柴油机燃用生物柴油低温燃烧性能的仿真研究

陈彦君，周斌，何俊杰，王连富

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

近年来，世界石化燃料储量日益枯竭，人类对有害污染物的排放管制越来越严格，发动机可再生替代燃料和低排放燃烧策略因而引发广泛关注。从植物油、废动物脂肪和废餐馆油脂(黄油脂)中提炼的烷基单酯通常被称为生物柴油，生物柴油由于其可再生性、极低的硫和芳烃含量、较高的十六烷值、较高的生物降解性和分子中富氧的优点，已成为更清洁的替代燃料，可用来填补石化柴油燃料的需求缺口[1-9]。生物柴油具有与石化柴油大致相似的特性，即使没对发动机进行任何改造，也可直接用于柴油发动机。与传统的柴油燃料相比，生物柴油富氧可使燃烧更完全，从而有效地减少发动机的颗粒物(PM)、一氧化碳(CO)和未燃物(THC)排放。但是在柴油机上使用生物柴油会使NOx排放升高[7-9]。

低温燃烧模式可同时降低NOx和炭烟排放[10-11]，通常是由大EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环)率来实现，这种方式用在生物柴油发动机上也有类似效果[12]。据前人的研究结果可知，该机型在EGR阀全开时的EGR率不足以使发动机从传统燃烧模式向低温燃烧模式转变[13-14]，因此还需要采取其他技术手段。邱伟[14]以4JB1柴油机为对象，进行了EGR结合推迟供油的手段实现柴油机低温燃烧的试验研究，其研究结果为本研究提供了柴油实现低温燃烧的性能变化的试验依据。相关研究表明[14-16]，推迟喷油可以降低NOx排放，但必然会对其他性能产生影响。因此本研究针对EGR率和喷油正时对柴油机燃用生物柴油的燃烧过程、经济性、动力性和排放特性的影响进行了研究，为在柴油机上使用生物柴油替代燃料实现低温燃烧提供依据，有利于生物柴油的普及和推广。

1 柴油机仿真模型的建立

本研究使用的发动机原型为4JB1涡轮增压柴油机，其主要性能参数见表1。根据该柴油机建立的GT-Power整机仿真模型见图1。

表1 柴油机主要性能指标

图1 4JB1柴油机整机模型

图2和图3分别示出仿真模型的外特性扭矩、油耗和标定工况示功图的试验验证结果。由图2和图3可以计算出扭矩和燃油消耗率的最大误差分别为3.69%和3.56%，缸压的最大误差为4.75%，证明模型正确，可以用于后续分析计算。

图2 扭矩和油耗对比结果

图3 示功图对比结果

本研究使的用生物柴油替代燃料是由地沟油提炼而来，该生物柴油和0号柴油的理化特性见表2。

表2 生物柴油和0号柴油的理化特性

根据表2，在生物柴油模型中输入相关的气态和物态参数，完成生物柴油燃油库模型的建立。其中汽化潜热影响到燃油的蒸发和雾化，运动黏度影响到燃油的喷雾特性，十六烷值影响并决定着滞燃期的长短，生物柴油与柴油的物性区别通过在燃油模型中设置这些参数得到了体现。

在建立了生物柴油燃料模型后，对比了柴油机燃用生物柴油在2 200 r/min满负荷时扭矩和燃油消耗率的实测值和仿真值(见表3)。由表3可见，计算误差在允许范围内，证明生物柴油模型正确，可以用于后续分析计算。

表3 生物柴油模型验证

2 计算结果及分析

本研究分析了不同EGR率和喷油正时对柴油机燃用生物柴油低温燃烧的燃烧过程、经济性、动力性和排放特性的影响。选定的原机工况为柴油机最大扭矩转速2 200 r/min，喷油量为33.375 mg，约为原机75%负荷，喷油正时为-2.9°(上止点前2.9°)。研究选取的EGR率是由不同EGR阀开度(40%，60%，80%，100%)下得到的EGR率，分别为3.47%，6.97%，10.80%，14.69%；选取的喷油正时分别为-12°，-9°，-6°，-2.9°，0°，3°，6°(负值代表上止点前喷油，正值代表上止点后喷油，0°即为上止点喷油)。

