基于AVL-FIRE的生物柴油/正丁醇混合燃料燃烧与排放特性仿真分析

吉鹏，耿莉敏，王燕娟，陈阳，徐博健，毕磊超，李妍

(1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064；2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043)

基于石油等天然资源的有限性加上国际环境的复杂性，使得开发可持续的长期替代燃料已经成为必要[1].生物柴油理化性质接近柴油，可直接应用于现有的柴油机[2-4].生物柴油中加入醇类，可以降低其粘度，改善其雾化[5-7].其中正丁醇相对于甲醇和乙醇具有十六烷值和低热值高等优点，在生物柴油中掺入粘度较低的正丁醇可以大幅降低燃油的粘度，从而改善其雾化和冷起动性能[8].因此，国内外学者对不同比例的生物柴油/正丁醇混合燃料的燃烧排放特性进行了研究[9-13].Otaka等在柴油机上研究了生物柴油/正丁醇混合燃料的燃烧与排放特性，发现随着正丁醇比例的增加，碳烟排放显著减少，而CO和HC排放略有增加[14]；Soloiu等在一台单缸柴油机上进行进气道喷射正丁醇、缸内喷射生物柴油的试验，结果表明，这种燃烧方式可以降低缸内最高温度，减少NOx排放[15]；Doan等对不同负荷下燃用正丁醇/柴油混合燃料的排放特性进行了研究，指出随正丁醇掺混比增大，碳烟、氮氧化物降低，碳氢排放增加，而排气温度下降[16]；尧命发研究了正丁醇/生物柴油高预混压燃的燃烧和排放特性，指出在正丁醇比例为80%～85%时，提前生物柴油的喷油时刻可以实现较高的热效率，低的NOx和碳烟排放[17]；黄维等得出在小负荷时缸内压力的最大值随丁醇比例的增加逐渐降低，CO和HC的排放逐渐升高[18].郑尊清等研究了不同柴油/正丁醇掺混比例混合燃料的低温燃烧特性，结果表明随着正丁醇掺混比的增加，燃烧放热始点明显推迟，预混放热增强[19].

基于此，本文采用奥地利AVL公司开发的内燃机燃烧模拟专用CFD软件FIRE，对3种不同掺混比的生物柴油/正丁醇混合燃料进行缸内燃烧的模拟，对比其缸内压力曲线，温度分布，NOx和soot排放曲线等，进而分析生物柴油-正丁醇不同掺混比的燃烧与排放特性.

1 模型的建立

1.1 发动机参数及网格划分

本次建模以1台6缸高压共轨柴油机为原型，

表1 发动机参数

其技术参数如表1所示.

由于该发动机使用的是孔式喷油器，4个喷孔周向均匀布置，夹角为90°.为了简化计算，把燃烧室看成在活塞顶正中央对称分布，因此在生成燃烧室的计算网格时只取燃烧室的1/4，网格在边界处加密[20].活塞与气缸顶之间的网格大小随着活塞和气缸的相对运动成比例的拉伸和压缩，网格数目也相应地变化；燃烧室内部网格大小和数目固定，只随活塞一起运动.网格划分后的燃烧室模型如图1所示.

1.2 燃料物理特性

通过对生物柴油和正丁醇的理化特性进行分析研究，选取纯生物柴油BD100、BD90N10和BD70N30的生物柴油/正丁醇混合燃料(BD为生物柴油的英文缩写，其后的数字代表生物柴油在混合燃料中所占体积分数；N为正丁醇的英文缩写，其后数字代表正丁醇在混合燃料中的体积分数)，其理化特性参数如表2所示.从正丁醇的理化特性来看，相比于生物柴油的密度、粘度和低热值较低，则生物柴油-正丁醇混合燃料的密度、粘度、和低热值随着正丁醇比例的增加而减小.在FIRE软件中柴油“diesel”可直接从燃料库选取，其他3种燃油均采取自定义方式，根据BD100、BD90N10、BD70N30的分子式定义其C、H、O 3种原子的数量比，其燃料低热值由试验测得.

图1 燃烧室模型Figure 1 Combustion chamber model

表2 生物柴油/正丁醇混合燃料的理化特性参数(20 ℃)

1.3 初始条件与计算模型的选择

本文计算始点为-141.5°(进气门关闭时刻)，计算终点为123.5°(排气开启时刻)的缸内封闭区域，选择初始缸内压力为1.3 bar，初始温度为380 K，喷油提前角为7°CA，在1 400 r/min,缸内平均有效压力0.322 MPa,小负荷工况下进行模拟仿真.本文采用的计算模型如表3所示.

表3 计算模型的选取

1.4 模型验证

挑选任意比例的生物柴油/正丁醇混合燃料，将仿真所得的示功图与试验所测的示功图进行对比，来验证计算模型的准确性.图2所示为BD100混合燃料试验测得的示功图与模拟计算的示功图曲线，从图中可以看出，二者变化趋势吻合良好，说明所选模型和条件设定合理.

图2 缸压验证Figure 2 cylinder pressure verification

2 结果与分析

2.1 燃烧特性

2.1.1 缸内压力分布 图3是不同燃料的缸内压力对比曲线图.由图可得纯生物柴油的燃烧起始点略微先于混合燃料的燃烧起始点，且掺入正丁醇的比例越高，滞燃期越长.缸内最大压力处的曲轴转角变化甚小，说明在喷油提前角不变的情况下，不同的燃料达到缸内压力最大值的曲轴转角基本不变，约在上止点后6.5°CA，但混合燃料的缸内最大压力比燃用生物柴油略低，且缸内的最高压力随着掺入正丁醇的比例增大而减小.在平均有效压力0.322 MPa时，BD70N30的缸压峰值相对BD90N10降低了0.05 MPa，相对BD100减小了0.18 MPa，这是由于正丁醇燃料的低热值较之生物柴油更低，在循环喷油量保持不变的情况下，随着正丁醇比例增加，低热值相应减少.因此，在生物柴油中适量加入正丁醇可以降低缸内最大压力，使发动机的机械负荷降低.

