EGR对正丁醇-柴油混合燃料燃烧和排放的影响

王站成， 吴健， 商伟伟， 徐斌， 刘伊滨

(河南科技大学车辆与交通工程学院， 河南 洛阳 471003)

EGR对正丁醇-柴油混合燃料燃烧和排放的影响

王站成， 吴健， 商伟伟， 徐斌， 刘伊滨

(河南科技大学车辆与交通工程学院， 河南 洛阳 471003)

依据发动机台架试验数据，利用Fire软件建立计算模型，并验证了模型的准确性，研究了不同比例的正丁醇-柴油混合燃料在不同EGR率下的燃烧和排放特性。研究结果表明：通过向柴油中掺混正丁醇可以加快燃烧速率，改善EGR对燃烧过程带来的负面影响；采用较高的EGR率，可以抑制NOx的生成，但混合燃料携氧燃烧，对NOx的生成有促进作用，但总体来说NOx的最终生成略有降低；Soot的最终生成量随着EGR率的增大而增加，通过添加含氧燃料可以有效地降低Soot的最终生成。

正丁醇； 柴油； 混合燃料； 废气再循环； 数值模拟； 燃烧； 排放

石油资源的匮乏、全球环境恶化已成为当今社会发展的两大难题，为实现全球的长期可持续性发展，寻找清洁代用燃料成为内燃机研究的重要方向[1]。正丁醇来源广泛，成本低，不需要添加剂即可与柴油很好地互溶，且热值比其他替代燃料高，并具有较好的润滑性能；此外正丁醇中含有氧，能保证发动机动力性和经济性[2]，可以有效降低PM等污染物的排放[3]。研究正丁醇作为替代燃料对探索通过燃料改性改善柴油机燃烧性能的途径、实现柴油的部分替代具有重要的理论意义和工程实际意义。国内外对正丁醇的研究主要集中在燃烧和排放方面[4-8]，本研究主要针对不同比例的正丁醇柴油混合燃料在引入EGR形成的缸内废气热氛围中的燃烧过程和排放进行较全面研究，为正丁醇作为代用燃料的推广应用提供理论依据。

本研究利用Fire软件模拟某高压共轨直喷增压柴油机在不同EGR率下燃用正丁醇柴油混合燃料的缸内燃烧，并对燃烧和排放特性进行分析。

1 计算模型的建立

1.1 燃烧室几何模型的建立

通过实测某车用高压共轨直喷增压柴油机燃烧室尺寸建立计算用三维几何模型。柴油机的基本参数见表1。在几何模型建立时只考虑燃烧室与气缸盖和气缸套组成的封闭空间，并且假设柴油机缸内温度对称，气体分布均匀，根据喷油器喷孔数目，将燃烧室等分为7份，计算整个燃烧室的1/7，从而大大简化网格划分并缩短计算时间[9]。利用软件自动划分网格以保证网格质量，上止点时刻网格见图1，网格数为2 607个。

表1 柴油机基本参数

图1 上止点时刻燃烧室模型网格

1.2 计算边界条件的设置

本研究仅计算进气门关闭到排气门打开这段时间的缸内燃烧，所对应的计算时间(曲轴转角)为590°～814°。进气门关闭时刻缸内压力由试验测得为323.688 kPa，计算出此时温度为401 K。初始边界温度使用AVL推荐值[9-10]。对喷油规律作简化处理，预喷射简化为等腰三角形，主喷射简化为等腰梯形；模型建立时的喷油量使用试验测量值。通过电流钳测量ECU发出的控制预喷和主喷喷油脉宽的电流信号以及预喷和主喷的时间间隔，然后在单次喷射仪和Bosh长管仪上测得所要计算工况下的喷油持续期，其对应的曲轴转角为688°～748°(默认压缩上止点为720°)。图2示出计算时输入的量纲1的喷油规律曲线，因为在Fire中喷油规律的边界条件不必是真实数值，软件会根据喷油规律曲线和工况下的耗油量自动计算瞬时喷油量[9]。

图2 喷油规律示意

计算选用的物理化学模型见表2。燃烧模型为EBU(eddy break-up)模型，该模型假设化学反应的平均速度与化学动力学无关，只取决于低温的反应物和高温的燃烧产物之间的湍流混合作用。在足够精细的流动湍流结构尺度下，与湍流输运过程相比，化学反应的时间尺度很小。因此，一旦组分的混合是以分子的量级发生的，化学反应可以认为是在瞬间就可以完成的。着火模型为Diesel_MIL(Multiple Ignition Location)模型，只要达到着火条件，该模型允许在任意时刻、任意位置自动发火，即可以多点着火，其中混合燃料的蒸发模型为Multi-component。

