宋亞楠

(泉州師范學(xué)院 航海學(xué)院，福建 泉州 362000)

能源危機(jī)、環(huán)境污染等多方面的問(wèn)題，使得開(kāi)發(fā)利用新型代用燃料的任務(wù)變得十分緊迫.丁醇燃料來(lái)源廣泛，可再生，有較好的燃料特性，被認(rèn)為是最理想的替代燃料[1-3].但丁醇生產(chǎn)過(guò)程中高分離成本和低生產(chǎn)效率，限制了丁醇的實(shí)際推廣應(yīng)用.丙酮、丁醇和乙醇混合物(acetone,n-butanol and ethanol mixture, ABE)是丁醇的中間發(fā)酵產(chǎn)物，三者體積比約為3∶6∶1[4].直接使用ABE作為替代燃料，既可以利用丁醇的眾多優(yōu)點(diǎn)，又可以避免生產(chǎn)丁醇的生產(chǎn)成本和額外的能源消耗.但丙酮對(duì)橡膠發(fā)動(dòng)機(jī)部件具有腐蝕性，并且丙酮的低閃點(diǎn)低沸點(diǎn)使其難以存儲(chǔ)和運(yùn)輸. 利用一些基因編輯的細(xì)菌菌株能夠?qū)⒈D(zhuǎn)化為異丙醇[4]，異丙醇比丙酮具有更有利的物理化學(xué)性質(zhì)，近年來(lái)研究人員對(duì)異丙醇、丁醇和乙醇(isopropanol, butanol and ethanol，IBE)組成的新型生物燃料開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究[5-11].文[6]通過(guò)對(duì)ABE和IBE進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)IBE具有更好的燃燒和排放性能；文[10]發(fā)現(xiàn)將高比例的IBE混合到柴油中時(shí)，可以降低敲缸強(qiáng)度，可以減少煙塵排放，但會(huì)增加NOx排放；文[11]通過(guò)將IBE與柴油共混后在柴油機(jī)上的燃燒，表明IBE的加入可以減低碳煙排放.

以往研究均采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方式進(jìn)行，受限于試驗(yàn)資源，尚缺乏對(duì)一系列不同配比的IBE燃料進(jìn)行比較，且目前鮮有人對(duì)船用柴油機(jī)開(kāi)展相關(guān)研究.本文基于數(shù)值模擬，以某船用柴油機(jī)為研究對(duì)象，研究不同IBE摻混比例對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒特性、碳煙和NOx生成的影響.

1 計(jì)算模型搭建與驗(yàn)證

采用三維仿真軟件CONVERGE開(kāi)展計(jì)算，以某船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)柴油機(jī)的說(shuō)明書(shū)和尺寸測(cè)量結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行幾何模型建立和網(wǎng)格劃分，柴油機(jī)基本參數(shù)如表1 所示.并以4 mm劃分基礎(chǔ)網(wǎng)格，對(duì)噴油器附近和噴射路徑區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.依據(jù)試驗(yàn)柴油機(jī)的幾何尺寸，做出燃燒室的二維幾何模型圖，并將其導(dǎo)入到CONVERGE軟件中，生成三維體網(wǎng)格.原機(jī)燃燒室對(duì)稱，噴油器位于燃燒室中央，噴孔數(shù)為 8.為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取燃燒室的1/8為仿真計(jì)算的區(qū)域，燃燒室網(wǎng)格模型如圖1所示.

為了縮短計(jì)算時(shí)間，選擇從有效壓縮沖程開(kāi)始(進(jìn)氣門關(guān)閉)到有效膨脹沖程結(jié)束(排氣門開(kāi)啟)為計(jì)算時(shí)間域，計(jì)算始點(diǎn)上止點(diǎn)前136°(-136°)，終點(diǎn)為上止點(diǎn)后121°(121°).模擬過(guò)程采用文[12]的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，共包含151個(gè)組分和755步化學(xué)反應(yīng)，計(jì)算過(guò)程采用KH-RT破碎模型、RNG κ-ε雙方程湍流流動(dòng)模型、SAGE燃燒模型、O Rourkecollision碰壁模型、Frossliing Model油滴蒸發(fā)模型.

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of diesel engine

圖1 1/8燃燒室網(wǎng)格模型 圖2 缸壓曲線實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比 Fig.1 Combustor mesh Fig.2 Comparison of actual measured value and simulated value of cylinder pressure

在全負(fù)荷工況下，將純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果與原機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合度(圖2)，誤差在5%以內(nèi)，表示所搭建的燃燒系統(tǒng)模型能夠在一定范圍內(nèi)反應(yīng)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程.在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化工作，能夠?qū)?shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)較高的參考價(jià)值.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 柴油機(jī)的燃燒特性

為了研究不同混合比例對(duì)柴油燃燒特性的影響，選取純柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30共4種混合比例進(jìn)行研究.IBE10、IBE20、IBE30分別為在柴油中加入體積比10%、20%、30%的IBE.