图3 缸内压力曲线Figure 3 In-cylinder pressure curve

2.1.3 缸内温度场 图4为不同燃料的缸内平均温度对比曲线图.由图可知BD100、BD90N10、BD70N30 3种不同比例生物柴油-正丁醇混合燃料，分别从曲轴转角为3°CA、4°CA、3.5°CA起，缸内温度开始急剧上升，活塞下行直到曲轴转角为36°CA、37°CA、36°CA时，燃料充分燃烧做功，使温度达到燃烧过程的最大值，其中BD100的峰值温度最高为1 663.23 K.这是因为正丁醇汽化潜热大，且其低热值小于生物柴油，汽化吸热，随着正丁醇比例的增加，混合燃料的滞燃期延长,缸内峰值温度逐渐降低.

图5展示了不同燃料的缸内温度场分布，软件中设定的喷油提前角为7°CA，由图可得，在0°CA之前燃料并没有着火，但由于活塞一直上行压缩空气做功，缸内温度不断增加.当曲轴转角为-3°CA时，缸内温度增加到了1 000 K；当曲轴转角为2°CA左右时，燃料燃烧放热对外做功使缸内温度进一步增加.通过剖面图可以看出，燃烧室底部与缩喉口处燃烧温度较高，这是由于最先燃烧的位置并不是燃料浓度高的位置，而是雾化效果最好的地方.喷油过程结束之后，燃烧从雾化效果较好的油束前端扩散到整个燃烧室，此时由于全面的燃烧使缸内温度又升高了600 K左右，但是随着活塞的下行，缸内容积增大，温度的升高速率逐渐变慢直到缸内温度开始降低，由图可以看出在30°曲轴转角时缸内温度比25°时缸内温度有所下降，燃烧也不断向缩口处扩散.

图4 缸内平均温度曲线Figure 4 In-cylinder average temperature curve

2.2 排放分析

2.2.1 NOx排放 图6为不同燃料的缸内氮氧化物(NOx)的排放曲线图.由图可知，在掺入正丁醇之后，NOx排放量相对于燃烧纯生物柴油有所减少，且掺入的正丁醇越多，NOx的排放量越少.氮氧化物(NOx)产生的主要因素有高温富氧，高温滞留时间.由于正丁醇的低热值低于生物柴油，在相同喷油量下放热量少，并且正丁醇的汽化潜热大，使得缸内温度进一步降低，燃料燃烧的高温停留时间变短，从而使得NOx排放降低.加入正丁醇使得混合燃料的滞燃期延长，燃烧始点推后，也是导致NOx排放降低的可能原因之一.

图6 缸内氮氧化物生成质量分数曲线Figure 6 In-cylinder NOx formation mass fraction curve

图5 不同比例生物柴油-正丁醇缸内温度场分布Figure 5 Temperature field distribution of different proportions of biodiesel-n-butanol cylinder

图7为不同曲轴转角下的氮氧化物(NOx)变化与分布情况.由图可知缸内的NOx排放主要集中在燃烧室的中心偏左的位置，由温度场分布图可知，此位置的温度较高.这是因为燃料的燃烧主要集中在这一区域.随着缸内燃烧的进行，缸内的氮氧化物排放向燃烧室中间扩散.随着活塞不断下行，曲轴转角达到30°CA时，燃烧进入缓燃期，NOx的生成速度减缓，随着缸内容积继续增大，曲轴转角达到40°CA时，燃料基本烧完，NOx的生成不再增加.

2.2.2 soot排放 图8是缸内碳烟生成的质量分数曲线，由图可知，25.5°CA时，碳烟的排放达到最大值，BD100、BD90N10和BD70N30的碳烟质量分数依次为8.42×10-4、6.82×10-4、4.61×10-4.可见随着掺混正丁醇比例的增加，碳烟的排放是显著减少的.这是由于加入正丁醇后，混合燃料的含氧量提高、雾化质量改善，燃烧进行的更完全.

图7 不同比例生物柴油-正丁醇缸内NOx排放分布Figure 7 NOx emission distribution in different proportions of biodiesel-n-butanol cylinder

图8 缸内碳烟生成的质量分数曲线Figure 8 In-cylinder soot formation mass fraction curve

图9描述了碳烟排放物随曲轴转角变化的分布情况.由图可知，缸内的碳烟生成起始于曲轴转角为-4°CA时，随着燃烧做功，活塞下行，碳烟排放物开始向燃烧室缩口处蔓延.

3 结论

1) 通过对比BD100、BD90N10、BD70N30 3种不同掺混比的燃料在缸内燃烧时的缸内压力曲线可以得出，在1 400 r/min小负荷工况下，随着正丁醇掺混比的增高，混合燃料燃烧的滞燃期变长，缸内最大爆发压力降低，其中BD70N30的缸压峰值相对BD100降低了3.6%，有利于降低发动机的机械负荷.

图9 不同比例生物柴油-正丁醇缸内soot排放分布Figure 9 Soot emission distribution in different proportions of biodiesel-n-butanol cylinder

2) 通过观察温度场得出，由于正丁醇的低热值低，汽化潜热大，所以随着正丁醇掺混比的增大，缸内最高温度略有降低.

3) 通过对比NOx和soot排放曲线以及不同曲轴转角下的排放分布图，可以得出，随着正丁醇掺混比的增加，碳烟排放明显下降，BD70N30的碳烟排放相对BD90N10降低了32.4%，相对BD100降低了45.2%，NOx排放略有降低.