高原低氧环境下含氧燃料对柴油机工作过程的影响

龙佳庆， 陈贵升， 沈颖刚， 陈春林， 李伟东

(1. 柳州职业技术学院， 广西 柳州 545005； 2. 昆明理工大学云南省内燃机重点实验室， 云南 昆明 650500)



高原低氧环境下含氧燃料对柴油机工作过程的影响

龙佳庆1， 陈贵升2， 沈颖刚2， 陈春林2， 李伟东2

(1. 柳州职业技术学院， 广西 柳州 545005； 2. 昆明理工大学云南省内燃机重点实验室， 云南 昆明 650500)

以高原共轨柴油机为研究机型，根据台架试验和发动机结构参数，运用AVL Fire构建其燃用B100(纯生物柴油)和B70N30(体积70%生物柴油+30%正丁醇)的三维CFD模型，并进行验证。利用该模型对比研究了不同海拔氧浓度对发动机燃用不同含氧燃料工作过程的影响规律，并在此基础研究了B70N30耦合EGR对发动机的影响机理。计算结果表明：相比D100(纯柴油)，B100和B70N30的缸内局部当量比降低，活性自由基(OH，O)浓度及其缸内分布区域增大，从而导致NO排放升高，但同时使CO生成量峰值减小，Soot和CO缸内分布区域以及排放终值都随大气氧浓度的降低而显著减少；相比B100，B70N30因汽化潜热增大，其NO排放降低，但原子氧的增加导致Soot和CO同时降低；对于B70N30，随EGR率增大，NO大幅度降低，CO显著升高，而Soot因滞燃期延长变化较小。

高原； 生物柴油； 正丁醇； 工作过程； 数值模拟

我国具有地区之间海拔环境差异大、高原占地面积广的地理特点。研究表明，随海拔高度增加，空气密度、大气压力和大气内氧浓度同时大幅降低[1]。汽车发动机因进气氧含量减少会出现动力性与经济性下降、炭烟(Soot)排放快速升高等严重问题[2]。废气再循环(EGR)能有效抑制NOx生成，是现代先进汽车发动机满足超低排放法规(如欧6)不可或缺的重要技术[3-5]。但EGR参与燃烧会带来缸内氧浓度降低，导致Soot增加等问题，这在空气稀薄的高原低氧环境下更为突出。

研究表明，采用含氧燃料可以在一定程度上弥补进气分子氧含量的不足，有效抑制柴油发动机在高原缺氧环境与低温燃烧中Soot的生成[6-7]。正丁醇(n-Butanol)是近年来国内外广泛关注的一种低十六烷值新型生物含氧燃料，目前其化学反应动力学机理研究已有较大发展[6,8-9]。相对于乙醇，正丁醇具有与柴油互溶性好、热值高、润滑性提高等优点。因此，目前正丁醇被认为比生物乙醇更适合作为车用发动机的替代燃料[10]。但其辛烷值较高，直接在柴油机上应用难以压燃，故其适合与高十六烷值燃料掺混燃烧。正丁醇黏度低于柴油，其含氧质量分数(21.6%)高于生物柴油，且与生物柴油互溶性好[11]，而生物柴油具有十六烷值和黏度较高等特点[12-13]。因此，正丁醇与生物柴油掺混后的燃料特性更适合于高原柴油机及其低温燃烧模式。

本研究在生物柴油中掺混正丁醇，以数值模拟为研究手段，拟通过研究不同海拔大气氧浓度与不同EGR率对现代共轨柴油机燃用不同特性含氧燃料的燃烧过程和排放物生成的影响机理，探寻适应于高原柴油机高效清洁燃烧的燃料特性。

1 试验设备及试验方法

试验发动机为D19高压共轨柴油机，其主要参数见表1。

发动机台架试验是在海拔2 km的高原大气环境下进行，当地大气压为81 kPa。在转速2 200 r/min,不同负荷下对柴油机燃用纯石化柴油(D100)、纯生物柴油(B100-菜籽油)和B70N30(体积分数70%生物柴油+30%正丁醇)时的燃烧与性能(未引入EGR)进行测定，用于CFD模型构建与验证。试验按国家标准对D100和B100理化特性进行了测定。B70N30重要特性参数(如低热值、氧含量和密度等)根据正丁醇和B100理化参数计算得到。不同试验燃料的理化特性参数详见表2[6,8,14-15]。

表1 试验发动机主要参数

表2 试验用燃油主要理化参数

由表2可知，相对于B100，B70N30的氧含量增高，低热值、密度和硫含量同时降低。正丁醇十六烷值和黏度低于D100和B100，但是汽化潜热较高。因此相对于B100，B70N30具有十六烷值低、黏度更接近D100，且汽化潜热相对B100增大的特点。

