峰值均略低于單次噴油策略。這是由于一方面預噴射使燃燒放熱提前有利于提高缸內(nèi)壓力；另一方面采用3 次噴油時主噴油燃油僅是單次噴油的50%，導致放熱最高峰值明顯低于單次噴油，從而使缸內(nèi)最高燃燒壓力降低。上述兩方面原因共同作用，使燃燒呈現(xiàn)出如前所述的變化規(guī)律。值得注意的是，采用3 次噴油放熱率呈現(xiàn)出明顯的3 個階段，這不利于提高發(fā)動機熱效率，但有利于降低最大壓力升高率和降低碳煙、NOx排放。

為了分析不同噴油策略對發(fā)動機性能的影響，圖8 展示了不同燃料在不同噴油策略下的平均指示壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）的變化?？梢钥吹?，混合燃料的IMEP 明顯比純柴油高。這是由于混合燃料的低黏度特性改善了霧化過程，低十六烷值特性會延長滯燃期，改善油氣混合過程，高含氧量特性促進燃燒反應，三者綜合作用提升了發(fā)動機性能。

圖8 不同工況下的平均指示壓力變化

另外，與單次噴射相比，預噴射策略能夠提高發(fā)動機輸出功，在小預噴間隔下IMEP 達到最大值，燃用D100 燃料的IMEP 最大值為0.512 MPa，而燃用PD40 燃料的IMEP 為0.527 MPa。但隨著預噴間隔的增大，發(fā)動機IMEP 降低。這是由于預噴射策略能夠促進主噴燃燒過程，但較大的預噴間隔下油氣混合時間過長，預噴混合氣過稀，導致發(fā)動機整體性能下降。從圖8 中還可以看出，后噴策略降低了發(fā)動機的IMEP，并且IMEP 隨著后噴間隔的增大而持續(xù)下降。這是由于在后噴策略下主噴燃料的減少降低了缸內(nèi)壓力（見圖6（a）），從而導致發(fā)動機性能下降。此外，增大主后噴間隔導致后燃嚴重，降低了發(fā)動機輸出性能。而對于3 次噴射策略，則呈現(xiàn)出預噴策略與后噴策略的綜合效果。

2.2 排放特性分析

CO 是燃燒的中間產(chǎn)物，燃燒溫度和當量比對CO 排放有重要影響［19］。而THC 是不完全燃燒的產(chǎn)物，混合物過濃（或過稀）和低溫會增加THC 排放量［20］。

圖9 展示了所有模擬工況下的CO 及THC 排放。圖10 展示了PD40 燃料在工況1～工況3 下曲軸轉角為30°時的缸內(nèi)CO 和THC 的分布情況。從圖9 可以看出，正戊醇的加入能夠顯著降低CO 及THC 排放。這是由于正戊醇的含氧特性能夠提高缸內(nèi)的OH 自由基含量（見圖5（b）與圖5（e）），從而通過CO+OH→CO2+H 反應增強氧化過程［21］。此外，正戊醇的低黏度特性能夠改善霧化過程，低十六烷值特性能夠改善混合過程，提高燃燒溫度，促進燃料的氧化，降低THC 排放。

圖9 不同工況下的CO、THC 排放

圖10 PD40 燃料在30°時的CO、THC 分布

與單次噴射相比，預噴射策略增大了CO 及THC 的排放，并且隨著預噴間隔的增大，排放明顯惡化。這是由于在預噴射策略下油氣的混合時間更長，使得更多的燃料擴散到氣缸壁附近，這部分燃料形成了THC 及CO 排放，這可以從圖10 得到驗證。從圖10 可以看出，與單次噴射相比，預噴策略下的缸內(nèi)縫隙內(nèi)生成了大量了CO 及THC，且生成量隨著預噴間隔的增大而持續(xù)增加，且這部分THC 及CO 很難被氧化。

在后噴射策略下，CO 及THC 排放與單次噴射基本相同，這主要是由于后噴燃燒對CO 的氧化及后噴燃料濕壁造成未燃CO 和THC 的增多的綜合競爭作用造成的。此外，綜合所有工況可以發(fā)現(xiàn)，采用主-后兩次噴射策略時，能夠在THC 排放微小增幅下降低CO 排放。與單次噴射相比，D100 燃料的CO 排放在小后噴間隔下降低了5.51%，PD40 的則降低了5.83%。

NOx生成的條件是高溫、富氧及高溫持續(xù)時間［22］。圖11 展示了所有模擬工況下的NOx排放及缸內(nèi)峰值溫度的變化。圖12 展示了曲軸轉角為10°時，發(fā)動機燃用兩種燃料的缸內(nèi)OH 自由基質(zhì)量分數(shù)、溫度及NOx質(zhì)量分數(shù)的變化云圖。從圖11 可以看出，混合燃料的NOx排放顯著高于純柴油。這是由于在柴油中加入正戊醇會增大OH 濃度（見圖12（a）與圖12（d）），從而通過N+OH→NO+H反應促進NO 生成。并且，正戊醇的低黏度特性改善了霧化過程，而低十六烷值特性會延長滯燃期，改善油氣混合過程，提高了預混合燃燒比例，使缸內(nèi)燃燒溫度升高（見圖12（b）與圖12（e）），導致NOx生成量增加（見圖12（c）與圖12（f））。

