正辛醇柴油机发电的喷射策略优化研究

王大健，于 笑，李 晶

(南京工业大学 机械与动力工程学院, 江苏省 南京市 211816)

1 引言

随着国民经济的飞速发展，内燃机发电应用范围越来越广泛[1]。在一些重要部门(如邮电、高层建筑、矿山、金融机构、商场、医院等)可以其作为备用应急电源；在军事上，随着我军装备现代化的发展，其应用范围也急剧扩大，成为各军兵种、各武器系统中(如导弹、高炮、通信、舰船、电子对抗等)不可缺少的重要装备；在满足特种用电(如海洋石油钻井平台、沙漠石油勘探、大型露天矿开采用移动电站)方面，内燃机电站也有其不可替代的地位[2]。然而，燃用传统燃料的内燃机发电势必会造成环境污染[3]和能源短缺[4]。

为了应对当今社会面临的能源和环境问题，我国将“碳达峰”、“碳中和”确定为国家自主贡献目标，这将对中国内燃机发电的发展产生深远影响。随着生物质能转换技术的发展，通过生物质能来发电的方式逐渐多样化[5]。大量研究表明，醇类燃料是生物质能中极具潜力的燃料[6]。在醇类燃料中，正辛醇因其高能量密度和高十六烷值而具有与柴油相近的燃料特性，被认为是醇类燃料中替代柴油的理想选择[7]。相比于传统燃料，醇类燃料不仅表现出比较优势的燃烧特性，并且能够通过木质纤维素生产得到，是可再生能源[8]。尽管醇类燃料燃烧会产生碳排放，但木质纤维素可进行光合作用，吸收CO2产生O2。对于整个碳循环生命周期而言，该过程实现了“零碳”排放[9]。因此，应用生物质内燃机对促进“双碳”的发展目标有着重要意义。

然而，传统内燃机的喷射策略是以柴油作为应用燃料进行设计的。若将使用燃料由柴油改为生物燃料，由于燃料物理化学性质改变会导致缸内混合气形成及燃烧过程发生变化，进而影响内燃机工作性能。因此，为使得生物质能柴油发电机实现较高的效率和较低的污染，需要对其喷射策略进行优化。大量研究表明，喷射正时(Start of Injection, SOI)对内燃机的效率、排放和经济性有很大影响[10-11]。黄禄丰等[12]发现改变内燃机SOI能够改善燃烧和排放特性。Arash，Tuan和Surya等[13-15]都研究提前SOI对内燃机的影响，结果显示在低负荷下提前SOI有利于提高内燃机的燃烧效率，降低NOx和soot排放。此外，喷射锥角对内燃机燃烧、排放特性的研究越来越受重视。Zhou等[16]研究了喷射锥角对柴油机燃烧及排放特性带来的影响。Shu等[17]基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)和简化化学动力学模型研究了喷油嘴喷射角对天然气/柴油双燃料内燃机燃烧和排放特性的影响。因此，优化SOI和喷油锥角进行优化对改善生物质内燃机的燃烧和排放特性具有重要意义。

因此，作者提出基于数值模拟及计算的正交设计法，研究正辛醇内燃机在1500r/min和2400r/min下，SOI和喷射锥角两个参数对内燃机燃烧和排放特性的影响，并优化喷射策略，获得最优工况。

2 研究方法

2.1 KIVA4-CHEMKIN

多维CFD是研究内燃机燃烧和排放特性的一种有效的方法[18,19]。采用KIVA-CHEMKIN耦合代码开展3-D内燃机燃烧过程模拟。KIVA[20]是基于Fortran语言编写的CFD计算代码。通过将CHEMKIN与KIVA耦合，可以实现详细的化学动力学计算。具体过程如图1所示。