2.1.1 缸壓及放熱率 圖3和4分別顯示了不同混合比例下的燃料在燃燒過(guò)程中缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率分布情況.純柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30發(fā)火時(shí)間分別為-7、-5、-3、-1°CA(圖3)，即隨著IBE混合比例的增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間相應(yīng)增加.這是由于IBE中異丙醇、丁醇、乙醇的自燃溫度均高于柴油，隨著IBE混合比例的增加，混合燃料的十六烷值降低，自燃溫度升高，點(diǎn)火延遲時(shí)間增加.純柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30缸內(nèi)最高燃燒壓力分別為9.61、9.68、9.8、9.9 MPa,即隨著摻混比例增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力相應(yīng)升高.由于IBE混合比例的增加使滯燃期增長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量增加，再加上IBE本身含氧，從而使燃料燃燒更充分，燃燒初期放熱率增大，缸內(nèi)壓力也隨之升高.

2.1.2 缸內(nèi)溫度 圖5和6分別顯示了不同摻混比例下的燃料在燃燒過(guò)程中放熱量和缸內(nèi)溫度分布情況.上止點(diǎn)前，純柴油缸內(nèi)溫度高于混合燃料，上止點(diǎn)附近混合燃料缸內(nèi)溫度反超柴油，混合比例越大，缸內(nèi)溫度越高.20°CA后，純柴油缸溫再次超過(guò)混合燃料.這是由于上止點(diǎn)前，純柴油放熱早于混合燃料，因此缸溫也高，上止點(diǎn)后，4種燃料均開(kāi)始放熱，混合燃料因?yàn)榉艧崧矢撸虼烁诇氐玫窖杆偬嵘?20°CA后，由于IBE中異丙醇、丁醇、乙醇的低熱值均低于柴油，燃料總熱值隨混合比例的增加而減小，放熱速率低于柴油，從而導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度隨著混合比例增加呈降低趨勢(shì).

圖5 不同混合比例的放熱量分布情況 圖6 不同混合比例的缸內(nèi)溫度分布情況Fig.5 Distribution of heat release in Fig.6 Temperature distribution in the different mixing ratios cylinder with different mixing ratios

2.2 柴油機(jī)的排放特性

2.2.1 Soot排放 圖7-8為不同混合比例下Soot排放變化規(guī)律.從圖7可以看出，在燃燒初期生成了大量的 Soot，隨后迅速被氧化.隨著IBE混合比例的增加，Soot排放量明顯減少，IBE10、IBE20、IBE30三種燃料Soot排放分別降低了7.4%、19.5%、42.3%.這是由于IBE中異丙醇、丁醇、乙醇均為含氧燃料，可以使燃料燃燒更充分.

2.2.2 NOx排放 在柴油機(jī)燃燒過(guò)程中氧濃度、反應(yīng)時(shí)間和溫度是生成NOx的3個(gè)重要因素.從圖9-10可以看出，隨著IBE混合比例的增加，NOx排放量呈減小趨勢(shì).這是由于IBE中異丙醇、丁醇、乙醇均為含氧燃料，使燃料燃燒更充分，NOx生成速率快于柴油；另一方面，在燃燒后期，由于缸內(nèi)燃燒溫度較低，NOx生成速率低于柴油，兩者的共同作用使NOx排放量隨著IBE混合比例的增加呈減小趨勢(shì).

2.2.3 CO排放 圖11-12為不同混合比例下CO排放變化規(guī)律.從圖11可以看出，在曲軸轉(zhuǎn)角5°CA以前，生成了大量的CO，且隨著IBE混合比例的增加，CO生成越快.這是由于IBE混合比例越大，滯燃期越長(zhǎng)，著火后燃燒越迅速，生成大量CO，但CO沒(méi)有足夠的時(shí)間合成CO2.在曲軸轉(zhuǎn)角5°～20°CA區(qū)間，燃燒速率顯著下降，IBE作為含氧燃料使燃料燃燒更充分，所以隨著IBE混合比例的增加，CO排放量呈降低趨勢(shì);20°CA以后，CO的氧化速率超過(guò)生成速率，CO開(kāi)始減少.IBE10、IBE20、IBE30三種燃料CO排放分別降低了19.9%、25.9%、62.0%.

圖7 不同混合比例下的Soot排放分布圖 圖8 不同混合比例下的Soot排放情況Fig.7 Distribution of Soot emissions Fig.8 Soot emissions under different under different mixing ratios mixing ratios

圖9 不同混合比例下的NOx排放情況分布圖 圖10 不同混合比例下的NOx排放情況Fig.9 Distribution of NOx emissions Fig.10 NOx emissions under different under different mixing ratios mixing ratios

圖11 不同混合比例下的CO排放分布圖 圖12 不同混合比例下的CO排放情況Fig.11 Distribution of CO emissions Fig.12 CO emissions under different under different mixing ratios mixing ratios

3 結(jié)論

(1)隨著IBE混合比例的增加，滯燃期增長(zhǎng)，純柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30發(fā)火時(shí)間分別為-7、-5、-3、-1 °CA；最高燃燒壓力升高，純柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30缸內(nèi)最高燃燒壓力分別為9.61、9.68、9.8、9.9 MPa；缸內(nèi)燃燒溫度降低.(2)Soot排放顯著減低，Soot排放量明顯減少，IBE10、IBE20、IBE30三種燃料Soot排放分別降低了7.4%、19.5%、42.3%；NOx排放有所下降；IBE10、IBE20、IBE30三種燃料CO排放分別降低了19.9%、25.9%、62.0%.