圖11 不同工況下的NOx排放及缸內(nèi)峰值溫度變化

圖12 兩種燃料在10°時的OH、溫度及NOx分布云圖

與單次噴射相比，小預噴間隔會造成NOx排放大幅升高，但隨著預噴間隔的增加，NOx排放降低。這是由于在小預噴間隔下，預噴燃油有利于促進主噴燃油的著火，從而提高了缸內(nèi)溫度峰值，導致NOx排放升高；而隨著預噴間隔的增大，油氣混合時間延長，缸內(nèi)當量比分布均勻，部分混合氣過稀反而不利于燃燒放熱，導致缸內(nèi)溫度峰值降低，從而使得NOx排放有所降低。

此外，后噴策略的使用能夠顯著降低NOx的排放。這主要是由于將一次噴油分成主-后兩次噴射時降低了缸內(nèi)的峰值溫度（見圖11），從而降低了NOx排放。

另外，從圖11 中可以獲知，在所有工況下，僅采用大后噴間隔策略能夠獲得最小的NOx排放。與單次噴射相比，僅采用大后噴間隔策略下D100 燃料的NOx排放降低了50.9%，PD40 燃料的NOx排放降低了48.4%。

圖13 展示了所有模擬工況下的碳煙排放。圖14 展示了PD40 燃料在不同預噴間隔下，曲軸轉角為-6°時的噴霧、O2質(zhì)量分數(shù)及溫度場的變化云圖。圖15 展示了PD40 燃料在不同后噴間隔下的碳煙前驅(qū)物A4的變化。從圖13 可以看出，正戊醇的加入能夠顯著降低碳煙排放。這是由于正戊醇的十六烷值較低，使得PD40 燃料在著火前有比純柴油更長的混合時間，缸內(nèi)混合氣更加均勻，抑制了碳煙前驅(qū)物的生成。此外，正戊醇結構中的OH 能夠通過C（S）+OH→CO+H 的反應促進碳煙的氧化［23］。

圖13 不同工況下的碳煙排放變化

圖14 不同預噴間隔下-6°時PD40燃料的噴霧、O2及溫度場

與單次噴射相比，在小預噴間隔下，碳煙排放較高。這是由于預噴燃油燃燒需要消耗缸內(nèi)的氧氣，而在小預噴間隔下主噴射燃油油束進入大量缺氧區(qū)域（見圖14（a）與圖14（c））。并且，小預噴間隔對于提升缸內(nèi)溫度的作用更顯著（見圖14（b）與圖14（d）），因此當預噴間隔較小時，主噴燃油進入高溫缺氧區(qū)域，造成碳煙排放增加。而在大預噴間隔下，由于油氣擁有更長的預混時間，有利于降低碳煙排放。

在較小的后噴間隔下，碳煙排放減少。這是由于兩次噴射策略能夠減小主噴燃油量，從而降低了主噴產(chǎn)生的碳煙前驅(qū)物A4含量（見圖15（a）、圖15（d）與圖15（g））。并且，后噴策略能夠增強對主噴及后噴燃燒產(chǎn)生的碳煙及其前驅(qū)物的氧化，從而降低了碳煙排放（見圖15（b）、圖15（e）與圖15（h））。然而，當后噴與主預噴間隔較大時，由于后噴時缸內(nèi)湍流強度低，一方面不利于后噴燃油與空氣的混合，使后噴燃油生成的碳煙量增多；另一方面也不利于前期燃燒生成的碳煙卷吸進入后噴燃燒區(qū)，導致前期大量碳煙及其前驅(qū)物無法被氧化（見圖15（c）、圖15（f）與圖15（i）），從而增加了碳煙排放。

圖15 PD40 燃料在不同后噴間隔下的碳煙前驅(qū)物A4分布

綜合所有工況可以看出，在3 次噴射策略下，尤其選擇大預噴間隔小后噴間隔時，碳煙排放最低。與單次噴射相比，在最優(yōu)化的3 次噴射策略工況下D100 燃料的碳煙排放降低了3.44%，PD40 燃料的碳煙排放降低了19.42%。

3 結論

（1）大比例預噴射策略能加速內(nèi)燃機主噴燃燒過程，提高缸壓峰值。隨著預噴間隔增大，缸壓峰值降低。后噴射策略降低了缸壓峰值及主噴放熱率峰值。

（2）柴油中添加正戊醇能夠顯著提高發(fā)動機IMEP；與單次噴射相比，預噴射策略使IMEP 提高，但隨著預噴間隔的增加，IMEP 有所下降；后噴策略降低了IMEP，并且隨著后噴間隔的增大，IMEP 持續(xù)降低。使用小預噴間隔策略時，發(fā)動機IMEP 達到最大，其中D100 最大IMEP 為0.521 MPa，PD40的為0.527 MPa。

（3）添加正戊醇使CO 及THC 排放降低。預噴射策略導致CO 及THC 的排放增加，且隨著預噴間隔的增大，排放增加更加顯著。采用主-后兩次噴射策略時，THC 排放略有增加，CO 排放顯著減少。

（4）摻混正戊醇使NOx排放升高，預噴策略使NOx排放升高，后噴策略可降低NOx排放。在大后噴間隔下NOx排放最低，與單次噴射相比，D100 燃料NOx排放降低了50.9%，PD40 的降低了48.4%。

（5）正戊醇摻混降低了碳煙排放。小預噴間隔下碳煙排放升高；大預噴間隔下碳煙排放顯著降低。小后噴間隔策略可降低碳煙排放，而大后噴間隔下碳煙排放增大。采用大預噴間隔小后噴間隔的3 次噴油策略時，碳煙排放最低。與單次噴射相比，D100 的碳煙排放降低了3.44%，PD40 的碳煙排放降低了19.42%。