某船用增压柴油机掺混生物柴油燃烧的性能影响仿真分析

2021-02-09王彬彬高敬博高占斌

应用能源技术 2021年1期

王彬彬，高敬博，高占斌,2

(1.集美大学轮机工程学院，厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，厦门 361021)

0 引言

随着经济、社会不断发展，未来世界能源需求量将持续增加，石油供求矛盾逐渐变成影响各国之间能源安全的因素之一[1-2]。柴油机出现至今已超过百余年，并随着人类科技的进步不断提高；目前船舶、铁路、工厂、发电设备等都是以柴油机作为主要的动力推进设备[3-5]，为了减轻对化石燃料的依赖，世界各国在努力寻找可再生绿色能源代替化石燃料。

面对石油资源紧缺、船舶行业排放法规日益严峻，生物质能源是一种可再生的绿色能源，其来源比较广泛，一般可由植被种子、废弃油脂等可再生动植物油脂加工生成[6]；生物柴油中不含有芳香烃，且几乎不含硫，因此排放废气中对人体有危害的NOX和SO2排放量较低，与柴油相比生物柴油更容易被微生物分解，可以有效降低船舶航运中燃油泄漏导致的海洋污染问题；生物柴油的理化性质与柴油接近，掺混生物柴油燃烧时不需要对柴油机进行大规模改造，就可以直接进行掺混燃烧[7-8]；同时，生物柴油的运动粘度比柴油更高，掺混生物柴油可以有效减小柴油机零部件的磨损问题，从而延长发动机的使用寿命[9]。综合以上优点，生物柴油被世界各国所青睐，认为是优质的石化柴油代替品。

综合以上因素，本文将通过仿真研究常规增压柴油机进行掺混生物柴油燃烧，分析掺混生物柴油燃烧对常规增压船用柴油机的性能影响。

1 研究方案

1.1 研究对象

本文采用TBD234型V列、6缸、四冲程柴油机为原型机建立GT-Power的仿真模型，柴油机的基本性能参数见表1。

表1 柴油机性能参数

1.2 仿真方案

运用GT-Power软件对建立完成后的柴油机仿真模型进行掺混生物柴油燃烧。通过设置10%-100%共5个工况点10%-100%共6组不同生物柴油掺混比，分析生物柴油不同掺混比对柴油机动力性、经济性及NOX排放的影响。表2为推进特性下柴油机对应的转速和扭矩，B0为柴油机纯柴油燃烧模式。

表2 推进特性下柴油机对应的转速和扭矩

2 GT-Power模型建立及校核

2.1 建立整机模型

基于柴油机的性能参数和边界条件等，运用GT-Power软件建立柴油机的仿真模型，主要包括气缸、进排气系统、曲轴箱、中冷器系统、喷油系统以及涡轮增压系统等。

2.2 生物柴油模型的建立

GT-Power软件中自带了一些常用的燃料模型如柴油、醇类燃料、醚类燃料、脂类燃料等，用户可以从燃料模型库中直接调用。但GT-Power软件没有提供生物柴油的燃料模型，因此需要用户在自定义模块自行建立生物柴油的燃料模型，本文参考相关文献对生物柴油理化性质进行设置，图1为建立完成后的生物柴油液态燃油模型。

图1 生物柴油液态燃油模型

2.3 燃油掺混模块

运用柴油机仿真模型进行掺混生物柴油燃烧。图2为GT-Power软件喷油器模块中燃油掺混界面，调用上文中已经建好的生物柴油燃油模型进行掺混燃烧，本节直接利用喷油器模块中Fluid Mixture Combined功能块进行柴油机掺混生物柴油燃烧的仿真计算。

