EGR率对生物柴油燃烧性能和排放特性的影响

谷亚丽 郑 培 武秀侠

（内蒙古工业大学能源与动力学院 内蒙古 呼和浩特 010051）

引言

截至2015年底，中国机动车数量攀升至2.79亿台，乘用车和商用车的数量一共接近1.72亿台[1]。截至2018年，我国汽车保有量24 028万辆，相比2017年增长10.5%[2]。随着汽车行业的发展和日益严格的排放法规，越来越多的研究者致力于开发新技术提高排放性能。为了缓解能源危机和环境污染，研究可持续再生能源必不可少。生物柴油的到来，对于高原地区改善柴油发动机的燃烧和排放状况具有优越性[3]。

生物柴油相较于传统石化燃料含碳量低，能有效改善HC、CO、PM的排放，具有可再生性[4]。生物柴油和石化柴油的理化性质相似，可直接在柴油机上使用，但是，NOx排放大大增加了[5-6]。为了满足国家排放标准，废气再循环成为控制柴油机NOx排放的最有效方式之一[7]。其中，数值模拟是常用的研究内燃机工作过程的方法，可以预测发动机的燃烧和排放特性。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验采用OED483Q直列、4冲程、4缸高压共轨涡轮增压柴油机，其主要技术参数如表1所示。测试设备有AVL电力测功机，排放柜AVL AMAi60和燃油消耗仪等。严格按照发动机台架试验标准进行调控测试。主要设备如表2所示。

表1 发动机技术参数

表2 主要试验设备

其中，电力测功机可以测得变工况下的输出功率和输出转矩等数据，燃油消耗仪记录燃油消耗量及燃油消耗率。

1.2 试验燃油

本文使用的生物柴油是由辛集市金瑞生物化工有限公司用废弃食品煎炸油生产的，生物柴油基本性质如表3所示。

表3 燃料的基本参数

1.3 CONVERGE软件介绍

本文所采用的CONVERGETM三维模拟软件，是在KIVA的基础上开发的，几乎所有的子模型都保存为文本文件的形式，便于用户修改和编辑，具有指定加密和自适应网格加密功能，不需要人为划分网格，每计算一步都会自动重建网格，可以最大限度地提高网格效率及增加计算精度。该软件不具有图像后处理功能，需要将计算文件转化为Fieldview、Tecplot、Ensight或GMV可识别格式文件，再导入相关后处理软件进行图像处理。本文采用Ensight作为后处理软件，Ensight[8]是针对CFD专用的后处理软件，图形和视觉包丰富，用户可自行选择图形或动画表达结果。Converge工作流程如图1所示。

图1 Converge工作流程

1.4 模型的建立与验证

如图2所示，根据OED483Q型发动机燃烧室尺寸，绘制燃烧室的二维网格并生成燃烧室的三维六面体动态网格，由于试验柴油机使用8孔对称喷油器，为了节省计算时间，生成的计算网格为1/8模型。

图2 燃烧室1/8模型

Converge软件是在遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等前提下来计算模拟柴油机缸内气体的流动与燃烧。模型建立的好坏直接关系到数值模拟计算结果的准确性和可靠性。因此需要对其进行验证。由图3可知，生物柴油的缸内平均压力变化曲线光滑，变化趋势均符合柴油机的燃烧机理。从图4可知，最高爆发压力与试验值的误差不超过5%，此模型可用。

图3 1 600 r/min生物柴油的做功图

图4 转速对最高爆发压力的影响

2 结果分析

本文研究工况为：转速1 600 r/min，EGR率分别为0、10%、20%和30%对柴油机性能和排放的影响，以下简称 E0、E10、E20 和 E30。

2.1 EGR率对柴油机做功能力的影响

利用Converge软件模拟改变进气成分，从而改变EGR率对柴油机性能的影响，这样可直接改变EGR率大小，相较于实验操作简便，精度更高。EGR率增大，空气需求量减小，减少部分由废气来代替，进气氧浓度降低，对燃烧有抑制作用。

本文通过Converge软件控制EGR率对缸压和缸温的影响图，如图5和图6所示。

图5 EGR率对缸压的影响

由图5可知，随着EGR率增加，燃料生物柴油的爆发压力峰值均呈下降趋势。EGR为0时生物柴油的最高爆发压力为11.0 MPa左右。EGR率为30%时，生物柴油的缸内最大爆发压力是7 MPa。可见，随着EGR的增大，废气量增大，进一步降低空燃比，使得缸内燃烧恶化，缸压下降。所以，要适当控制EGR率的大小，让发动机拥有良好的动力性。图6结果表明：随着EGR率增加，生物柴油的缸温逐渐降低。这是因为随着EGR率的增加，新鲜充量随之减少，氧浓度逐渐下降，着火延迟靠近上止点，压力升高率下降，因此生物柴油的最高爆发压力及平均燃烧温度均下降。

图6 EGR率对缸温的影响

2.2 EGR率对NO x排放的影响

增加EGR率，废气量增加，新鲜空气量减少，对于减少NOx排放的作用非常明显。曲轴转角分别为10°CA、20°CA、30°CA 下不同 EGR 率下的 NOx质量分数排放情况，如表4所示。

从表4可知，EGR率为0时各工况条件下，NOx排放量较高，EGR率为10%、20%、30%时，生物柴油的NOx排放量大幅度降低。这是由于随着EGR率增加，废气量也增加，新鲜充量减少，氧浓度降低，燃料的焰前化学反应和燃烧反应速度都降低。其次，缸内燃烧平均温度降低，燃烧持续期延长，加之废气的热效应及化学效应的共同作用，NOx生成所需的高温富氧条件被破坏，使得NOx的生成量大幅降低。

表4 EGR率对NOx排放的影响

2.3 EGR率对CO和碳烟排放的影响

不同EGR率、不同工况下的CO和碳烟的分布云图，如表5和6所示。

由表5可以看出，曲轴转角10°CA、20°CA、30°CA时的CO的云图分布，随着EGR率增大，生物柴油的CO排放总体较少，这是因为生物柴油本身含碳量低，用于反应的C原子减少，生成的CO较少；并且生物柴油含有10.7%的氧，有效改善燃烧，使大量的CO被氧化成CO2排放，所以生物柴油的CO排放较少。但是在EGR率为30%时，由于EGR率增加，进入气缸的废气量增加，新鲜充量减少，氧浓度降低，燃烧不充分，导致CO排放量有所增加，并且EGR率的增大导致CO排放量有恶化的趋势。

由表6可知，在曲轴转角为10°C A时，生物柴油随着EGR率的增加碳烟排放明显降低，而碳烟形成的条件是高温缺氧，EGR率的增大，燃烧室内的温度降低，这些不利于SOOT的生成。但是在曲轴转角为30°CA、EGR为30%时，碳烟产生区域略有增大，这是由于EGR率的提高，使得缸内氧浓度下降，碳烟燃烧不充分，因此排放增加。

表5 EGR率对CO排放的影响

表6 EGR率对碳烟排放的影响

3 结论

综上所述，生物柴油基本满足发动机的动力性和经济性要求，作为柴油的替代燃料是可行的，利用Converge软件对内燃机工作过程进行模拟研究是合理的。增大EGR率，使得生物柴油的缸压下降，动力性降低。因此，要选取合适的EGR率。增大EGR率，可以让CO的排放量和碳烟排放量增加幅度较小；采用EGR可以有效降低NOx和碳烟排放，没有出现NOx和SOOT之间trade-off关系，显现出生物柴油有良好的耐EGR性。