表2 计算模型

1.3 燃料特性及计算模型的验证

为保证所建立模型的可信性，分别用柴油(记为NB0)和体积分数为5%的正丁醇柴油混合燃料(记为NB5)进行试验。表3为正丁醇和柴油的燃料特性对比。

表3 正丁醇和柴油的主要特性参数

台架试验系统示意见图3。所用的测量仪器主要有FC2210Z智能油耗仪、Kistler-2893A燃烧分析仪、Horiba MEXA-7100D排放测试系统和AVL烟度分析仪等。

图3 台架试验示意

利用试验结果对模型相关参数进行修正，使模型的计算结果与实测结果基本一致。图4示出试验和模拟的示功图对比，从图中可以看出模拟计算结果与试验测量结果局部有少许误差，但实际测量的压力值与计算值偏差均在5%以内，可以认为该模型合理、准确，可以进行混合燃料的燃烧研究。

图4 示功图的试验和计算对比

2 计算结果分析

利用上述计算模型计算了3 000 r/min,300 N·m工况下，燃用柴油和3种不同混合比的正丁醇柴油混合燃料(NB10，NB20和NB30)的缸内燃烧，EGR率分别为0%，10%，20%和30%，固定主喷喷油时刻不变，通过调整喷油量来保证工况一致。混合燃料的热值通过下式进行计算：

HM=HBx+HD(1-x)。

(1)

式中:x为混合燃料中丁醇的质量分数;(1-x)为柴油的质量分数；HM，HB和HD分别为混合燃料、正丁醇和柴油的低热值。表4示出混合燃料的低热值。

表4 正丁醇混合燃料的低热值

2.1 燃烧过程分析

表5示出燃用不同比例混合燃料和柴油在不同的EGR率下放热量分别达到累计放热量的50%(燃烧面心)和90%(燃烧结束)所对应的曲轴转角。实际中一般认为放热量达到累计放热量的90%即为燃烧放热结束，燃烧面心所对应的曲轴转角越靠近上止点，说明在整个燃烧放热过程越接近定容放热，扩散燃烧比例越小，燃烧的定容度和热效率越高[10]。

图5示出燃用不同比例混合燃料和柴油在不同的EGR率下的放热率曲线。随着EGR率的增大，燃烧前期放热率逐渐降低，后期放热率逐渐增大。这是因为随着EGR率的增大，缸内废气量增多，不利于燃料与空气之间的相互扩散和混合，降低了燃烧反应分子间的有效碰撞概率，燃烧变缓；同时，随着EGR率的增大，需要提供较多的燃料，以保证相同的动力输出。这就使得参与中后期燃烧的燃料量增加，致使后期放热率逐渐增大，燃烧持续期拖长。从表5看出，随着正丁醇的加入，燃烧终点前移，正丁醇掺入量增大，燃烧终点前移量增大。这是由于正丁醇含氧，随着正丁醇掺入量增大，缸内氧含量增大，有利于燃烧反应分子间的有效碰撞，燃烧加快，燃烧终点前移。

表5 不同燃烧时刻所对应的曲轴转角(°)

燃烧时刻NB0NB10NB20NB30燃烧面心燃烧结束燃烧面心燃烧结束燃烧面心燃烧结束燃烧面心燃烧结束EGR率0%423．3762．0420．3756．5418．8753．9415．1747．1EGR率10%425．8766．5422．8761．0419．1754．3416．3749．3EGR率20%426．6767．9423．5762．3421．3758．4417．8752．1EGR率30%426．7768．1424．2763．6422．8761．0421．2758．2

