小型农用柴油机甲醇/生物柴油燃烧与排放模拟

李瑞娜，王 忠，侯令川，李铭迪，赵 洋

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)

小型农用单缸柴油机是我国农业植保机械的主要动力.在我国的蔬菜大棚种植、水产养殖等领域，发挥了很大作用.随着我国节能和环保要求的提高，生物柴油、醇类燃料在小型农用单缸柴油机上逐步得到应用.

生物柴油是一种含氧燃料，理化特性与柴油相近，在国内外有较多的研究和应用［1-2］.我国甲醇产量较大，价格低.在柴油机上掺烧甲醇，可降低燃料的密度和黏度，提高燃料的汽化潜热和含氧量，改善燃料的雾化性能，降低 NOx和碳烟排放［3-4］.柴油机可以采用缸内喷射和进气道喷射的方式燃烧甲醇，也可以采用直接混合的方式.直接混合的方式，柴油机结构无需改变，燃料配制方便，适合应用在农用柴油机上应用.

国内外学者对柴油机燃用甲醇掺混燃料的燃烧特性和排放已有较多的研究［5-6］，结果表明:随着甲醇添加比例的增加，柴油机滞燃期延长，缸内最大压力降低;低负荷时，HC排放增加，CO，NOx和烟度降低.K.Anand等［7］针对四缸涡轮增压柴油机的研究表明:与生物柴油相比，当甲醇添加10%时，最大热效率可增加4.2%，NOx和碳烟最多可降低37.3%，96.4%.对于直接掺混燃料甲醇的方法，当甲醇的掺混比例在10%～15%时，柴油机的缸内最大压力升高率有所提高，但不致引起柴油机工作粗暴，排放污染物中 NOx和碳烟得到改善［8-9］.同时，国内外学者对柴油机燃用甲醇的燃烧过程、排放也开展了一些数值模拟工作.姚春德等［8］对现有的2步碳烟模型进行修正，建立了柴油、甲醇组合燃烧的碳烟排放模型.赵福全等［9］对柴油机燃用乙醇/柴油的性能进行了模拟，结果表明:随着乙醇比例的增加，缸内温度和压力降低，NOx和碳烟降低.

笔者为考察生物柴油直接掺混甲醇在农用柴油机上的应用，针对186FA柴油机建立燃烧、排放计算模型，将实测排放值与模拟值进行对比，对所建立模型进行验证.考察柴油机燃用甲醇/生物柴油的燃烧特性、缸内温度场、污染物浓度，探讨甲醇降低NOx和碳烟的原因.

1 计算模型

1.1 计算子模型

将甲醇掺混比例为15%的甲醇/生物柴油混合燃料记为BM15.为准确模拟柴油机燃用生物柴油和BM15时，柴油机缸内流场的变化、燃烧过程以及污染物的浓度变化，喷雾模型选用离散液滴模型，燃烧模型选用湍流控制燃烧模型，排放模型选用扩展的Zeldovich模型.

1.2 网格建立

以186FA柴油机燃烧系统为研究对象，进行建模.186FA柴油机压缩比为19，标定转速为3600 r·min-1，标定功率为6.3kW.柴油机采用螺旋气道.根据喷油器的喷孔数(5孔)，将燃烧室沿周向均分为5份，建立其中1份即72°的扇形计算网格.网格平均大小为0.8mm，生成上止点时刻燃烧室的二维静态网格，周向划分为17份，生成随曲轴转角运动的3维网格，活塞上止点时的燃烧室网格总数为15632，下止点时的为67267，燃烧室网格如图1所示.

图1 燃烧室网格

1.3 初始条件和边界条件

初始条件主要包括计算起止角度、进气门关闭时缸内的温度、压力和涡流比以及所燃用的燃料;边界条件主要包括燃烧室的壁面温度和壁面移动速度.