图1 KIVA与CHEMKIN的耦合原理图Fig.1 Coupling schematic of KIVA and CHEMKIN

通过输入边界条件/初始条件(表1)和燃料参数，并对网格进行流场计算，当某一单元网格温度达到指定值，就会调用CHEMKIN[21]进行化学反应的计算。此时，KIVA将该单元网格的温度、压力、组分浓度等数据传递给CHEMKIN，CHEMKIN再结合化学反应机理和热力学数据构建常微分方程矩阵，采用化学反应求解器DVODE进行求解，求解得到的组分浓度及放热量将返回到KIVA，并进行下一个时间步长的计算。采用服务器单核模拟一个工况的计算时长大约为55小时。

为了提高模拟内燃机燃烧过程的可靠性，本研究采用Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor(KH-RT)破碎模型代替了原有的Taylor Analogy破碎模型，更准确地模拟了破碎过程。采用RNG k-ε模型用于湍流计算[22]。此外，值得注意的是KIVA模拟了液滴碰壁后可能形成的油膜的流动现象，为保持与喷雾模拟时离散液滴模型的一致性，对油膜的模拟仍采用离散液滴模型，而液滴粒子半径服从关于索特平均粒子半径的罗辛拉姆勒分布规律。模拟的具体值如表1所示。

表1 模拟的边界条件/初始条件Tab.1 Boundary conditions / initial conditions of simulation

2.2 正辛醇燃料模型

将Wang等人[23]构建的正辛醇骨架机理与KIVA-CHEMKIN耦合，实现正辛醇燃烧化学反应动力学模拟。该机理包括87个组分和422个基元反应。现简要介绍该机理在低温和高温条件下的主要反应路径。

1)低温燃烧主要路径。一开始大部分正辛醇是通过脱氢反应(1)来消耗的，此时生成了大量的C8H16OH。然后C8H16OH自由基被氧化反应(2)，生成的氧化物再进一步发生异构化反应(3)，然后异构化生成物会再次被氧化反应(4)。此时生成的氧化物通过反应(5)和反应(6)生成羰基羟烷基氢过氧化物(C8KET)。最后，C8KET裂解形成小分子物质。

RH+OH=R·+H2O

(1)

R·+O2=ROO·

(2)

ROO·=·QOOH

(3)

·QOOH+O2=·OOQOOH

(4)

·OOQOOH= 羰基羟烷基氢过氧化物 + ·OH

(5)

·QOOH+O2= 羰基羟烷基氢过氧化物 +H2O

(6)

2)高温燃烧主要路径。与低温燃烧相比，高温燃烧遵循不同的反应路径。首先大部分正辛醇燃料也是通过脱H反应生成C8H16OH自由基。然后，一部分C8H16OH自由基会通过反应(2)被氧化，然后通过一系列裂解反应转化成小分子物质。另一部分C8H16OH自由基会直接通过一系列裂解反应分解成小分子物质。因此，在高温条件下，燃料裂解成小分子物质的路径起着主要作用。

此外，正辛醇的热物理性质，如沸点、汽化潜热、密度、粘度等，已添加到KIVA的燃料库中[24]。

2.3 内燃机燃烧室模型

以某单缸柴油机为原型[25]，基于Wang等[23]优化的燃烧室，进一步对内燃机的喷射策略进行优化。上止点处的燃烧室网格如图2所示，内燃机规格见表2。

图2 上止点处的燃烧室网格Fig.2 Combustion chamber grid at TDC

表2 内燃机的配置参数Tab.2 Configuration parameters of engine

由于喷油器有8个均匀分布的喷油孔，为了节省数值模拟时间，因此本文建立了一个45°扇形的网格。通过开展网格独立性验证[23]，最终选定的网格在燃烧室碗状部分的精度为每格r =1.36mm、θ= 2.81°、z =1.01mm。此时，上止点和下止点处的网格数分别为4800和12400。