2 三维CFD模型的构建与验证

2.1 模型构建及计算边界

首先根据D19柴油机参数以及试验台架布置，借助AVL BOOST构建了整机一维仿真模型(见图1a)，为三维模型提供准确的进气门关闭时刻边界条件。然后依据D19燃烧室几何尺寸，利用CAD绘制燃烧室的轮廓线，并将其导入AVL FIRE 2013的ESE Diesel前处理模块，设置燃烧室参数，绘制二维网格，同时生成燃烧室的三维六面体动态网格。采用6孔喷油器，喷孔直径为0.219 mm，喷雾锥角为156°。为节省计算时间，生成的计算网格为1/6模型(见图1b)，平均网格大小为0.8 mm，所建模型在上止点时的网格数为15 325个，在下止点时网格数为30 400个。

图1 发动机一维和三维仿真模型

在三维CFD计算初始条件中，根据试验实测缸内压力以及一维仿真模型计算值，确定进气门关闭时刻的初始进气压力与温度。燃油机理选用AVL FIRE中内嵌生物柴油与正丁醇简化机理。选用连续性方程、标准κ-ε模型以及能量守恒方程，建立气体流动的CFD模型。由于使用ESE模块生成的三维动态网格质量较好，所以对离散方程选用默认的参数便能保证计算的正常收敛。

正丁醇的黏度和密度有一定降低，同时挥发性均比石化柴油低(见表2)，因此，正丁醇燃油物理特性对雾化特性及其发展历程有一定影响。但正丁醇与柴油一样，同属液体燃料,且物理特性相对柴油并未发生根本变化，同时考虑到生物柴油与正丁醇混合后是多组分混合燃料，因此燃油喷雾的相关模型在AVL FIRE中选择设置如下：燃油蒸发模型选用Mulit-component模型;燃油破碎模型选用液体燃料广泛使用的Wave模型(该模型预测结果可靠，适用于多喷孔的柴油机)；湍流扩散模型选用AVL FIRE的推荐设置Enable;粒子相互作用模型选用O’Rouke模型，碰壁模型选用walljet模型。

此外，火焰模型选用ECFM-3Z模型，包含预混合燃烧和扩散燃烧，并以扩散燃烧为主。着火模型选用Two-stage模型，能够考虑冷火焰着火和主着火两阶着火过程。对于排放生成，Soot和NO排放模型分别选用Hiroyasu-NSC和Extended Zeldovich+partial equilibrium，所选模型能够根据相关参数进行修正，以提高预测精度。

2.2 计算工况点与模型的验证

根据试验发动机(单级废气涡轮增压)的台架试验,选择计算工况点(见表3)。

表3 发动机计算工况

为消除不同燃料因低热值差异而导致的发动机燃烧过程差别，在D100，B100和B70N30 3种燃料总热量相同情况下进行计算，即根据生物柴油、正丁醇的体积掺混比、密度和低热值(见表1)计算后得到与D100的每循环4.5 mg总能量相同的实际燃油量。因此，在CFD模型燃料模块设置中，实际D100油量设置为4.5 mg/循环，折合计算得到B100实际油量为5.02 mg/循环，B70N30为5.22 mg/循环。计算区域设置为进气门关闭时刻(-127°ATDC)至排气门开启时刻(147°ATDC)之间的区域。根据台架试验与一维模型计算，确定在海拔2 km无EGR时的进气初始压力(进气门关闭时刻)为0.175 MPa，初始温度为100 ℃。

基于构建的三维CFD模型，对试验工况燃用B100和B70N30两种燃料进行模拟计算，将缸内压力曲线与试验值进行对比(见图2)。从图中计算值与试验值的对比结果可知，模型计算结果与试验值的重合度总体较好，表明本研究所构建的发动机三维CFD模型、初始与边界条件的设置均较为准确，能够满足对真实发动机仿真计算的要求。

图2 B100和B70N30缸压的试验值与计算值对比

基于上述模型，研究了不同海拔(0 km，2 km和4 km)下大气氧浓度(见表4)对发动机工作过程的影响规律，不同氧浓度条件的进气组分及其参数见表5。

表4 大气环境关键参数随海拔高度变化的规律

表5 不同氧浓度条件的进气组分及其组成比例(无EGR)

