不同噴油策略對燃生物柴油船用柴油機燃燒和排放的影響

于世永，李曉飛(. 南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機工程系，江蘇 南通 600；. 集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，福建 廈門 360)

0 引 言

在全球范圍內(nèi)，二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等作為主要污染物對空氣造成了嚴(yán)重的污染[1]。以我國為例，2017年全國內(nèi)燃機車的排放量達(dá)到了4 548萬噸，其中顆粒物為57萬噸，氮氧化物為628萬噸，碳?xì)錇?28萬噸。在所有的排放當(dāng)中，柴油機的排放占了很大比例，其中氮氧化物占了近70%。盡管眾多學(xué)者在提高柴油機工作效率和降低柴油機排放方面開展了很多研究，但對柴油機的改善還存在一定的不足，不能滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)[2]。近年來，選取合適的替代燃料解決大氣污染和石化燃料短缺的問題為我們提供了一種解決問題的新思路。由于生物柴油可再生、無毒、可降解、可持續(xù)等優(yōu)點，被越來越多的專家認(rèn)為是替代傳統(tǒng)柴油最理想的燃料之一[3]。

生物柴油可以作為燃料只需要對柴油機進(jìn)行小的改造或者直接就可以在柴油機缸內(nèi)進(jìn)行燃燒[4]。Zhang等[5]研究了不同組分生物柴油對柴油機排放特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)生物柴油可以很大程度地減少碳?xì)洹O和顆粒物的排放，但NOx的排放略有增加。實驗法是研究生物柴油的主要方法之一，但是會花費很多的時間和精力。而模擬仿真法不僅可以節(jié)省時間，而且可以很大程度節(jié)省實驗成本，因此，模擬仿真法越來越得到了人們的認(rèn)可。在計算過程中，3DCFD法不僅可以得到燃燒室內(nèi)流場、壓力、組分、溫度和湍流變化的情況，而且比熱力學(xué)模型更接近柴油機缸內(nèi)燃燒的實際過程。然而，CFD仿真模型的精度更依賴于計算代碼中的子模型。

在早期生物柴油化學(xué)燃燒方面，F(xiàn)isher等[6]把丁酸甲酯作為生物柴油替代物，但是由于其碳鏈長度遠(yuǎn)小于典型16-18的生物柴油甲酯，導(dǎo)致其化學(xué)動力特性難以實現(xiàn)。Brakora等[7]開發(fā)了一個簡化的包含丁酸甲酯和正庚烷的化學(xué)反應(yīng)機理，并模擬了柴油機缸內(nèi)燃燒情況。其研究結(jié)果表明，仿真的缸壓曲線和放熱曲線與實驗結(jié)果吻合較好，但是對低負(fù)荷柴油機的NOx的預(yù)測還有待改進(jìn)。Ng等[8]在考慮生物柴油飽和度的前提下建立了生物柴油多組分化學(xué)反應(yīng)機理。其研究發(fā)現(xiàn)，生物柴油的不飽和度越高燃燒時產(chǎn)生的碳煙就越多。Luo等[3]建立了一種由癸酸甲酯、癸酸甲酯和正庚烷組成包含115種物質(zhì)和460個化學(xué)反應(yīng)的三組分生物柴油化學(xué)反應(yīng)機制。研究發(fā)現(xiàn)該機理可以準(zhǔn)確預(yù)測不同環(huán)境條件下柴油機的著火延時、火焰長度和當(dāng)量比。

綜上所述，由于生物柴油熱物理性質(zhì)的不同，它的噴射、霧化和蒸發(fā)特性也不同于柴油。本文主要目的是通過建立的仿真模型詳細(xì)分析生物柴油的特性和其在柴油機缸內(nèi)燃燒過程，研究噴油策略對柴油機燃燒和排放特性的影響。

1 仿真模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

1）燃燒、排放和傳熱模型

由于生物柴油是由多種碳?xì)浠衔锝M成的，而各種碳?xì)浠衔镆蚋髯缘姆肿咏Y(jié)構(gòu)不同而具有不同的物理、化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。每一種碳?xì)浠衔锶紵€會產(chǎn)生許多的中間產(chǎn)物，而且都會對柴油機的燃燒和排放特性產(chǎn)生影響。因此，生物柴油在柴油機缸內(nèi)燃燒是一個非常復(fù)雜的過程。為了提高仿真模型的預(yù)測精度，本文采用ChemkinⅡ代碼與三維AVL-Fire相耦合的方法進(jìn)行計算，采用威斯康星麥迪遜大學(xué)開發(fā)的生物柴油的機理仿真柴油機中生物柴油的燃燒過程。該機理主要考慮了生物柴油飽和度的69種產(chǎn)物和204種化學(xué)反應(yīng)。同時，在計算的過程中采用多組分燃燒模型，在化學(xué)的動力學(xué)預(yù)測過程中考慮化學(xué)物種的形成和破裂，并采用Zeldovich機理對氮氧化物的生成進(jìn)行預(yù)測。