图5 不同混合比燃料在不同EGR率下燃烧放热对比

表6示出不同条件下缸内最大燃烧压力(pmax)和最高燃烧温度(Tmax)的对比。由表6可见，在燃料不变的情况下，随着EGR率的增大，缸内最大燃烧压力和最高燃烧温度均有所降低。这是由于随着EGR率的增大，缸内废气量增加，不利于油气混合，使得中前期燃烧有所减缓，导致缸内最大燃烧压力和最高燃烧温度均有所降低。当燃用正丁-醇柴油混合燃料时，由于随着正丁醇掺混量增加，缸内氧含量随之增加；同时，柴油掺混正丁醇后混合燃料的表面张力随着正丁醇浓度的增大而降低[11]，加快了混合燃料液滴的破碎，有利于燃料的雾化、蒸发及与空气的混合，可以促进缸内燃烧的进行，中前期燃烧有所加快，因此随着正丁醇掺混量增大，最高燃烧温度有所上升，缸内最大燃烧压力略有变大。与柴油相比，燃用掺混比较大的NB30，最高燃烧温度增加明显，这是由于同工况下NB30中氧含量相对较大，对燃烧放热的促进作用较强。因此，柴油中掺混正丁醇可以加快燃烧速率，改善EGR对燃烧放热带来的消极影响。

2.2 燃油消耗率分析

燃油消耗率是反映发动机经济性的重要指标。正丁醇的热值比柴油低, 所以本研究采用折合燃油消耗率对发动机的经济性进行分析。折合燃油消耗率是将混合燃料的燃油消耗率根据能量消耗折算成能量等值的柴油消耗率[12], 用BEBSFC来表示折合燃油消耗率, 计算公式为

BEBSFC=BBSFC· HM/HD。

(2)

式中:BEBSFC和BBSFC分别为折合燃油消耗率、混合燃料燃油消耗率。

图6示出 3 000 r/min，300 N·m工况，不同EGR率下燃用不同比例的混合燃料的折合燃油消耗率对比。随着EGR率的提高，由于缸内废气量增大，不利于缸内燃烧的进行，折合燃油消耗率相应增大。当燃用含有正丁醇的混合燃料时，在EGR率相同的条件下，与柴油相比，随着正丁醇掺混量增大，折合燃油消耗率增大。这是因为正丁醇热值较柴油低，混合燃料的热值也随掺混比例增大而降低，而为了获得相同的动力输出，就需要供给更多的混合燃料。尽管混合燃料对混合气形成和燃烧有促进作用，但两种因素综合作用的结果表现为在EGR率相同的条件下，与柴油相比，随着正丁醇掺混量增大，燃油消耗率增大。

图6 不同EGR率下折合燃油消耗率对比

通过图6曲线对比可见， EGR率低时，柴油和掺混正丁醇的混合燃料的折合燃油消耗率差距较大，随着EGR率的提高，燃用不同燃料的折合燃油消耗率差距逐渐缩小。在EGR率为0%时，进入气缸的新鲜空气携带有充足的氧气，这就使得正丁醇含氧、有利于燃烧的优点不凸显，反而由于混合燃料的热值低，为保证通过燃烧释放充足的热量，使得燃油消耗率增高。随着EGR率提高，缸内废气增多，正丁醇含氧的优点逐渐显现，与燃用柴油的差距逐渐缩小。图6中，当EGR率为30%时，4种燃料的折合燃油消耗率较为接近，表明燃用正丁醇柴油混合燃料在较高EGR率时对改善燃烧的作用较大。

2.3 排放特性分析

2.3.1 NOx排放

图7示出燃用正丁醇-柴油混合燃料NOx的生成随EGR率的变化。NOx生成的条件是高温、富氧以及高温持续时间[13]。EGR降低缸内氧浓度，同时降低燃烧过程中的温度，改变NOx生成的条件，是降低NOx的有效手段。由图7中可见，燃用不同混合燃料，随着EGR率的提高，NOx的生成量都明显降低；随着EGR率增大，柴油和3种不同比例的混合燃料的NOx的生成量的差距逐渐减小，当EGR率达到30%时，柴油和正丁醇-柴油混合燃料的NOx生成量都近乎为零。这是因为EGR率的增大降低了缸内的温度，另一方面缸内氧浓度降低，影响了NOx的生成。