2.1 EGR率和喷油正时对燃烧过程的影响

图4和图5分别示出上止点前2.9°喷油时不同EGR率下生物柴油燃烧的缸内压力和平均燃烧温度曲线。从图中可以看出，随着EGR率的增大，最高燃烧压力下降，缸内最高平均温度逐渐升高，最高燃烧温度相位向后推迟。出现这种现象的原因在于，随着EGR率的增大，滞燃期延长，燃烧始点向后推迟，燃烧主要过程在膨胀冲程中完成，此时活塞下行，导致压力下降，而充量密度减小使缸内单位充量吸收的热量增加，导致缸内最高平均温度升高[14]。

图4 不同EGR率下的缸内压力

图5 不同EGR率下的缸内平均燃烧温度

图6和图7分别示出无EGR和EGR率14.69%条件下，缸内压力和平均燃烧温度随喷油正时变化的曲线。从图中可以看出，无EGR时，随着喷油正时的推迟，最高燃烧压力降低，最高平均燃烧温度降低，对应的峰值相位也后移。这是由于随着喷油推迟，燃烧的主要过程发生在活塞下行阶段，燃油喷入气缸内的压力与温度较高，滞燃期变短，预混燃烧量减少，使得缸内最高燃烧压力和缸内平均燃烧温度下降。同一喷油正时下，最高燃烧压力在EGR阀全开时有显著的下降，缸内平均燃烧温度相位向后推迟。

图6 不同喷油正时下的缸内压力

图7 不同喷油正时下的缸内平均燃烧温度

2.2 EGR率和喷油正时对油耗和热效率的影响

图8示出EGR率、喷油正时对有效燃油消耗率和指示热效率的影响规律。由图8可见，随着EGR率增大，有效燃油消耗率上升，热效率下降。这是因为EGR率的增大虽然使滞燃期延长，但是可燃混合气中氧浓度不足占主导因素，使燃烧质量变差，进而使油耗和热效率恶化。

图8 不同EGR率和喷油正时下的油耗和热效率

随着喷油正时的推迟，油耗和热效率基本呈现相悖的变化规律，油耗先降低后增加，热效率先增加后降低。这是由于提前喷油会使得燃烧过程靠近上止点，做功能力得到提高，燃烧等容度加大，使热效率提高，油耗降低。在上止点前9°～6°区间内喷油，燃烧过程最接近上止点，因此油耗和热效率最优。

2.3 EGR率和喷油正时对排放的影响

图9示出不同EGR率下，柴油的NOx比排放随喷油正时的变化关系。从NOx排放曲线可以看出：在同一喷油正时下，随着EGR率的增加，NOx排放降低，这与前人的研究结果[13]一致；保持EGR率不变，随着喷油正时的提前，NOx排放增加。这是因为提前喷油使滞燃期延长，滞燃期内形成的可燃预混合气增加，预混燃烧比例增加，缸内最高平均燃烧温度上升，此时高温是导致NOx排放增加的原因，尤其在低EGR率工况下表现更为明显。

图9 不同EGR率和喷油正时下的NOx排放

虽然提前喷油会导致NOx排放上升，但是将其与EGR结合，在大EGR率情况下，可以实现NOx排放低于原机。由此可见，生物柴油富氧效果导致的NOx排放升高现象在EGR和喷油正时的作用下得到了很大的改善。EGR率为14.69%时可实现NOx排放低于原机而不受喷油正时影响；在喷油正时推迟到上止点后4°以后可实现NOx排放低于原机而不受EGR率影响；在喷油正时为上止点前10°～4°区间内，需要结合EGR进行优化。

图10 示出不同EGR率和喷油正时下的炭烟比排放变化规律。从图10可以看出：随着喷油正时的推迟，炭烟排放先升高后降低；随着EGR率的增大，炭烟排放升高。这是由于炭烟排放主要受两个因素的影响, 即滞燃期和氧浓度[17]。EGR率的增加降低了缸内氧浓度，导致炭烟排放增加。在喷油过早时，虽然引入EGR降低了缸内氧含量，但是喷油时刻的压力和温度较低，使滞燃期延长，混合气混合更均匀，增加了预混燃烧的比例，炭烟排放较低。在喷油过晚时，虽然初始的压力和温度高，但着火前活塞下行，温度和压力迅速降低，导致滞燃期延长，炭烟排放也呈现降低趋势。