3 计算结果与分析

3.1 不同海拔大气氧浓度对含氧燃料排放的影响

图3和图4分别示出了不同海拔下柴油机燃用D100，B100和B70N30 3种燃料NO和Soot的变化曲线。

图3 进气氧浓度对不同燃料NO排放的影响

图4 进气氧浓度对不同燃料Soot排放的影响

由图3可知，随进气氧浓度的增加，3种燃油的NO排放均大幅增加，且在中、低海拔(大气氧浓度大于17.8%)时的增幅更大。这是由于NO的生成条件是“高温富氧”，随进气中含氧量的升高，缸内高温富氧区域增加，NO排放显著升高。而大气氧浓度较低(14.6%～17.8%)时，燃料燃烧不完全，放热率较低，缸内燃烧温度低，因而NO生成量低；当大气含氧量升高至17.8%以后，缸内燃空当量比降低，局部富氧高温区域增加，导致NO排放量随氧含量增加而急剧上升。此外，B70N30的NO排放量在任何进气氧浓度下都低于B100。这是因为正丁醇虽然氧含量比生物柴油高，但是它的汽化潜热较高，燃烧温度低，NO生成量比生物柴油低，且其差距随大气氧浓度的增加而增大。

图5示出了不同进气氧浓度下，3种燃料的CO排放变化对比。从图5可知，随着缸内含氧量的降低，3种燃料的CO排放量由于缺氧而大幅升高。而采用含氧燃料B100和B70N30可有效抑制CO生成。相比B100，正丁醇因汽化潜热增大会导致B70N30缸内燃烧温度下降，但其本身更高的含氧量最终导致其CO排放量仍低于B100。

图5 进气氧浓度对不同燃料CO排放的影响

3.2 高原缺氧环境下不同含氧燃料排放生成机理 在大气氧体积分数为17.8%(对应2 km海拔)条件下，针对含氧燃料特性对高原柴油机的缸内重要活性自由基和有害排放产物生成历程的影响规律和作用机理进行了模拟研究。

图6示出了D100，B100和B70N30在进气氧浓度为17.8%时，缸内活性自由基(OH，O)的浓度分布规律。图7和图8分别示出了3种燃料在进气氧浓度为17.8%时，缸内Soot和CO的浓度分布规律。

图6 进气氧浓度为17.8%时，不同燃料缸内自由基分布

图7 进气氧浓度为17.8%时，不同燃料缸内Soot生成

图8 进气氧浓度为17.8%时，不同燃料缸内CO生成

由图6、图7和图8可知，相比B100，B70N30由于原子氧含量增大，滞燃期延长，缸内局部当量比降低(尤其在喷雾油束中心区域)，重要活性基(OH,O)增多，缸内Soot和CO生成区域明显减少且浓度降低，排放终值同时下降。从图8可知，发动机燃用D100相比于B100和B70N30虽然滞燃期较长，但含氧燃料内部原子氧仍大于D100因滞燃期延迟而增加的混合气氧含量，其局部高燃空当量比区域较少，OH和O自由基生成量大于D100，Soot的主要生成区(燃烧室中心、活塞凹坑底部和挤流区域)面积小，最终导致B100和B70N30炭烟生成量峰值与排放终值较低。中间产物CO向CO2转化主要取决于缸内燃烧温度与当量比，其生成与氧化的温度阈值低于Soot。由图8还可知，B70N30的CO生成量峰值和排放终值随燃料含氧量的增加而升高，呈现出与Soot相同的变化规律。分析认为，低氧环境下使用含氧燃料使不能完全燃烧的低温区域减少，CO氧化变强。而D100的滞燃期延长会使更多燃料喷雾蒸发扩散至靠近缸壁附近的挤流低温区域，从而导致CO生成区域增多。

3.3 EGR率对B70N30排放物生成历程的影响

研究表明， CO2是EGR中主要成分且对发动机燃烧过程影响极大[3,5]。本研究在Fire 初始边界模块中设置进气成分比例，通过降低O2浓度并利用相同体积CO2替代，以此来模拟不同EGR率，研究EGR与含氧燃料耦合对高原低氧环境下柴油机工作过程的影响规律与机理。模拟EGR率的定义采用以下公式：

图9示出了进气压力为0.145 MPa时(海拔4 km)，不同EGR率(0%，22.8%，45%，初始进气中的CO2质量分数分别对应为0%，3.4%，7%)对B70N30燃烧峰值温度出现时刻缸内温度场的影响规律。

图9 EGR率对缸内温度场的影响

由图9可知，随EGR率增大，因缸内氧浓度下降和比热容较大的工质(CO2)增多，燃烧相位推迟，缸内燃烧高温区域显著减少。

图10示出了EGR率对缸内压力和瞬时放热率的影响规律。图11至图14分别示出了不同EGR率对B70N30缸内燃空当量比分布、活性自由基分布以及NO，Soot与CO生成历程的影响规律。

