生物柴油发动机燃烧和排放的数值模拟

黄昭明，苏 荭，王 利

(1.河海大学文天学院机械工程系，安徽马鞍山243031；2.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032；3.宣城职业技术学院机械与汽车工程系，安徽宣城242000)

生物柴油发动机燃烧和排放的数值模拟

黄昭明1，苏 荭2，王 利3

(1.河海大学文天学院机械工程系，安徽马鞍山243031；2.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032；3.宣城职业技术学院机械与汽车工程系，安徽宣城242000)

针对一款轻卡用立式、直列、水冷、四冲程、电控直喷、高压共轨、带废气旁通阀的涡轮增压中冷柴油机，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件AVL-FIRE和试验相结合的方法，建立发动机缸内燃烧的三维仿真模型，对生物柴油发动机缸内燃烧、排放物形成以及废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)率对其排放的影响进行仿真分析。结果表明：相比于纯柴油，生物柴油滞燃期缩短，燃烧始点提前，缸内爆发压力曲线整体前移，燃烧持续期略延长；相比于纯柴油发动机，生物柴油发动机碳烟(soot)排放量明显降低，氮氧化物(NOx)排放略有上升；在不明显影响soot排放量的条件下EGR能显著降低生物柴油发动机NOx排放，表明生物柴油发动机对EGR的容忍度增强。

燃烧过程；仿真；生物柴油发动机；排放物形成；废气再循环率

实现发动机节能减排和能源供应多元化一直是研究的热点。生物柴油燃料中所含的氧元素，一方面能够促进发动机的燃烧，优化发动机的燃烧过程，从而提升发动机的热效率，达到提升能源利用率的目标[1-2]；另一方面能够增强发动机缸内燃烧过程中的化学氧氛围，使发动机燃烧过程中的污染物生成量降低，进而减少发动机排气中的碳烟有害污染物成分，实现发动机颗粒物减排的目标。

近年来，通过发动机台架试验对柴油机燃用生物柴油的性能进行了大量研究[3-6]，主要是针对生物柴油发动机的动力性、经济性和排放特性，结果表明柴油机燃用生物柴油燃料时经济性获得改善，碳烟(soot)排放明显减少，而NOx排放物略有升高。对于生物柴油发动机NOx排放的模拟研究也有相关报道[3]，结果表明生物柴油的燃烧火焰温度高于纯柴油，有利于NOx的生成。然而，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件AVL-FIRE和试验相结合的方法，从燃烧的角度探讨生物柴油发动机性能的研究相对较少。本文针对一款燃用生物柴油的废气涡轮增压柴油机，采用CFD软件建立缸内燃烧过程的三维仿真模型，对soot、NOx排放量和缸内燃烧进行研究，以探索生物柴油对柴油机燃烧过程与排放性能影响的关系。

1 三维燃烧模型的建立

1.1 研究样机

研究样机为一款轻卡用立式、直列、水冷、四冲程、电控直喷、高压共轨、带废气旁通阀的涡轮增压中冷柴油机。该发动机的燃烧室为ω型，发火次序为1-3-4-2。其主要性能参数见表1。

1.2 燃烧室面网格的生成

采用奥地利AVL公司研究开发的CFD软件AVL-FIRE，建立发动机缸内燃烧的三维仿真模型。将AVL-FIRE软件的CAD 2D Sketcher模块绘制的柴油机燃烧室剖面图导入AVL-FIRE CFD Workflow Manager模块，应用2D Meshing工具生成燃烧室的面网格，如图1，2。

表1 研究样机主要性能参数Tab.1 Main performance parameters of research engine

图1 柴油机燃烧室示意图Fig.1 Sketch of diesel engine combustion chamber

图2 柴油机燃烧室结构面网格Fig.2 Structural surface mesh of diesel engine combustion chamber

1.3 燃烧室动体网格的生成

在生成燃烧室面网格的基础上，运用CFD Workflow Manager模块的Rotate和Enlarge工具，生成柴油机燃烧室四、六面体混合网格和燃烧室动体网格，如图3，4。该型柴油机使用的是6孔喷油器，因此只对柴油机1/6燃烧室扇区进行计算。

图3 燃烧室四、六面体混合网格Fig.3 Tetrahedral and hexahedron meshes of combustion chamber

图4 燃烧室动体网格Fig.4 Moving meshes of combustion chamber

1.4 喷油过程模型

根据柴油机进排气门关闭和开启的时刻，确定燃烧过程的计算曲轴转角区间为-128°～115°。初始条件假设缸内压力和温度均匀；温度边界采用恒温边界，取燃烧室壁面、气缸套壁面、气缸盖壁面的平均温度。仿真过程中燃油喷射过程示意图如图5。同时，确定柴油机燃烧室三维仿真的标定参数为缸内压力数据。