活塞上止点对应的曲轴转角设为360.0°(文中除特别说明的角度外，均指曲轴转角)，数值模拟的起止角度分别设为224.5°(进气门关闭)、484.5°(排气门打开).依据186FA柴油机的试验结果，进气门关闭时缸内的温度、压力分别设为333.15K，0.111MPa［10］，涡流比设为 2.5，湍动能 TKE 和湍流尺度TLS如下:

式中u'为湍流脉动速度.

式中:h为冲程;n为转速.

式中hv为气门最大升程.

生物柴油和BM15的低热值分别设为36.4，33.9MJ·kg-1，燃油温度均设为323.15K.生物柴油的弹性模量和密度较大，喷油始点有所提前，掺混醇类燃料后，弹性模量和密度降低，喷油始点相对滞后，参考现有研究结果，将生物柴油的喷油起止时刻分别设为346.4°，362.8°.BM15的喷油起止时刻分别设为 347.0°，364.5°［11-12］.缸盖下底面、活塞顶面和气缸壁面温度依据经验数据和软件推荐值，分别取 550，575，475K.

1.4 模型验证

为了对比柴油机燃用生物柴油和BM15，在n=3000r·min-1，Pe=5.7kW 工况时，NOx和 soot质量分数的模拟值与试验值，验证缸内燃烧过程数值模型的准确性，通过式(1)和式(2)将试验测得的NOx体积分数值换算为质量分数值，排气烟度值换算为soot质量分数值.

式中:wNOx，φNOx分别为 NOx的质量分数和体积分数;MNOx，Mr分别为NOx和排气的摩尔质量，分别取30.0，28.7g·mol-1.

式中:wsoot为soot的质量分数;SF为滤纸烟度，SF=0.935Rb+0.65，Rb为 Bosch烟度;ρr为排气密度，取0.483kg·m-3.

表1对比了燃用2种燃料时，排气中NOx和soot的质量浓度的测量值和模拟值.

表1 NOx和soot质量浓度的测量值与模拟值对比10-6kg·m-3

由表1可以看出:2种排放物的模拟值与测量值吻合良好;模拟值与测量值基本一致，建立的缸内燃烧过程计算模型能够较为准确地预测生物柴油和BM15的NOx和soot排放，验证了计算模型的正确性.

2 计算结果与分析

2.1 燃烧特性

2.1.1 气缸压力、压力升高率和放热率

n=3000r·min-1，Pe=5.7kW 工况时，柴油机燃用生物柴油、BM15时，气缸压力、压力升高率和放热率随曲轴转角变化的曲线如图2所示.

图2 气缸压力、压力升高率和放热率随曲轴转角变化的曲线

由图2可以看出:与燃用生物柴油相比，燃用BM15时，缸内最大爆发压力降低，最大压力升高率和最大放热率有所升高，对应的相位均有所后移;放热始点推迟2.8°，滞燃期延长2.2°.在生物柴油掺混15%的甲醇，降低了燃料的十六烷值，致使燃料的自燃着火性能变差，柴油机滞燃期延长，燃烧的放热始点对应的相位后移，缸内最大爆发压力、最大压力升高率和最大放热率的相位随之后移;由于混合燃料的雾化效果好，与燃用生物柴油相比，滞燃期内油气混合更均匀，使缸内最大压力升高率和最大放热率升高.由于预混燃烧期推后，活塞下行，使得缸内最大爆发压力有所降低.

2.1.2 缸内平均温度和温度场

n=3000r·min-1，Pe=5.7kW 工况时，柴油机缸内平均温度随曲轴转角变化的曲线如图3所示.

总体上看，柴油机燃用BM15的缸内平均温度比燃用生物柴油时低，最高平均温度相当，对应的曲轴转角推后0.9°.燃用BM15时，滞燃期延长，预混燃烧量增加，促使最高平均温度升高，但BM15中的甲醇汽化潜热较大，有助于降低缸内的燃烧温度，这2方面的综合作用使得燃用BM15时，缸内平均温度总体上呈降低趋势.