2.4 模型验证

为了验证KIVA4-CHEMKIN中的模型和机理，将Kerschgens等人[25]的实验数据与表3条件下的数值模拟结果进行比较。图3比较了选定条件下的实验和数值模拟结果之间的缸内压力和热释放率(Heat Release Rate, HRR)。模拟的峰值压力和HRR可以很好地再现实验中的总体趋势，实验和模拟结果吻合得很好。

表3 内燃机实验工况Tab.3 Load points of experiments

图3 不同工况下的实验与模拟的缸压和热释放率对比Fig.3 Comparison of in-cylinder pressure and HRR between experiment and simulation under different cases

2.5 正交设计方案

在1500r/min和2400r/min两种工况下，采用正交设计法，通过同时改变SOI和喷射锥角两个因素，设计了全因素试验工况140组。其中，SOI的范围为-3°ATDC ～ -12°ATDC，间隔为1°ATDC，共10个水平数；喷射锥角的范围为73.5° ～ 79.5°，间隔为1°，共7个水平数，如表4所示。然后，基于KIVA-CHEMKIN开展数值模拟计算，分别获得两个转速下的最优工况，并研究喷射锥角和SOI对正辛醇内燃机在燃烧和排放特性的影响。

表4 正交试验表格Tab.4 Orthogonal design table

3 结果与讨论

3.1 喷射策略

3.1.1 低转速喷射策略

如图4所示，在1500r/min下不同喷射策略的最大压力升高率(Maximum Pressure Rise Rate, MPRR)，指示功率Pi，NOx和CO的云图。首先为了保证内燃机正常工作，MPRR不宜过高，否则缸内易发生“爆震”。从图中可以观察到SOI为 -10°ATDC附近的MPRR较小。此外，应尽可能提高内燃机的功率，从图中可以看出在SOI为-10°ATDC时，喷射锥角为74.5°和77.5°时的功率较高。然而，喷射锥角为74.5°时产生的CO和NOx排放更低。因此，在1500r/min下，SOI为-10°ATDC、喷射锥角为74.5°时是最优工况。

图4 在1500r/min下的(a)MPRR、(b)功率、(c)NOx排放和(d)CO排放的云图Fig.4 Contour plots of (a) MPRR, (b) Power, (c) NOx and (d) CO at 1500r/min

3.1.2 高转速喷射策略

如图5所示，在2400r/min下不同喷射策略的MPRR，指示功率Pi，NOx和CO的云图。

图5 在2400r/min下的(a)MPRR、(b)功率、(c)NOx排放和(d)CO排放的云图Fig.5 Contour plots of (a) MPRR, (b) Power, (c) NOx and (d) CO at 2400r/min

从图中可以发现，2400r/min下，SOI对内燃机燃烧及排放特性的影响效果远远高于喷射锥角的影响效果。依据1500r/min下选取最优工况的分析策略，可以看到在SOI为 -9°ATDC时，能够保证MPRR较低且功率较高，同时NO和CO排放均在可接受范围。此外，考虑到喷射锥角对2400r/min工况下的影响较小，而在1500r/min下喷射锥角为74.5°，因此，2400r/min下，SOI为-9°ATDC、喷射锥角为74.5°时能够获得最优工况。

3.2 喷射锥角的影响

3.2.1 缸压和热释放率

图6为不同喷射锥角对燃烧室缸压和热释放率的影响对比图，其中1500r/min和2400r/min的SOI分别为-10和-9°ATDC，即取自不同转速的最优工况。

图6 不同喷射锥角在(a)1500r/min和(b)2400r/min下的缸压和热释放率对比图Fig.6 Comparison of in-cylinder pressure and heat release rate with different the spray angles at (a)1500r/min and (b) 2400r/min

从图6(a)中可以看出，在1500r/min下，当喷射锥角大于75.5°时，随着喷射锥角的增大，缸压峰值逐渐降低，且当喷射锥角为79.5°时，缸压峰值最低。随着喷射锥角增大，燃料可能会喷射到气缸壁上，不利于燃料蒸发气化，并参与燃烧，因此会导致燃料燃烧不充分，进而压力峰值和热释放率峰值均有所下降。