1.5 三维模型标定

图6为柴油机发动机在2 400 r/min全负荷、不同曲轴转角下缸内压力仿真与试验结果。由图6可以看出，三维仿真的缸内压力与试验所测的爆发压力曲线较吻合，误差均在5%以内。由此表明，模型仿真精度较高，采用该模型可以进行后续生物柴油发动机燃烧过程的仿真研究。

图5 柴油机喷油过程示意图Fig.5 Sketch of diesel engine fuel injection process

2 生物柴油发动机燃烧过程仿真

2.1 缸内爆发压力

图7为2 400 r/min全负荷工况下发动机燃用生物柴油时的仿真缸内压力爆发曲线和纯柴油试验缸内爆发压力曲线。发动机燃料燃烧90%对应的曲轴转角为燃烧持续期，可由缸压曲线进行仿真[6-7]。对比图6，7可以看出：生物柴油的燃烧持续期曲轴转角为81°，纯柴油的燃烧持续期曲轴转角为78°，可见生物柴油燃烧持续期长于纯柴油；相比较于纯柴油，生物柴油缸压曲线整体向前偏移，且最高爆发压力略有下降。

图6 柴油发动机缸内压力仿真与试验结果Fig.6 Test and calculation results of cylinder pressure

图7 燃用生物柴油和纯柴油缸内爆发压力对比Fig.7 Comparison of fire pressure between biodiesel and pure diesel

图8 曲轴转角380°时缸内温度场分布Fig.8 Cylinder temperature distribution at 380°crank angle

文献[8-9]研究表明，生物柴油的十六烷值高于柴油，滞燃期较纯柴油短，燃烧始点提前，所以缸压升高提前。而生物柴油滞燃期短，造成形成的预混混合气较少，燃烧速度变慢，所以最高爆发压力下降。

2.2 缸内排放

为探讨生物柴油发动机排放物的变化规律，给出生物柴油发动机的燃烧温度分布，如图8。从图8可看出，生物柴油燃烧温度超过2 400 K，高于纯柴油发动机的2 200 K燃烧温度，这对NOx和soot生成会产生影响。图9为生物柴油发动机在2 400 r/min全负荷工况、380°曲轴转角下NOx生成的浓度场分布。图8，9表明，相应条件下，燃烧室中NOx生成量最多的位置对应缸内最高的燃烧温度，NOx生成的条件是高温、富氧、高温持续时间，故高的燃烧温度导致大量NOx的生成。对燃烧室中NOx的质量分数进行积分平均，通过FIRE软件后处理计算可得出NOx在排气中的平均质量分数为0.828 g/kg。

生物柴油发动机NOx在排气中的平均质量分数与比排放量的关系可由式(1)表示。

式中：m(NOx)为NOx的比排放量，g/(kW·h)；为NOx在排气中的平均质量分数；qmexh为排气的质量流量，2 400 r/min全负荷工况下为600.4 kg/h；Pe为有效功率，2 400 r/min全负荷工况下为66.2 kW。

图9 曲轴转角380°时缸内NOx生成浓度场分布Fig.9 Cylinder NOxconcentration distribution at 380°crank angle

通过试验，测试柴油发动机NOx排放的质量分数为773.66×10-6，需换算成比排放量，柴油机NOx质量分数、排放量与NOx质量流量的关系可用式(2)表示[10]

由式(1)换算三维仿真的NOx在2 400 r/min全负荷工况下比排放量为7.51 g/(kW·h)，由式(2)换算柴油发动机试验测得的NOx在2 400 r/min全负荷工况下排放量为7.02 g/(kW·h)，与纯柴油发动机相比，生物柴油发动机在该工况下NOx排放量上升幅度约为7%，表明在2 400 r/min全负荷工况下，生物柴油发动机NOx排放相比纯柴油略有上升。

图10 380°曲轴转角时缸内soot生成浓度场分布Fig.10 Cylinder soot concentration distribution at 380°crank angle

图10 给出了生物柴油发动机在2 400 r/min全负荷工况下，在给定曲轴转角的soot生成浓度场分布，燃烧室中高温缺氧区域导致soot的大量生成。对燃烧室中的soot质量分数进行积分平均，通过FIRE软件后处理计算可得出soot在排气中的平均质量分数为5.4 mg/kg。soot在排气中的平均质量分数与比排放量的关系可用式(3)表示

式中：m(soot)为soot的比排放量，g/(kW·h)；w(soot)为soot在排气中平均质量分数。柴油发动机soot测试采用滤纸式烟度计，该污染度定义为滤纸烟度FSN，FSN需换算成比排放量。对于AVL滤纸式烟度计，其soot排放质量分数和FSN的转换关系[11]可表示为

其中ρexh为排气的质量浓度，kg/m3。

运用式(3)换算三维仿真的soot在2 400 r/min全负荷工况下的比排放量为0.049 g/(kW·h)，运用式(4)换算柴油发动机试验测得的soot在2 400 r/min全负荷工况下的比排放量，为0.060 g/(kW·h)，与柴油发动机相比，生物柴油发动机在该工况下的soot比排放量下降幅度约为18%，说明生物柴油发动机soot排放量相比于纯柴油大幅下降。

