柴油机掺烧生物柴油瞬态性能的研究

郑 佳 周 斌 南靖雯 闫嘉楠

（西南交通大学机械工程学院 四川 成都 610031）

引言

随着社会的不断进步、科技的不断发展以及人们生活需求的不断增加，汽车正不断地步入平常家庭。人们不断改变着汽车，汽车也不断改变着人们的生活。汽车保有量的逐渐增加使得能源短缺和环境污染问题日益严重,促使世界各国加快了替代燃料的开发。

生物柴油是一种以植物油脂、动物油脂及餐饮废油等为原料加工制成的新型燃料，具有与柴油相近的性能。不同浓度（不同生物柴油体积分数）的生物柴油-0#柴油混合燃料可直接应用于压燃式内燃机[1]。从二十世纪八十年代开始，国内外学者对柴油机掺烧或直接燃用生物柴油进行了大量研究。研究结论基本一致：在柴油机不作任何机械变动的情况下掺烧或直接燃用生物柴油，会使柴油机的动力性和经济性能降低，NOx排放有所增加，其它排放有所降低[2-4]。但这些学者大都是研究生物柴油对柴油机稳态性能的影响，很少有人研究燃用生物柴油-0#柴油混合燃料对柴油机瞬态性能的影响。

瞬态工况下，柴油机的燃烧过程及各项性能与稳态工况存在较大差别。对于废气涡轮增压柴油机，这一差别更加明显。瞬态工况是车用发动机运行时的主要工况，为了限制瞬态工况下的排放，各国的排放法规出台了瞬态测试循环。因此，研究掺烧生物柴油对柴油机瞬态性能的影响，对生物柴油的应用具有重要意义。

本文运用GT-Power软件建立4JB1增压柴油机稳态模型和生物柴油燃料模型，在模型得到验证后，将模型向瞬态仿真平台转化，仿真计算瞬态工况下柴油机燃用生物柴油-0#柴油混合燃料对柴油机转矩输出、NOx排放和Soot排放的影响，以及引入EGR后，EGR对柴油机NOx排放和Soot排放的影响。

1 仿真模型的建立

1.1 柴油机模型的建立

GT-Power是美国Gamma Technologies公司开发的GT-SUITE软件包中一个重要的组成部分，着重于发动机的性能计算，在发动机研发过程中应用十分广泛。本文以4JB1增压柴油机为研究对象。4JB1增压柴油机主要用在越野车、皮卡车和轻型卡车上，其排放满足国Ⅲ排放标准。该柴油机的主要技术参数见表1。根据该柴油机参数所建立的仿真模型如图1所示。

表1 柴油机主要技术参数

柴油机仿真模型建立后，为保证仿真模型的正确性，需对仿真模型进行校验。首先对比柴油机外特性转矩和燃油消耗率的试验值和仿真值，结果如图2所示。转矩和燃油消耗率的最大误差分别为2.97%和4.35%。

图1 柴油机整机仿真模型图

图2 试验结果与仿真结果对比

为保证仿真模型气缸内的燃烧情况与柴油机真实燃烧情况一致，对比柴油机额定工况点气缸压力的仿真结果和试验结果，如图3所示。对比发现，仿真结果与试验结果基本吻合。

图3 额定工况点气缸压力对比

柴油机NOx排放的仿真值与试验值对比如图4所示。从图4可以看出，NOx排放的仿真结果较为合理。

图4 NO x排放对比

由于Soot排放模型是一个趋势预测模型，在建模过程中，通常保证其趋势与试验一致。本文中，Soot排放模型的Soot排放在外特性工况下呈低转速高而高转速低的趋势，与试验吻合。

通过以上分析可知，本文所建立的模型及参数设置与柴油机实际运转情况基本吻合，可运用该模型进行后续仿真计算。

1.2 生物柴油燃料模型的建立

生物柴油的主要性能指标和检验标准见表2，其生产原料为地沟油。

表2 生物柴油主要性能指标

在仿真模型中，生物柴油的密度、低热值等主要参数的设置如图5所示，生物柴油中碳氢氧原子的比例等参数的设置如图6所示。

生物柴油燃料模型建立后，在外特性下，随机选取1 600 r/min工况点对模型进行验证，验证结果见表3。从表3可以看出，计算结果与试验结果基本吻合。

1.3 柴油机瞬态模型的建立

图5 生物柴油主要参数设置

图6 生物柴油气态参数设置

表3 生物柴油模型验证

完成柴油机稳态仿真模型以及生物柴油燃料模型的建立和验证之后，将模型由稳态向瞬态转化。在转化过程中，将喷油量、喷油提前角等对工况变化敏感或对性能仿真影响较大的参数处理成随转速或转矩的变化图。将管路壁面温度等对性能评价指标影响较小的参数处理成常数，缩短仿真计算时间[5]。