图10 不同EGR率和喷油正时下的炭烟排放

结合图9与图10对比得出，在同一喷油正时下，随着EGR率的增大，炭烟排放和NOx排放呈现相悖变化趋势，这表明发动机仍处于传统燃烧模式中。在喷油正时推迟到-6°以后，炭烟排放和NOx排放都随着喷油推迟出现降低的趋势，这表明发动机由传统模式向低温燃烧模式转变。但是EGR的加入导致炭烟排放升高，虽然推迟了喷油正时，然而只有在少数工况(EGR率3.47%时、上止点后3°后喷油)实现炭烟排放低于原机。

图11示出了不同EGR率和喷油正时下CO比排放的变化规律。由图11可见，随着喷油正时的提前，CO排放降低。在喷油正时提前到上止点之前，缸内平均燃烧温度较高，此时有利于CO的氧化过程，从而使CO排放降低；在喷油正时推迟到上止点后时，燃烧温度低甚至变得不稳定，热效率降低，CO排放量急剧上升。同一喷油正时下，随着EGR率的增大，CO排放增加。这是因为随着EGR率的增加，混合气中的氧浓度降低，再加上缸内燃烧温度降低，不利于CO的氧化过程，导致CO排放增加。

图11 不同EGR率和喷油正时下的CO排放

在传统燃烧模式下，生物柴油富氧可以很好地氧化CO，使CO排放保持在较低水平；但是在向低温燃烧模式转变的情况下，生物柴油的氧含量不足以弥补进气氧浓度的降低，进而导致CO排放随EGR率的增大出现上升的现象。然而将EGR和喷油正时耦合，在EGR率低于3.47%，喷油正时提前到上止点前6°之前，可以实现CO排放低于原机。

图12 示出不同EGR率和喷油正时下的THC比排放变化规律。由图可知，随着EGR率的增加，THC排放升高；随着喷油正时的提前，THC排放降低。滞燃期和最高平均燃烧温度是影响低温燃烧模式THC 排放的最主要因素[13]。EGR率的增大使滞燃期延长，这是导致THC排放升高的主要原因。在上止点后喷油，随着喷油正时的推迟，虽然初始的压力和温度高，但着火前活塞下行，温度和压力迅速降低，导致滞燃期延长，所以THC排放升高；在上止点前喷油，随着喷油正时的提前，缸内最高平均燃烧温度升高，温度占主导因素，因此THC排放降低。由此可见，EGR会加剧THC排放的恶化，但可以将其耦合喷油正时，实现与原机相当甚至低于原机的THC排放水平。在EGR率为3.47%，喷油正时提前到上止点前6°之前，THC排放低于原机。

图12 不同EGR率和喷油正时下的THC排放

3 结论

a) 在相同喷油正时下，随着EGR率的增大，最高燃烧压力下降，缸内最高平均温度逐渐升高，燃烧相位后移；有效燃油消耗率增加，热效率降低；NOx排放大幅度降低，炭烟排放、CO排放和THC排放都增加；

b) 在相同的EGR率下，随着喷油正时推迟，最高燃烧压力和缸内平均燃烧温度降低，燃烧相位后移；有效燃油消耗率先减小后增加，热效率先升高后下降；NOx排放降低，炭烟排放先升高后降低，CO排放和THC排放都升高；

c) EGR的引入和推迟喷油正时都可大幅度降低NOx排放，但是炭烟排放、CO排放、THC排放和燃油油耗率也随之升高；在追求低NOx排放和炭烟排放的情况下，应该尽可能晚地推迟喷油，但是EGR率不宜过高，在喷油正时为上止点后6°、EGR率为3.47%时可实现NOx排放和炭烟排放低于原机，但此时油耗和热效率恶化，且CO和THC排放升高，因此需要耦合其他参数来优化，改善NOx排放和油耗、热效率之间的trade-off关系。