综上分析认为，生物柴油与柴油的理化差异较大是造成排放变化的主要原因。生物柴油十六烷值高于柴油，燃烧始点提前，使得最高燃烧温度有所上升，因此NOx排放略有增加；而生物柴油含有氧元素，能够在燃烧过程中营造氧氛围，保持碳和氧相结合，使得碳核不易形成，因此soot排放较大幅度下降。

2.3 EGR率对生物柴油发动机排放的影响

采用建立的发动机缸内三维仿真燃烧模型，计算生物柴油发动机在2 400 r/min全负荷工况下EGR率为5%，10%，15%，18%，20%时，NOx和soot的生成量，研究EGR率对生物柴油发动机排放的影响[12-15]，结果如图11，12。

图11 NOx排放随EGR率的变化曲线Fig.11 Variation curve of NOxemission with EGR rate

图12 soot排放随EGR率的变化曲线Fig.12 Variation curve of soot emission with EGR rate

从图11，12可以看出，随着生物柴油发动机EGR率的增大，NOx呈持续下降的趋势，而soot则呈先增加后下降的趋势。当EGR率从0%增加到15%时，NOx的比排放量急剧下降，EGR率在10%～15%区间NOx的比排放量下降较慢；而soot在EGR率0%～15%范围变化较为平坦，近似于线性增加；当EGR率从15%增大到20%时，NOx和soot排放量均呈急剧下降的趋势。

综上分析认为：EGR刚介入生物柴油发动机燃烧过程时，对燃烧非常敏感，燃烧温度降低，NOx排放急剧下降，随着EGR率的持续增加(5%～15%)，燃烧对EGR的敏感性降低，NOx排放下降较慢；EGR影响缸内的氧分压和最高燃烧温度，二者共同作用导致soot排放增加；随着EGR率进一步增加(15%～20%)，缸内再循环废气大幅增加，燃烧过程急剧变差，火焰传播速度减慢，燃烧不稳定性增加，燃烧温度急剧下降，导致NOx和soot排放同时大幅下降，此时由于过大的EGR率，缸内出现了不正常的燃烧。

生物柴油发动机EGR率从0%增加至15%时，NOx比排放量从7.51 g/(kW·h)下降至4.78 g/(kW·h)，下降幅度约为36%，而soot仅从0.049 g/(kW·h)上升至0.053 g/(kW·h)，上升幅度约为9%，说明生物柴油发动机对EGR有较好的容忍度，这主要是由于生物柴油含氧的因素所致。

3 结 论

1)柴油发动机缸内爆发压力仿真与试验结果表明，运用CFD软件AVL-FIRE软件建立的发动机三维仿真燃烧模型能够准确模拟缸内燃烧过程。

2)生物柴油的燃烧始点较纯柴油提前，滞燃期缩短，最高燃烧温度下降，燃烧持续期略有延长。

3)生物柴油发动机的NOx排放量略有上升，而soot排放大幅度下降。

4)生物柴油发动机对EGR有良好的容忍度，采用高EGR率可降低NOx的排放，但soot排放没有大幅度增加。

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责任编辑：何莉

Numerical Simulation for Combustion and Emission of an Engine Fueled with Biodiesel

HUANG Zhaoming1,SU Hong2,WANG Li3
(1.Department of Mechanical Engineering,Hehai University Wentian College,Ma'anshan 243031,China; 2.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China;3.Department of MechineryandAutomobileEngineering,XuanchengVocational&TechnicalCollege,Xuancheng242000,China)

For a vertical,straight,water cooled,four stroke,electronically controlled direct injection,high pressure common rail,high pressure common rail,and high pressure diesel engine with exhaust gas hypass valve,threedimensional combustion process simulation models were established with the method of combining computational fluid dynamics(CFD)software AVL-FIRE and experiment.Effects of combustion process,emission formation and exhaust gas recirculation(EGR)rate on the emission of biodiesel engine were simulated.The results show that compared with pure diesel oil,biodiesel combustion has a shorter ignition delay and earlier ignition,cylinder pressure curve ahead,and the combustion duration is slightly longer;compared with the pure diesel engine,the biodiesel engine soot emissions are significantly lower,and the nitrogen oxides(NOx)emissions increase slightly; EGR can significantly reduce NOxemissions of biodiesel engine under the condition of no significant impact on soot emission,which indicates that the biodiesel engine can enhance the tolerance of EGR.

combustion process;simulation;biodiesel engine;emission formation;exhaust gas recirculation rate

TK 421

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.03.013

2015-05-18

黄昭明(1981-)，男，江苏高淳人，讲师，主要研究方向为汽车现代设计理论与方法。

1671-7872(2016)03-0266-06