船用柴油机燃用异丙醇-丁醇-乙醇喷油策略研究

宋亚楠 邓腾树

(泉州师范学院 航海学院， 福建 泉州 362000)

0 前言

丙酮、丁醇和乙醇混合物(acetone，n-butanol and ethanol mixture， ABE)是丁醇的中间发酵产物，可直接用作丁醇的替代燃料[1-2]。但丙酮对橡胶发动机部件具有一定的腐蚀性，且其闪点和沸点较低，因而难以存储和运输。于是，异丙醇、丁醇和乙醇混合物(isopropanol， butanol and ethanol，IBE)作为替代生物燃料成为新的研究方向[3-6]。研究发现，IBE比ABE的燃烧和排放性能更佳[5]。将较高比例的IBE混入柴油中，可以降低敲缸强度、减少烟尘排放，但会增加NOx的排放[7]。将IBE与柴油共混后用作柴油机燃料，有助于减少碳烟排放[8]。

以往的试验大多是在发动机台架上进行，且研究方向均侧重于IBE的燃烧特性和排放特性，鲜有涉及船用柴油机IBE燃烧的喷油策略。本次研究将以某船用柴油机为研究对象，应用 CFD 数值模拟软件Converge 建立IBE燃烧模型，研究不同喷油策略对其燃烧和排放特性的影响，据此改善其燃烧和排放特性。

1 计算模型的搭建与验证

以某船用中速柴油机为研究对象，采用三维仿真软件Converge进行计算。根据柴油机的说明书和尺寸测量结果，建立几何模型并进行网格划分，柴油机的基本参数如表1 所示。以4 mm的尺寸大小划分基础网格，对喷油器附近和喷射路径区域进行网格细化处理。

表1 柴油机的基本参数

依据柴油机的几何尺寸，绘制燃烧室的二维几何模型图，并将其导入到Converge软件中生成三维体网格。原机燃烧室对称，喷油器位于燃烧室中央，喷孔数为 8。为了简化计算，选取燃烧室网络的 1/8 部分作为仿真计算区域。1/8燃烧室网格模型如图1所示。

为了缩短计算时间，以有效压缩冲程开始(进气门关闭)到有效膨胀冲程结束(排气门开启)的时间作为时间域，计算始点为上止点前136°(即-136°)，计算终点为上止点后121°(即121°)。0°指压缩上止点，正数表示上止点后，负数表示上止点前。模拟过程采用文献[9]中的化学反应机理，其中包含151个组分和755步化学反应，相关模型如表2所示。

图1 1/8燃烧室网格模型

表2 相关模型

在全负荷工况下，将纯柴油发动机的仿真结果与原机试验结果进行对比。结果显示，仿真值与试验测试值具有较好的吻合度(见图2)，误差在允许范围(5%)以内。这表明，所搭建的燃烧系统模型能够在一定范围内反映实际发动机的燃烧过程，基于此模型的优化工作具有参考价值。

图2 缸压仿真值与试验测试值曲线

2 模拟结果分析

2.1 喷油时刻燃烧和排放特性的影响

选取IBE15(即燃料中IBE的体积分数为15%)作为柴油燃料，分别针对提前角(喷油时刻)为-30、-25、-20、-15°CA的4种喷油方案进行研究。

(1) 燃烧特性。不同喷油时刻缸内IBE15燃料的燃烧特性如图3所示。随着喷油时刻的提前，压力峰值与放热相位均有所提前，滞燃期增长。当喷油提前角为-30、-25、-20、-15°CA时，其滞燃期分别为25、21、17、14°CA。这是因为随着喷油时刻的提前，缸内对应温度压力降低，使得燃料的蒸发扩散、焰前氧化等准备时间增加，进而使滞燃期延长，滞燃期内形成的可燃混合气量增多使速燃期燃烧更为迅速。 CA50是指燃烧放热量达到累计放热量50%时的曲轴转角，一般代表燃烧中点。喷油提前角-30、-25、-20、-15°CA对应的CA50分别为-4、-2、5、12°CA。喷油时刻越早，燃烧中点越靠前，最高燃烧温度也越高，缸内最高温度分别为1 640、1 710、1 790、1 950 K。在达到燃烧中点之后，喷油时刻越靠前，缸温下降就越快，在80°CA 时缸内温度分别为1 250、1 220、1 190、1 120 K。