本文研究的瞬变过程为柴油机1 800 r/min恒转速变负荷过程，在模型中采用speed模式实现瞬态模型的建立。在该模式下，柴油机转速恒定，通过控制燃油喷射时间，达到瞬态模型恒转速增转矩的目的[6]。循环喷油量随时间的变化如图7所示，图中的X轴为时间，Y轴为循环喷油量。

从图7可以看出，在瞬变过程中，循环喷油量线性增加。而且瞬变过程可以分为3个阶段：

1）柴油机在低负荷稳定运行的阶段；

2）柴油机从低负荷向高负荷瞬态变化的阶段；

图7 循环喷油量变化图

3）柴油机在高负荷稳定运行的阶段。

2 混合燃料对柴油机性能的影响

以 B0、B10、B20、B30、B40 和 B50 分别代表生物柴油体积分数为0、10%、20%、30%、40%和50%的生物柴油-0#柴油混合燃料，B0就是0#柴油。本文首先研究瞬态工况下燃用不同生物柴油体积分数的混合燃料对柴油机转矩输出、NOx排放和Soot排放的影响。由于不同体积分数的生物柴油会使柴油机转矩输出不同程度地降低，因此，本文采用比排放研究柴油机排放特性。

2.1 进气量和空燃比随时间的变化

在研究混合燃料对柴油机瞬态性能的影响之前，先观察原机进气量和空燃比在瞬变过程中随时间的变化，以便后面进行分析。

图8为瞬变过程中柴油机进气量随时间的变化规律。

图8 进气量随时间的变化

从图8可以看出，进气量的增加相对于燃油消耗量的增加在时间上有滞后。在燃油消耗量变化结束时，进气量继续增加，直到燃油消耗量稳定一段时间后，进气量才稳定下来。导致这一现象的原因是增压器的迟滞效应。瞬变过程中，燃油消耗量增加，经过一段时间后，排气能量才开始增加，使得进气量增加，即涡轮增压器从排气能量的建立到进气压力的建立需要一定的时间。

瞬变过程中，柴油机空燃比随时间的变化如图9所示。

图9 空燃比随时间的变化

由于进气量的增加滞后于燃油消耗量的增加，因此，从图9可以看出，瞬变过程中，柴油机空燃比随时间呈凹曲线形式降低。燃油消耗量变化结束时，柴油机的空燃比达到最低。空燃比达到最低后，进气量的继续增加使空燃比稍有增加，最后达到稳定状态。

2.2 混合燃料对转矩输出的影响

瞬变过程中，柴油机转矩输出随时间的变化如图10所示。

图10 转矩输出随时间的变化

从图10可以看出，随着燃油消耗量的逐渐增加，柴油机转矩逐渐增加。在燃油消耗量变化结束后，柴油机转矩稍有增加，最后达到稳定状态。

瞬变过程中，燃用 B10、B20、B30、B40 和 B50 混合燃料对柴油机转矩输出的影响如图11所示。

图11 混合燃料对转矩输出的影响

从图11可以看出，相比于燃用B0，随着生物柴油的加入，柴油机在高低负荷稳定运行阶段和瞬变阶段的转矩输出都有不同程度的降低。随着混合燃料中生物柴油体积分数的增加，转矩输出的降低幅度增大。这主要是由于生物柴油的热值低于0#柴油，相同质量燃料燃烧所放出的热量低于0#柴油。混合燃料中生物柴油体积分数越大，其热值越低，柴油机转矩输出的降低幅度越大。

2.3 混合燃料对Soot排放的影响

瞬变过程中，柴油机Soot排放随时间的变化如图12所示。

图12 Soot排放随时间的变化

从图12可以看出，随着燃油消耗量的逐渐增加，柴油机Soot排放逐渐增加，在燃油消耗量变化结束时，Soot排放达到最大值。在燃油消耗量变化结束后，柴油机Soot排放稍有降低，最后达到稳定状态。

瞬变过程中，缸内温度的提高滞后于循环喷油量的增加，使得喷入气缸油束的平均蒸发速度比稳态时慢，燃油与空气的混合比稳态时难，缸内局部缺氧区域比稳态时多。同时，涡轮增压器的迟滞效应使得进气量的增加滞后于循环喷油量的增加，导致瞬态时的空燃比低于相同循环喷油量在稳态时的空燃比，混合气混合质量变差[5]。这2方面的因素使得燃烧恶化、Soot排放增加，导致瞬变过程Soot排放的最大值高于稳定状态。

燃油消耗量变化结束后，涡轮增压器的迟滞效应使得柴油机进气量在燃油消耗量达到稳定后继续增加。进气量的增加使得空燃比增大、Soot排放降低。随着进气量的逐渐稳定，Soot排放也达到稳定状态。

瞬变过程中，柴油机燃用 B10、B20、B30、B40 和B50混合燃料对柴油机Soot排放的影响如图13所示。

图13 混合燃料对Soot排放的影响

从图13可以看出，相比于燃用B0，随着生物柴油的加入，柴油机在高低负荷稳定运行阶段和瞬变阶段的Soot排放都有不同程度的降低。随着混合燃料中生物柴油体积分数的增加，Soot排放的降低幅度增大。这主要有3个方面的原因[7]：一是生物柴油含氧的特性改善了缺氧严重的扩散燃烧，使燃烧更加充分；二是生物柴油汽化潜热大，降低了缸内最高燃烧温度，抑制了碳烟生成；三是生物柴油不含芳香烃，使得燃烧室内部过浓区高分子因高温缺氧裂解而产生的碳烟减少。