从图6(b)中可以看出，在2400r/min下，喷射锥角对缸压和热释放率的影响较小。与1500r/min获得的结果不同，喷射锥角较大时并没有观察到明显的缸压峰值降低。这主要是因为高转速下喷射燃料量及喷油持续期更长，燃烧呈现出预混和扩散燃烧两个阶段，即部分燃料在点火后才喷入气缸，而这部分燃料并不会喷射到气缸壁上。此外，高转速下燃烧室内的挤流强度增大，有利于燃料雾化，避免了燃料喷射到气缸壁。因此，在高转速下，增大喷射锥角对缸压及热释放率的负作用小于低转速情况。

3.2.2 NOx和CO排放

如图7所示在1500r/min和2400r/min转速下不同喷射锥角对NOx和CO排放的影响。

图7 不同喷射锥角在1500r/min和2400r/min下的NOx排放和CO排放对比图Fig.7 Comparison of NOx emission and CO emission at1500r/min and 2400r/min with different the spray angles

从图中可以看出，转速为1500r/min时，79.5°的喷射锥角会导致生成大量的CO，而此时NOx排放最低。当喷射锥角为79.5°时，因为部分燃料喷射到气缸壁，导致其周围出现富燃区，有利于CO的生成。也是由于部分燃料未能参与完全燃烧，导致缸内温度下降，抑制了NOx的生成。转速为2400r/min时，喷射锥角对NOx和CO排放的影响较小。

3.2.3 发电功率分析

柴油发电机组的发电功率是由柴油机的功率所决定的。发电功率可以写成：

P=Pi·η

(1)

式中：P柴油发电机组的发电功率，Pi是柴油机指示功率，η是柴油机带动的发电机的效率，该数值一般在93%～98%之间，本文为了便于分析，这里取η=95%。

如图8所示在1500r/min和2400r/min转速下喷射锥角对发电功率的影响。转速为1500r/min时，喷射锥角能够对功率产生较为明显的影响。其中，当喷射锥角变为79.5°时，功率明显下降，该结果也能够从缸压曲线推断得出，这主要是由于燃料喷射到气缸壁上，导致燃料无法充分燃烧。

图8 不同喷射锥角在(a)1500r/min和(b)2400r/min下的发电功率对比图Fig.8 Generating power comparison of different the spray angles at (a) 1500r/min and (b) 2400r/min

转速为2400r/min时，喷射锥角对发电功率的影响较小。这是由于高转速下避免了燃料喷射到气缸壁的情况。此外，不同喷射锥角下的缸压曲线(图5)也几乎重叠，也能够推断出喷射锥角对功率影响较小。

3.3 SOI的影响

3.3.1 缸压和热释放率

图8对比了不同SOI下的缸压和热释放率，其中喷射锥角固定为74.5°，即取自不同转速的最优工况。

如图9(a)所示，转速为1500r/min时，随着SOI的提前，着火时刻提前，且压力峰值增大。这是因为SOI提前，燃烧相位更接近上止点，此时缸内的压力及温度最高，有利于燃料更充分地燃烧，因此可以观察到SOI提前会导致缸压峰值增大。

图9 不同SOI在(a)1500r/min和(b)2400r/min下的缸压和热释放率对比图Fig.9 Comparison on in-cylinder pressure and heat release rate at (a) 1500r/min and (b) 2400r/min with different SOI timings

如9(b)所示，转速为2400r/min时，观察到的现象与1500r/min时基本一致，且该影响更为明显。这主要是因为高转速下的缸压及温度更高，提前SOI导致燃烧相位靠近上止点更有利于燃料充分燃烧。