图10 EGR率对B70N30燃烧过程的影响

由图10可知，随EGR率增大，B70N30的滞燃期延长，预混燃烧增加，燃烧重心后移，导致缸内最高燃烧压力降低。

由图11a可知，随EGR率增大，由于滞燃期延长，燃油蒸发扩散至更大空间，从而导致在进气氧浓度降低时缸内油气混合更加均匀，局部高燃空当量比区域减少。由图11b可知，在燃烧开始时刻，缸内OH和O自由基因滞燃期延长、油气低温化学反应时间增加，其生成区域(集中于喷雾油束扩散区域)随EGR率增大而增多。但当EGR率进一步增大时(如EGR率为45%)，氧浓度和压缩温度降低使缸内OH和O自由基生成区域明显减少。随燃烧过程发展，伴随生成与消耗历程，OH和O主要分布于活塞凹坑底部沿碰壁处与挤流区域，其浓度随EGR率增大而明显降低。

由图12可知，B70N30的NO随EGR率增大显著降低，在EGR率增至45%时接近零排放。其主要原因是缸内氧浓度和燃烧温度降低导致高温(2 200 K以上)富氧区域大幅减少。

图11 EGR率对燃空当量比和活性基分布的影响

图12 EGR率对NO生成历程的影响规律

由图13可见，随EGR率增大，B70N30的Soot生成量峰值增大且出现相位推迟，但其排放终值变化不大。这主要因为EGR率增加使着火滞燃期延长，油气混合更为均匀，Soot生成出现峰值时刻推迟且此时刻缸内当量比减小(见图11)，加之燃烧温度降低，适宜其生成的高温过浓区域减少(尤其在油束扩散区域较为明显)。随着燃烧过程发展，缸内氧浓度和燃烧温度降低，活性自由基(OH和O)减少，Soot后期氧化变弱，在生成与氧化综合作用下，其排放终值随EGR率增大变化较小，缸内分布区域及浓度变化不明显。

图13 EGR率对Soot生成历程的影响规律

由图14可见，对于CO排放，由于燃烧温度和氧浓度下降，不完全燃烧的低温区域增加使其生成量峰值随EGR率增加而升高，同时EGR增加削弱了燃烧后期CO向CO2转化的氧化过程，其生成区域增多(扩散至挤流区域与气缸壁面附近区域)且排放浓度升高，导致其排放终值随EGR率增大而显著升高。

图14 EGR率对CO生成历程的影响规律

4 结论

a) 随海拔大气氧体积浓度的降低，柴油机燃用不同燃料时的NO都呈快速降低趋势，但炭烟和CO排放同时升高，且增幅随大气氧浓度的减小而越加明显；

b) 相比D100，B100和B70N30缸内局部当量比降低，活性自由基浓度及缸内分布区域增大，从而导致NO排放升高，但同时使CO生成量峰值减小，Soot和CO缸内分布区域及排放终值都随大气氧浓度的降低而显著减少；

c) 相比B100，B70N30因汽化潜热增大，其NO排放降低，但原子氧的增加导致Soot和CO排放同时降低，尤其在低氧浓度条件(低于17.8%)下更为明显；

d) 对于B70N30，随EGR率增大，NO大幅度降低，CO显著升高；同时，Soot排放比无EGR时虽有增加，但是变化较小。

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[编辑： 姜晓博]

Influence of Oxygen-enriched Fuel on Diesel Engine Working Process under Hypoxia Condition at Plateau

LONG Jiaqing1, CHEN Guisheng2, SHEN Yinggang2, CHEN Chunlin2, LI Weidong2

(1. Liu Zhou Vocational & Technical College, Liuzhou 545005， China； 2. KunMing University of Science and Technology, Key Laboratory of Internal Combustion Engine of YunNan Province, Kunming 650500， China)

A 3D CFD model of common rail diesel engine fueled with B100 pure bio-diesel and B70N30 blended fuel composed of 70% bio-diesel and 30% butanol was built according to the bench test and engine structure and was further verified. With the model, the influences of oxygen concentration at different altitudes on working process of engine fueled with different oxygen-enriched fuels were researched and the influence mechanism of B70N30 and EGR was further analyzed. The results showed that the in-cylinder local equivalence ratio of B100 and B70N30 was lower and the concentration and distribution area of OH and O active free radicals were larger compared with D100 pure diesel fuel. Consequently, the NO emission increased, the peak value of CO production decreased and the in-cylinder distribution area and final emission of soot and CO decreased obviously with the decrease of oxygen concentration. Compared with B100, the NO emission of B70N30 decreased due to the increase of gasification latent heat and the soot and CO emission decreased simultaneously due to the increase of atomic oxygen. Besides, the NO emission decreased greatly, the CO emission increased significantly and the soot emission kept nearly unchanged due to the prolonging of ignition delay with the increase of EGR rate when B70N30 was fueled.

plateau; bio-diesel； butanol; working process; numerical simulation

2015-10-28；

2015-11-23

国家自然科学基金(51366007)；云南省应用基础研究面上项目(2013FD10019)

龙佳庆(1983—)，女，硕士，讲师，主要研究方向为发动机燃烧与排放；taoran_long@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.010

U473.19

B

1001-2222(2016)02-0050-08