喷油嘴位置及喷射策略对直喷式生物柴油机燃烧和排放特性的影响



喷油嘴位置及喷射策略对直喷式生物柴油机燃烧和排放特性的影响

随着排放法规越来越严格，柴油机成为了众矢之的。尽管对柴油机的燃烧过程进行了诸多优化，但其排放效果仍然不理想。近年来，随着对新能源的研究发现，生物柴油由于其具有优良的属性而可以作为传统柴油的替代燃料。相关试验表明，改变柴油机的燃油喷射策略对柴油机NOx的排放有影响，而对颗粒物的排放影响甚微，但由于生物柴油与传统柴油一些物理特性的不同，使得这一结果不能直接应用到以生物柴油为燃料的柴油上。利用KIVA4程序（模拟内燃机化学反应流的三维程序）建立了直喷式生物柴油机三维计算流体动力学模型，该模型能详细描述生物柴油的燃烧过程。通过改变所建立模型的参数，对柴油机的燃烧特性和排放特性进行分析。

由于KIVA4程序库中没有关于生物柴油特性的相关模型和预设值，因而需要自定义相关模型。结合开尔文-亥姆霍兹液滴破碎模型与瑞利-泰勒不稳定性气泡演化模型建立燃油喷雾模型。建立了传热模型及生物柴油燃烧、排放模型。给出了生物柴油的沸点、蒸气压力、密度、粘度、热电导率、扩散系数和表面张力等物理属性值作为预设值。发动机相关参数依据一个丰田4缸直喷式柴油机，采样进间间隔为500ms，考虑到相关发动机多在中等负荷条件下工作，因而将发动机转速设为1200r/min和2400r/min，负荷为额定的50%。模拟结果如下。

（1）发动机转速较低时，由于燃料和空气的混合时间较长，因此预混燃烧效果较好。

（2）发动机转速较低时，采取生物柴油3次喷射策略，则缸内压力、发热率和输出功率升高；而当发动机转速较高时，则几乎无影响。

（3）与单次喷射策略相比，采用2次和3次喷射策略均使发动机CO和NOx的排放量增加。

（4）喷油嘴的位置会影响发动机缸内压力及排放。改变喷油嘴的轴向位置，会使发动机缸内燃烧特性、传热率及峰值温度发生变化。

（5）发动机转速较低时，喷油嘴的位置对CO和NOx的排放量没有影响；而发动机转速较高时，喷油嘴的位置对其CO和NOx的排放量具有较大影响。

刊名：Renewable Energy（英）

刊期：2015年第76期

作者：Amin Maghbouli et al

编译：王祥