在傳熱的計算過程中，本文選用修正的Han and Reitz模型進(jìn)行計算。該模型可以充分考慮湍流普朗特數(shù)和氣體組分密度的變化情況。詳細(xì)的傳熱公式可以從文獻(xiàn)[9]得到。其壁面熱通量的預(yù)測可以利用下面的公式計算得到：

式中：ρ為燃油液滴密度；u*為摩擦速度；cp為燃油液滴比熱；τw為壁面應(yīng)力；y+無量綱壁距離；其中G（G=Qc）為能源源相。

為了減少計算量，節(jié)省計算時間，忽略近壁計算單元源相的放熱量，式（1）可以簡化為：

2）臨界參數(shù)

采用Ambrose的方法對臨界壓力和臨界溫度進(jìn)行預(yù)測，其表達(dá)式如下：

式中：Δp和ΔT分別通過各原子或分子間的相互貢獻(xiàn)來計算得到，具體可以根據(jù)文獻(xiàn)[10]得到；M為摩爾分子量；Tb為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下工質(zhì)沸騰溫度。

采用Jobac法計算臨界壓力[11]，其表達(dá)式如下：

式中，ΔV通過各原子或分子間相互貢獻(xiàn)計算得到，詳細(xì)如文獻(xiàn)[11]所示。

3）蒸汽壓

采用Lee-Kesler法計算工質(zhì)的蒸氣壓，其公式如下：

式中，w為變心因子。

4）液相密度

液相密度的計算公式如下：

式中：Tr-R和VS-R分別為相對溫度TR時減小的溫度和壓力；ZRA可以從文獻(xiàn)[11]中得到。

液相密度可以通過下面的公式得到：

式中，ρR為實測密度值。

5）汽化潛熱

工質(zhì)的汽化潛熱計算公式如下：

式中，R為理想氣體常數(shù)。

6）液相粘度

液相粘度ηL的計算公式如下[11]：

式中：ρ20為20 ℃度時液體密度；A和B為計算常數(shù)，可以從文獻(xiàn)[8]中得到。

7）液相導(dǎo)熱系數(shù)

穩(wěn)態(tài)時，液相導(dǎo)熱系數(shù)可以由下面公式計算得到：

式中：Tb為工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點溫度；A*，α，β和γ為計算常數(shù)；λL為液相導(dǎo)熱系數(shù)。

8）氣體擴散系數(shù)

氣體擴散系數(shù)為一個反映氣體擴散強弱的物理量，即氣體單位時間通過單位橫截面積的多少?？梢愿鶕?jù)下面的公式計算得到：

式中：DA為氣體擴散系數(shù)；常數(shù)A，B和C可以從文獻(xiàn)[151]中得到。

9）表面張力

表面張力σ是液體任意兩相鄰間垂直于它們表面的單位長度分界線間互相作用的拉力，張力的大小與液體表面薄層中分子特殊受力狀態(tài)密切相關(guān)。表面張力可以通過下面的公式計算得到：

式中：σ為表面張力；αc為里德爾數(shù)。

1.2 AVL-Fire仿真模型

與熱力學(xué)模型相比，三維CFD仿真模型可以考慮湍流流動對流體流動的影響。然而，在三維CFD模擬中需要充分考慮計算精度和計算時間的折中。比如，如果化學(xué)反應(yīng)機理太詳細(xì)，就會增加模擬時間；如果機理太簡單，則計算精度不夠。目前，KIVA，AVLFire等軟件廣泛被用于多維度的CFD模擬計算。因此，本文選取AVL-Fire仿真軟件進(jìn)行模擬。考慮到柴油機噴孔數(shù)為8個，為了節(jié)省計算時間，根據(jù)柴油機燃燒室對稱的原理，選取1/8個燃燒室作為研究的對象，其上止點時燃燒室的網(wǎng)格如圖1所示。同時，為了保證燃油液滴破碎、蒸發(fā)和燃燒的精確性，對噴油器附近和噴射路徑區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

圖1 上止點時45°燃燒室網(wǎng)格Fig. 1 The 45° sector grid shown at TDC

1.3 仿真模型實驗驗證

選用1臺船用船四沖程直噴式中速單體泵電控柴油機作為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。采用燃燒分析儀對柴油機的燃燒進(jìn)行分析，采用FCMM-2燃油耗測量儀計算燃油消耗量。分析儀采樣頻率為500 ms，精度為±1%，不同的溫度、流量、壓力分別采用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測量。柴油機的實驗簡圖如圖2所示。采用燃燒分析儀對柴油機的燃燒進(jìn)行分析，采用FCMM-2燃油耗測量儀計算燃油消耗量。分析儀采樣頻率為500 ms，精度為±1%，不同的溫度、流量、壓力分別采用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測量。柴油機的實驗簡圖如圖2所示。