2.4 混合燃料对NO x排放的影响

瞬变过程中，柴油机NOx排放随时间的变化如图14所示。

图14 NO x排放随时间的变化

从图14可以看出，随着燃油消耗量的逐渐增加，柴油机NOx排放逐渐降低，在燃油消耗量变化结束时，NOx排放达到最小值。在燃油消耗量变化结束后，NOx排放稍有增加，最后达到稳定状态。

瞬变过程中，随着燃油消耗量的逐渐增加，柴油机空燃比逐渐降低。NOx生成的主要条件是高温富氧，空燃比的降低破坏了NOx生成条件，使NOx排放随着空燃比的降低而逐渐降低。增压器的迟滞效应使得柴油机空燃比呈凹曲线形式降低，使得NOx排放也呈凹曲线形式降低。在燃油消耗量变化结束时，空燃比达到最低，此时NOx排放也达到最低。燃油消耗量变化结束后，由于涡轮增压器的迟滞效应，在燃油消耗量达到稳定后，柴油机进气量继续增加，滞后于燃油消耗量一段时间才达到稳定状态。进气量的增加使得NOx排放增加，最后达到稳定状态。

瞬变过程中，柴油机燃用 B10、B20、B30、B40 和B50混合燃料对柴油机NOx排放的影响如图15所示。

图15 混合燃料对NO x排放的影响

从图15可以看出，相比于燃用B0，随着生物柴油的加入，柴油机在高低负荷稳定运行阶段和瞬变阶段的NOx排放都有不同程度的增加。随着混合燃料中生物柴油体积分数的增加，NOx排放的增加幅度增大。这主要有3个方面的原因[7]：一是生物柴油为含氧燃料，生物柴油的加入使得燃烧区域的氧浓度提高，有利于NOx生成；二是生物柴油十六烷值较高，滞燃期短，着火时刻早，能较早触发NOx生成；三是生物柴油中所含分子量较大的成分只能在燃烧的后阶段被燃烧，使得排气温度升高。

3 EGR对混合燃料排放的影响

研究发现，在综合考虑动力性、经济性和排放性能的情况下，生物柴油的掺烧比例以不超过30%为宜[7]。本文以B30混合燃料为研究对象，研究EGR的引入对混合燃料Soot排放和NOx排放的影响。

3.1 EGR对Soot排放的影响

不同EGR率对瞬态工况下柴油机Soot排放的影响如图16所示。

图16 生物柴油结合EGR对Soot排放影响

从图16可以看出，在整个过程中，EGR的引入使得B30混合燃料的Soot排放增加，引入的EGR率越大，Soot排放的增加幅度越大。这主要是由于EGR的引入稀释了进入气缸的新鲜充量，降低了缸内氧的浓度，影响了空气与燃油的混合，局部缺氧区域增多，燃料燃烧不完全，Soot排放增加。EGR率越大，进入气缸的新鲜充量越小，Soot排放增加越多[8]。

3.2 EGR对NO x排放的影响

不同EGR率对瞬态工况下柴油机NOx排放的影响如图17所示。

图17 生物柴油结合EGR对NO x排放影响

从图17可以看出，在整个过程中，EGR的引入使得B30混合燃料的NOx排放降低，引入的EGR率越大，NOx排放降低的幅度越大。主要原因是EGR的引入一方面稀释了混合气，降低了气缸中氧的浓度，从而减少了NOx的生成；另一方面再循环废气中的二氧化碳和水蒸汽等三原子分子气体增加，缸内工质（即混合气）的比热容增大，有效降低了最高燃烧温度和最高燃烧压力，影响了NOx生成的温度条件，减少了 NOx排放[8]。

3.3 EGR率的选择

生物柴油的加入使得柴油机Soot排放降低、NOx排放增加，而EGR的引入使得柴油机Soot排放增加、NOx排放降低。图18和图19分别为B30混合燃料以及B30混合燃料引入EGR率为4.3%时的Soot排放和NOx排放与燃用B0的对比图。从图18和图19可以看出，B30混合燃料引入EGR率为4.3%时的Soot排放和NOx排放均与燃用B0相当。

图18 Soot排放与原机对比图

图19 NO x排放与原机对比图

4 结论

1）燃用生物柴油-0#柴油混合燃料，使得柴油机瞬态工况下NOx排放增加，转矩输出和Soot排放降低，生物柴油体积分数越大，效果越明显。

2）EGR的引入使得B30混合燃料NOx排放降低、Soot排放增加，EGR率越大，效果越明显。

3）B30混合燃料引入EGR率为4.3%时，柴油机的NOx排放和Soot排放均与燃用B0相当。