图3 缸内平均温度随曲轴转角变化的曲线

燃用2种燃料时370.0°～400.0°的缸内温度场分别如图4，5所示.可见，燃用BM15时，同一截面处的高温区域与燃用生物柴油时相比略有缩小，温度场内的最高温度有所降低.这主要是因为生物柴油掺烧15%的甲醇，燃料的雾化性能提高，与空气混合更为均匀，甲醇汽化时从周围环境中吸收了较多热量，使温度场内的高温区域缩小，最高温度降低.

图4 生物柴油缸内温度场随曲轴转角的变化

图5 BM15缸内温度场随曲轴转角的变化

2.2 NOx和soot排放

NOx的生成条件是高温富氧，soot的生成条件是高温缺氧.通常，柴油机的NOx和soot排放呈“此消彼长”的关系，而缸内燃烧温度和氧浓度是影响NOx和soot形成的重要因素.首先，对缸内O2的平均体积分数及浓度场进行了探讨.图6-8对比了柴油机燃用生物柴油、BM15时，缸内O2平均体积分数和浓度场随曲轴转角的变化.

图6 O2平均体积分数随曲轴转角的变化曲线

图7 生物柴油的O2浓度场随曲轴转角的变化

图8 BM15的O2浓度场随曲轴转角的变化

从图7，8可以看出:燃用 BM15时，347.0°～367.6°区间内的O2平均体积分数比燃用生物柴油时略高，367.6°之后比燃用生物柴油时低.对比370.0°～400.0°的O2浓度场可知:燃用 BM15时，O2低浓度区域比燃用生物柴油时有所扩大，表明BM15的耗氧量较生物柴油的有所增加.这主要是因为与生物柴油相比，BM15的循环供油量较大，雾化性能较好，导致燃油混合气浓度升高，分布区域扩大，消耗的氧气量随之增加.

图9对比了柴油机燃用生物柴油、甲醇/生物柴油时，缸内NOx平均体积分数随曲轴转角的转化.在同一曲轴转角时，柴油机燃用BM15的NOx平均体积分数比燃用生物柴油时低.NOx的生成条件是高温、富氧和高温持续时间.

由图4，7可知:与燃用生物柴油相比，柴油机燃用BM15时，缸内温度和O2体积分数均较低，使得NOx的生成受到抑制，平均体积分数降低.

图10对比了柴油机燃用生物柴油、甲醇/生物柴油时，缸内的soot平均体积分数.可以看出:柴油机燃用BM15时的soot平均体积分数比燃用生物柴油时明显下降.分析其原因，主要有以下3个方面:① 与生物柴油相比，甲醇蒸发性好，因此，BM15的雾化性能较好，燃料与空气混合更加均匀，减少了附着在燃烧室底部的燃油量，使得油气混合的过浓区域缩小;②BM15的含氧量相对较高，改善了油气混合过浓区域燃烧缺氧的状况;③甲醇分子中不含C—C键，燃烧过程中不易生成C2H2，C3H3等soot前躯体.

由柴油机燃用BM15时，OH自由基的体积分数变化曲线如图11所示，可知BM15在燃烧过程中产生了较多的OH自由基，OH自由基对C2H2，C3H3和已生成的soot具有很强的氧化作用［13-14］.通过以上分析可知:柴油机燃用甲醇/生物柴油，可以使soot的生成量降低.

图9 NOx平均体积分数随曲轴转角变化的曲线

图10 soot平均体积分数随曲轴转角变化的曲线

图11 OH平均体积分数随曲轴转角变化的曲线

3 结论

1)建立了186FA柴油机燃用生物柴油和BM15时的缸内燃烧过程计算模型，通过对比NOx和soot质量浓度的实测值和计算值，验证了所建立模型的正确性.

2)与生物柴油相比，柴油机燃用BM15时，缸内O2体积分数和温度均较低，抑制了NOx的生成;BM15的雾化性能好、含氧量高、燃烧过程中不易生成soot前驱体，减少了soot的生成量.因此，柴油机燃用BM15，可以有效改善NOx和soot排放.

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