3.3.2 NOx和CO排放

如图10所示在1500r/min和2400r/min转速下不同SOI对CO和NOx排放的影响。在两个转速下可以观察到相似的结果。总体来看，随着SOI的提前，CO排放呈现逐渐减少的趋势，NOx排放呈现逐渐增多的趋势。从前文分析可知，随着SOI提前，缸压峰值增大，表明缸内燃烧温度更高，而高温有利于NOx生成。于此同时，高温有利于CO的氧化。因此，SOI提前会减少CO排放，但不可避免地导致NOx增多。

图10 不同SOI在1500r/min和2400r/min下的NOx和CO对比图Fig.10 Comparison of NOx and CO at 1500r/min and 2400r/min with different SOI timings

综上所述，SOI比喷射锥角对内燃机的燃烧和排放性能的影响更大。提前SOI有利于燃料充分燃烧，燃烧效率提高，所生成的NOx较多，但是可以有效地降低CO的排放。

3.3.3 发电功率分析

应用公式(1)计算内燃机发电机组的发电功率。如图11所示的1500r/min和2400r/min下不同SOI对发电功率的影响。转速为1500r/min时，随着SOI的提前，功率先增大后减小。因为SOI从-3°ATDC逐渐提前，导致燃烧相位靠近上止点，有利于输出正功；但当SOI为-11°ATDC时，燃烧时刻早于上止点，此时燃烧的热能推动活塞做负功，不利于热能转化为机械能，因此导致功率降低。

图11 不同SOI在(a)1500r/min和(b)2400r/min下的发电功率对比图Fig.11 Generating power comparison of different SOI timings at (a) 1500r/min and (b) 2400r/min

转速为2400r/min时，随着SOI的提前，功率逐渐增大。从缸压图可以看出，高转速时，SOI为-12°ATDC时，着火点仍然未早于上止点，不存在负功情况，因此，随着SOI提前，压力峰值增大，有利于提高发电功率。

3.4 内燃机优化工况选取

本研究基于Wang等[23]获得的优化燃烧室进行喷射策略优化研究，并对比原始燃烧室确定优化工况。在1500r/min下，可以确定SOI为-10°ATDC、喷射锥角为74.5°的工况为最优工况。在该最优工况下，发电功率可提高3.71%，MPRR可降低36.78%，NOx排放略有增大，CO排放不变。在2400r/min下，可以确定SOI为-9°ATDC、喷射锥角为74.5°的工况为最优工况，此工况下发电功率可提高2.72%，MPRR可降低6.76%，NOx排放降低24.08%，CO排放降低51.93%。具体数值见表5。

表5 不同转速下MPRR、发电功率、NOx和CO排放变化趋势Tab.5 Change trend of MPRR, generating power, NOx and CO emissions at different engine speeds

4 结论

本研究是在发展“双碳”目标的背景下，以生物质柴油发电机为研究对象，基于KIVA-CHEMKIN数值模拟程序，结合正交设计法，研究在不同转速下喷射锥角和喷射正时(SOI)对柴油机燃烧及排放特性的影响，从而获得较好的发电功率。主要获得以下结论：

(1)喷射锥角在1500r/min转速下对内燃机的燃烧和排放性能影响较大，喷射锥角过大，会导致燃油喷射在缸壁上，进而引起内燃机性能下降、CO排放升高等问题。在2400r/min下，喷射锥角影响不明显。

(2)在1500r/min和2400r/min下，提前SOI都有利于燃料充分燃烧，内燃机性能提高，并有效地降低了CO排放，但是会导致NOx排放增加。

(3)在1500r/min工况下，当SOI为-10°ATDC、喷射锥角为74.5°时，内燃机的表现更好，其中发电功率提升了3.71%，MPRR降低了36.78%，NOx的排放略有增大，CO排放维持不变；在2400r/min工况下，当SOI为-9°ATDC、喷射锥角为74.5°时，发电功率可提高2.72%，MPRR可降低6.76%，NOx排放降低了24.08%，CO排放降低了51.93%。