表1 柴油機主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of diesel engine

圖2 柴油機實驗裝置簡圖Fig. 2 Schematics of experimental device

為了考慮模型應(yīng)用的廣泛性，選取2個工況對該模型進(jìn)行試驗驗證。工況1轉(zhuǎn)速為799 r/min，負(fù)荷為50%負(fù)荷；工況2轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，負(fù)荷為75%負(fù)荷。在實驗的測試過程中，為了確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，等柴油運行20min后再進(jìn)行測量，每個工況點測量3次，并取其平均值。

由于AVL-Fire中缺少相關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)，不能很準(zhǔn)確地反映燃料的性能。因此，本文采用ChemkinⅡ代碼與三維AVL-Fire相耦合的方法進(jìn)行計算。該機理主要考慮了生物柴油飽和度的69種產(chǎn)物和204種化學(xué)反應(yīng)。2種工況下柴油機缸壓曲線和放熱率變化情況如圖3所示。

圖3 仿真和實驗結(jié)果對比Fig. 3 Comparisons of simulation and experiment results

由圖3可知，與實驗結(jié)果相比，仿真的缸壓曲線稍高一點，但最大誤差都在7%以內(nèi)。該機理采用多組分燃料的燃燒模型，從多組分的角度對飽和脂肪酸甲酯和不飽和脂肪酸甲酯進(jìn)行了化學(xué)預(yù)測，因而可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測缸內(nèi)生物柴油的蒸發(fā)和氧化過程。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 柴油機燃燒特性

燃油的噴油測量是影響柴油機動力特性和排放特性的重要因素之一。為了研究不同噴油策略對柴油機性能的影響。在以上2種工況下選取了3種不同噴油策略進(jìn)行研究。具體的噴油速率和曲軸轉(zhuǎn)角如圖4所示。假定三次燃油噴射總量相等，其中單次噴射的開始時間為上止點前7°；雙次噴射和三次噴射的開始時間為上止點前11°。

圖4 柴油機燃油噴射方案Fig. 4 Injection profile and injected mass percentages

1）缸壓

2種工況下，3種噴油速率仿真的缸壓變化如圖5所示。從圖5（a）可以看出，在柴油機低負(fù)荷下，柴油機的缸壓出現(xiàn)了2個波峰。雖然缸內(nèi)燃燒在上止點前就開始了，但是燃燒釋放的熱量不足以克服由于膨脹減小的壓力，即在上止點后，產(chǎn)生了第1個波峰。然而，當(dāng)劇烈燃燒時，更多釋放的熱量導(dǎo)致了第2個波峰的出現(xiàn)。因此，可以發(fā)現(xiàn)燃油噴射量和噴油持續(xù)時間是非常關(guān)鍵的2個因素，如果不能精確地控制兩者，還可能會導(dǎo)致發(fā)火失敗。從圖5（b）可以看出，在高負(fù)荷時，柴油機的缸壓曲線并沒有出現(xiàn)2個波峰，而是在上止點10°后出現(xiàn)了一個波峰。這主要是由于高負(fù)荷時噴入了較多的燃料，缸內(nèi)初期燃燒時釋放了較多能量。

同時還可以發(fā)現(xiàn)，在2種工況下兩次和三次燃油噴油策略在一定程度上都增加了柴油機的氣缸壓力峰值，其中兩次噴射策略的氣缸壓力峰值最大。這主要是因為在缸內(nèi)燃燒初期兩次和三次噴射有著更多的預(yù)混合燃料，柴油機的缸內(nèi)燃燒在一定程度上得到了改善。

2）放熱率

2種工況下，3種噴油速率仿真的放熱率如圖6所示?？梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)，低轉(zhuǎn)速時柴油機的燃燒時刻明顯比高轉(zhuǎn)速的燃燒時刻更早。這主要是由于轉(zhuǎn)速較低時燃油和空氣的預(yù)混合時間和點火延時變長導(dǎo)致。