图7 不同比例混合燃料NOx的生成量随EGR率的变化

在EGR率不变的情况下，当燃用正丁醇-柴油混合燃料时，由于随着正丁醇掺混量增加，缸内氧含量增加，可以促进缸内燃烧的进行，中前期燃烧有所加快，使得最高燃烧温度均有所上升，这就为NOx的生成创造了条件。但是从图7 中看出：EGR率不变，随着正丁醇的掺混量增加，NOx的生成先降低后增大，这是因为NOx生成还与缸内高温持续时间有关。文献[14]指出：一旦满足NOx的生成条件，当温度大于1 800 K(化学冻结温度)，NOx的生成量与温度呈指数增长关系，温度越高，则NOx生成的速率就越大，从表6中可以看出，同一EGR率下的缸内温度随着正丁醇的混合浓度增大逐渐增大；另一方面缸内高温环境的时间越短，NOx的生成量越少。对于较高压缩比的柴油机来说，膨胀行程开始不久，缸内温度就迅速降低到NOx的化学冻结温度。表7给出了燃用混合燃料和柴油在缸内温度达到NOx化学冻结温度时所对应的曲轴转角，随着正丁醇掺混量的增大，NOx的冻结温度所对应的曲轴转角有所提前，燃烧过程高温持续时间缩短，即NOx大量生成的时间在缩短，这样就影响了NOx的大量生成。综上可以看出，图7中NOx的变化规律是缸内温度和高温持续时间共同作用的结果。

表7 冻结温度对应的曲轴转角(°)

燃料NB0NB10NB20NB30EGR率0%766．5764．0762．3760．4EGR率10%763．0762．2761．0760．2

2.3.2 Soot排放

Soot最终生成量是燃烧前期Soot生成和后期氧化过程共同作用的结果，影响Soot生成和氧化的因素主要有温度、时间和氧浓度[14]。图8示出燃用3种燃料在不同的EGR率下Soot生成过程的对比。

图8 不同EGR率下的Soot排放对比

由图8可见，随着EGR率的提高，由于缸内废气量增多，氧浓度相对降低，缺氧区域增加，Soot的生成量较大，燃烧过程中生成的Soot在后期的氧化过程中因缺氧而使氧化速率降低，致使Soot的最终生成量增大。与燃用柴油相比，燃用掺混正丁醇的混合燃料时，由于正丁醇含氧，使缸内氧浓度增大，有利于燃烧充分进行；另外，正丁醇中不含有被认为生成炭烟前驱物的多环芳香烃，混合燃料中的多环芳香烃减少，含氧碳氢化合物中的初始氧原子在反应中直接生成CO，降低了生成Soot前驱物的碳原子的含量，使Soot生成量减少[15]。由图8可见，正丁醇掺混量越大，Soot的生成量越小。

对于混合燃料NB20，随着EGR率的增大，Soot的最大生成量逐渐降低，最终生成量基本不变。这是因为混合燃料中正丁醇含量较大，混合燃料中氧浓度较大，在Soot的生成阶段携氧燃烧，Soot的生成量相对于柴油和NB10低，即使EGR率增大，对炭烟的最终排放量影响也较小。此时降低炭烟的主要因素是混合气中氧浓度，燃烧过程中氧浓度大，Soot的最大生成量和最终生成量均降低。

3 结论

a) 柴油中掺混正丁醇可以加快燃烧速率，改善EGR对燃烧放热带来的消极影响；

b) 燃用正丁醇柴油混合燃料在较高EGR率时对改善燃烧的作用较大，混合燃料的折合燃油消耗率在高的混合比下与柴油接近；采用较高的EGR率，可以抑制NOx的生成，但是混合燃料携氧燃烧，对NOx的生成有促进倾向，但总体NOx的最终生成略有降低；

c) 由于混合燃料携氧燃烧，可以有效地抑制Soot的生成；通过EGR可以降低NOx的生成，但是燃烧放热会缓，可以通过柴油中添加含氧燃料来改善EGR带来的不足。

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[编辑: 李建新]

Influence of EGR on Combustion and Emission of N-Butanol and Diesel Blended Fuel

WANG Zhancheng, WU Jian, SHANG Weiwei, XU Bin, LIU Yibin

(College of Vehicle & Traffic Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

The calculation model was built and verified with the Fire software according to engine bench test data and then the combustion and emission characteristics of n-butanol and diesel blended fuel under different EGR rates were researched with the model. The results show that the addition of n-butanol can accelerate the combustion rate and improve the negative effect of EGR during the combustion process. Higher EGR rate can suppress the formation of NOx, but the carried oxygen from burning blended fuel promotes the formation of NOx, and finally the whole NOxemission still shows the trend of reduction. The final soot emission increases with the increase of EGR rate, but reduces effectively after adding the oxygenated fuel.

n-butyl alcohol; diesel; blended fuel; EGR; numerical simulation; combustion; emission

2016-09-27;

2016-12-06

河南省国际合作项目(144300510039)

王站成(1976—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机的燃烧和控制; zcwzh@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.012

TK411.5

B

1001-2222(2016)06-0061-06