图3 不同喷油时刻缸内IBE15燃料的燃烧特性

(2) 排放特性。不同喷油时刻缸内IBE15燃料的排放特性如图4所示。随着喷油时刻的提前，NOx排放显著增大，喷油提前角为-30°CA时的NOx排放量达到提前角为-25°CA时的2倍。这是因为高温和富氧条件是生成 NOx的重要因素，加速了NOx的生成。喷油时刻提前，会使缸内温度升高、滞燃期延长，从而使燃料混合更充分，使soot排放量显著减少。但在燃烧后期(35°CA以后)，缸内温度变低，氧化作用变弱，最后使得soot排放量在喷油提前角-25°CA下达到最低。

图4 不同喷油时刻缸内IBE15燃料的排放特性

2.2 预喷策略对燃烧和排放特性的影响

分为有预喷和无预喷两种方案进行研究，设定两次喷油的总量相等，喷油及持续期相同。

(1) 燃烧特性。不同预喷策略下IBE15燃料的燃烧特性如图5所示。当有预喷时，着火时刻提前，放热峰值和压力峰值均降低，且缸压出现双峰趋势。这是由于预喷燃料提前放热，使得缸内温度和压力较高，使得有预喷时的滞燃期相对较短、压力峰值相对较低。放热峰值下降有两方面的原因：一是预喷与主喷的间隔阻止了更多可燃混合气的形成；二是滞燃期缩短，使得滞燃期内形成的可燃混合气减少。缸压曲线出现双峰，这是因为预喷燃料释放的热量不足以克服膨胀所导致的压力减小，于是出现了第1个波峰，而当主喷开始后更多热量的释放又使第2个波峰出现。初期的放热率，在有预喷时显著下降，仅为无预喷时的 1/2；缓燃期的放热率，有预喷时相对较高。这也使得燃烧初期有预喷时缸温相对较低，进而逐渐达到相同的最高温度，之后速燃期有预喷时的缸内温度反高于无预喷时。

图5 不同预喷策略下IBE15燃料的燃烧特性

(2) 排放特性。不同预喷策略下的IBE15燃料排放特性如图6所示。从中可以看出，有预喷时NOx和soot的排放都稍低于无预喷时。 燃烧初期有预喷时缸温较低，NOx的生成速率明显低于无预喷时，因而其排放量稍低；速燃期有预喷时缸内温度较高，后期氧化反应更强，因而使得soot排放量也变得较低。

2.3 喷油持续期对燃烧和排放特性的影响

通过喷油持续角25、29、33°CA变化，分析喷油持续期对燃烧和排放特性的影响。

(1) 燃烧特性。不同喷油持续期的IBE15燃料燃烧特性如图7所示。从中可以看出，随着喷油持续期的延长，缸压峰值降低，放热率和最高燃烧温度下降。这是由于喷油持续期延长，使喷油速率下降，燃烧速率下降所致。

(2) 排放特性。不同喷油持续期的IBE15燃料排放特性如图8所示。随着喷油持续时间延长，NOx排放显著降低，喷油持续角33°CA时的NOx排放量仅为25°CA时的一半。这是由于喷油时间延长使得缸内燃烧温度更低所致。而与此相反，随着喷油持续期的延长，soot排放量在增加；同时，在燃烧初期均生成了大量的 soot，且喷油越快soot的形成也越快。但在曲轴转角达到10°CA之后，在25°CA时混合气已经得到充分混合，soot的氧化速率开始大于生成速率，其质量开始减小；而此时，持续角为29、33°CA时缸内混合气仍然较浓，soot的氧化速率仍然大于生成速率，soot的质量仍然在增大。 当喷油持续角为29°CA时，氧化速率大于生成速率的时刻是提前角为15°CA时；当喷油持续角为33°CA时，氧化速率大于生成速率的时刻是提前角为20°CA时。喷油持续期的延长，使得soot的形成时间加长，从而使soot排放量增大。

图6 不同预喷策略下的IBE15燃料排放特性

图7 不同喷油持续期的IBE15燃料燃烧特性

图8 不同喷油持续期的IBE15燃料排放特性

3 结 语

通过对IBE混合燃料在船用柴油机中的燃烧与排放特性研究，得到以下认识：

(1) 当喷油时刻提前时，缸内压力峰值有所升高，压力峰值及放热相位均有所提前，且NOx的排放量加大，soot的生成受到抑制。

(2) 当有预喷时，缸内最高压力下降，NOx、soot的排放量均小幅下降。

(3) 随着喷油持续期的增长，缸压峰值降低，最高燃烧温度下降，且NOx的排放量显著下降，soot的排放量增大。