圖5 不同工況柴油機缸壓變化情況Fig. 5 Cylinder pressure under different conditions

圖6 不同工況柴油機放熱率變化情況Fig. 6 Heat release rate under different conditions

同時，從放熱率也可以明看出，兩次燃油噴射在燃燒初期放出的熱量最多，其次為三次燃油噴射。即兩次噴射和三次噴射提供了更多的預(yù)混燃料和空氣混合，從而改善了預(yù)混燃燒階段的燃燒。與單次噴射相比，在燃燒開始后兩次噴射和三次噴射的放熱速率值更大。然而，單次噴射具有最大的放熱速率峰值，其中工況2更為明顯，該值遠(yuǎn)大于兩次和三次噴射的放熱率峰值。在低速時，柴油機為燃料和空氣的混合提供了充分的時間。因此，低速時柴油機的著火延時明顯早于高速時的著火延時。

3）缸內(nèi)溫度

2種工況下，3種噴油速率仿真的缸內(nèi)溫度如圖7所示。從圖7（a）可以清楚地發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速時單次噴射的缸內(nèi)溫度明顯低于兩次和三次噴射的溫度。這主要是由于兩次噴射和三次噴射的燃燒時刻早于一次噴射的燃燒，且從圖6可得其燃燒明顯早于一次噴射。從圖7（b）可以看出，高速時，三次噴射的缸內(nèi)溫度最高，其次為兩次噴射和三次噴射。這主要是兩次和三次噴射的時刻在上止點11°，而一次噴射在上止點9°，其燃燒早于單次噴射。

圖7 不同工況柴油機缸內(nèi)溫度變化情況Fig. 7 Cylinder temperature under different conditions

2.2 柴油機排放特性

1）CO排放

CO的生成主要受到混合氣體和缸內(nèi)燃燒溫度的影響。2種工況下，3種噴油速率仿真計算的CO排放如圖8所示。

從圖8可以看出，在燃燒初期生成了大量的CO，隨后迅速被氧化，低轉(zhuǎn)速時柴油機生成的CO明顯高于高轉(zhuǎn)速生成的CO。這主要是燃燒初期缸內(nèi)溫度比較低和燃油較多所致。隨著缸內(nèi)溫度的增加，CO不斷被進(jìn)一步氧化為CO2。同時，在低轉(zhuǎn)速時雖然缸內(nèi)燃油和空氣混合更好，但是由于較低的柴油機缸內(nèi)燃燒溫度不利于CO的氧化為CO2。因此，CO的排放受溫度的影響非常明顯。因為高的缸內(nèi)溫度，三次噴射和兩次噴射的氧化速率明顯高于單次噴射的氧化速率。在2種工況下，燃燒開始后單次噴射的放熱率最大，單次噴射的CO排放量低于兩次和三次噴射的CO排放。

圖8 不同工況柴油機CO排放情況Fig. 8 CO emission under different conditions

2）NOx排放

在柴油機燃燒過程中氧濃度、反應(yīng)時間和溫度是生成NOx的3個重要因素。其中任意一個因素發(fā)生變化都會影響其生成。在2種工況下，3種噴油速率仿真計算的NOx排放如圖9所示。

從圖9可看出，NOx的生成主要在曲軸轉(zhuǎn)角的0°～40°；在低轉(zhuǎn)速時三次噴射產(chǎn)生的NOx最多，其次為一次噴射和二次噴射；在高轉(zhuǎn)速時二次噴射產(chǎn)生的NOx最多，其次為三次噴射和一次噴射。這主要是由于相對于二次噴射三次噴射策略在前期噴射的燃油較少，燃燒前期空燃比較大有利于NOx的生成；而相對于一次噴射，三次噴射的著火延時較短，高的缸內(nèi)溫度促進(jìn)了NOx的生成。因此，低轉(zhuǎn)速時三次噴射產(chǎn)生的NOx最多。在高轉(zhuǎn)速時，柴油機減小了著火延時的時間，缸內(nèi)燃燒溫度成為影響NOx生成的主要原因，即二次噴射生成的NOx最多，其次為三次噴射和一次噴射。

3 結(jié) 語

圖9 不同工況柴油機NOx排放情況Fig. 9 NOx emission under different conditions

減少柴油機對石化燃料的依賴，開發(fā)利用新的能源來取而代之具有非常重要的戰(zhàn)略意義。因此，生物柴油成為研究的焦點。為了精確預(yù)測不同噴油策略對燃燒生物柴油柴油機排放特性和動力特性的影響，本文采用ChemkinⅡ代碼與三維AVL-Fire相耦合的方法研究了2種工況下3種不同噴油策略對柴油機性能影響，得到的結(jié)果如下：在柴油機低速運行時，由于燃料和空氣混合的時間較長柴油機預(yù)混燃燒階段較劇烈；2種工況下兩次和三次噴射在一定程度增加了柴油機CO和NOx的排放；柴油機轉(zhuǎn)速較低時，兩次和三次噴射增加了柴油機缸壓、放熱率和功率的輸出，在高轉(zhuǎn)速時噴射策略對柴油機的影響較小。