图2 燃油掺混模块

2.4 整机模型校核

运用GT-Power建立整机模型，通过比对柴油机纯柴油燃烧的仿真值与实验值来校验仿真模型建立的准确性。图3为建立完成后的TBD234V6常规增压柴油机仿真模型。

图4为柴油机GT-Power整机模型在推进特性5个不同负荷工作时，最高燃烧压力及燃油消耗率的校核。由图可知，各负荷下柴油机最高燃烧压力及燃油消耗率其仿真结果值和实验所得值基本一致，计算得相对误差在5%内。校核结果：TBD-234V6型原常规增压柴油机仿真模型建立较为正确，各模块系数设置合理，为仿真结果提供准确性。

图3 TBD234V6柴油机的仿真模型

图4 模型校核图

3 掺混生物柴油燃烧的性能影响

3.1 动力性的影响

图5、图6为推进特性常规增压柴油机不同生物柴油掺混比下，最高燃烧压力和最高燃烧温度的变化曲线。仿真结果表明：在同一负荷下，随着生物柴油配比增大最高燃烧压力呈下降趋势，但下降幅度较小，在100%负荷时，B100的最高燃烧压力比柴油机纯柴油燃烧时降低了4.8%。柴油机最高燃烧温度也随着生物柴油配比增大呈下降趋势，在100%负荷时，B20、B30、B40、B50、B100的最高燃烧温度比柴油机纯柴油燃烧时降低了1.1%、1.6%、2.1%、2.7%、5.4%。这是由于较柴油相比，生物柴油热值相对偏低，燃烧同质量燃油，柴油放出的热量要高于生物柴油，燃烧同质量的生物柴油为柴油机提供的动力和热量都要小于燃烧同质量的柴油，因此柴油机最高燃烧压力和最高燃烧温度随着生物柴油掺混比增加而下降。

图5 最高燃烧压力

图6 最高燃烧温度

3.2 经济性的影响

图7为推进特性常规增压柴油机不同生物柴油掺混比下，柴油机燃油消耗率的变化曲线。仿真结果表明：在B10时，柴油机的燃油消耗率与原机纯柴油燃烧时的燃油消耗率基本重合，但随着生物柴油配比增加，燃油消耗率呈上升趋势。柴油机在低负荷工作时，随着生物柴油配比增大燃油消耗率上升速度较慢；但在高负荷工作时，随着生物柴油配比增大燃油消耗率上升速度较快。在100%负荷时，生物柴油B10、B20、B30、B40、B50、B100的燃油消耗率较柴油机纯柴油燃烧时高出了1.1%、1.4%、2.3%、7.6%、8.3%、12.5%。

研究分析可知，柴油机在较低的生物柴油掺混比燃烧时，由于生物柴油本身富含氧元素的特性，较低生物柴油掺混比提高了燃烧室内氧含量，使燃油能够燃烧更加充分，弥补了燃烧同质量的燃油，生物柴油放出的热量要低于柴油的不足。但是随着生物柴油掺混比增大，生物柴油热值低的缺点逐渐凸显，掺混生物柴油燃烧想要达到相同机械效率，柴油-生物柴油的混合燃油消耗量会更多；因此随着生物柴油配比增大燃油消耗率增加。

图7 燃油消耗率

3.3 NOX排放的影响

图8为推进特性常规增压柴油机不同生物柴油掺混比下，NOX排放量的变化曲线。仿真结果表明：在同一负荷下，随着生物柴油配比增加NOX排放量逐渐升高；在B10时，NOX排放量与原机纯柴油燃烧时的NOX排放量区别不大；随着生物柴油配比的增加，NOX排放量迅速增加。在100%负荷时，生物柴油不同掺混比例B10、B20、B30、B40、B50、B100的NOX排放量比柴油机纯柴油燃烧时高出了0.5%、1%、1.4%、1.8%、2.4%、6.2%。

研究分析可知：NOx生成环境为高温和富氧；生物柴油十六烷值数远大于柴油，含氧量高以及低热值性，掺混生物柴油增加燃烧室氧含量浓度，同时会导致燃烧室内最高燃烧温度下降，燃烧室内温度虽然下降会抑制NOx生成，但缸内氧含量升高富氧有助于NOx生成；因此在同负荷下，随着生物柴油配比增加伴随着NOX排放量增加。