EGR对不同生物柴油/柴油掺混比下碳烟前驱体形成的影响

吴旭东, 王 忠, 刘 帅, 李瑞娜, 瞿 磊

(1. 江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013; 2. 南通职业大学 汽车与交通工程学院, 江苏 南通 226007)

随着石油资源的不断消耗,排放法规的日益严格,寻找清洁的替代燃料是内燃机研究的一个重点.生物柴油可再生,不含硫,可与柴油以不同的掺混比进行混合燃烧,是一种理想的柴油发动机燃料.采用废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)是一种降低柴油发动机NOx排放的有效方法,进入气缸的废气对柴油发动机燃料燃烧的碳烟前驱体有很大影响,多环芳香烃(PAHs)是形成碳烟的主要前驱体物质,直接影响柴油发动机排气中的颗粒数量和质量[1].碳烟是燃油的不完全燃烧产物.燃油在高温缺氧条件下裂解生成乙炔(C2H2)、甲基(CH3)和丙炔基(C3H3)等小分子燃烧中间产物,苯和苯基通过C2H2和C4Hx的环化反应和C3H3之间的相互化合作用形成.其中,C2H2是燃油裂解、生成碳烟前驱体的关键部分[2],苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)和芘(A4)在碳烟前驱体中具有代表性,第1个苯环的形成对芳香烃生长和后期碳烟成核具有关键作用[3].

针对柴油发动机碳烟前驱体的生成机理,国内外学者进行了大量的研究.鞠洪玲等[4]采用正十四烷的化学反应机理和Belardini碳烟模型,对柴油发动机燃烧中多环芳香烃及碳烟的形成与演化进行了研究,结果表明:PAHs的质量在燃烧初期急速增加,在急燃期后,由于成长和氧化反应逐渐降低,其中乙炔、苯、萘、菲和芘的生成对碳烟排放影响较大.A. T. WIJAYANTA等[5]依据包含2 158种常规气相反应和1 635种表面相反应机理的塞流式反应器模型,研究了CO2和O2的浓度及燃烧温度对生物柴油燃烧过程中芳香烃形成的影响,结果表明:温度低于1 473 K时,增加O2浓度可以显著降低PAHs的生成,温度高于1 473 K时,CO2浓度增加可以降低PAHs的生成.黄豪中等[6]简化正庚烷-正丁醇-多环芳香烃-甲苯燃烧机理作为正丁醇/柴油混合燃料的燃烧替代机理,采用AVL-Fire软件耦合化学反应动力学软件Chemkin的方法,研究了EGR率和正丁醇掺混比等因素对正丁醇/柴油混合燃料低温燃烧过程中碳烟前驱体生成的影响.目前研究大多集中于有关苯、萘、菲和芘等芳香烃对碳烟的生成及排放的影响方面,关于EGR对生物柴油/柴油混合燃料燃烧碳烟前驱体生成影响方面的研究报道较少.燃用生物柴油/柴油混合燃料,并采用EGR技术,改变碳烟前驱体的生成路径和反应时间,对碳烟的形成产生重要的影响.

为此,课题组以186F非道路柴油发动机为试验机,燃烧生物柴油/柴油混合燃料,测量示功图;采用三维CFD仿真软件AVL-Fire耦合化学反应动力学软件Chemkin,以气缸压力数据进行模型验证.通过添加多环芳香烃和碳烟形成的主要基元反应,构建生物柴油/柴油化学反应动力学模型,分析生物柴油/柴油不同掺混比、不同EGR率时,燃烧中间自由基、碳烟前驱体的生成与衍化规律,研究生物柴油/柴油掺混比、EGR率对缸内碳烟前驱体生成过程的影响.

1 模型的构建与验证

1.1 生物柴油/柴油化学反应动力学机理的构建

生物柴油是长链脂肪酸甲酯的多组分混合物,其碳链长度、含氧量和不饱和度等理化性质对生物柴油燃烧有重要影响,多种物质化学反应机理混合使用能够准确地替代生物柴油化学反应机理,从而更加准确地反映生物柴油的燃烧过程.

LUO Z. Y.等[7]根据生物柴油的构成组分,以正庚烷-癸酸甲酯-9-癸烯酸甲酯简化化学反应机理替代生物柴油化学反应机理,包含123个组分和394个基元反应,具有较好的准确性.癸酸甲酯是生物柴油替代燃料的主要组分之一,通过癸酸甲酯燃烧机理耦合正庚烷和9-癸烯酸甲酯的燃烧机理作为生物柴油替代机理，能够较为准确地反映生物柴油的理化性质,能够更加精确地反映生物柴油在燃烧中的碳烟前驱体生成过程.正庚烷的十六烷值与柴油比较接近,常选择正庚烷来代替柴油进行计算研究[8-10].

模型选取正庚烷、癸酸甲酯和9-癸烯酸甲酯混合燃料替代生物柴油/柴油混合燃料,通过调节癸酸甲酯、正庚烷和9-癸烯酸甲酯的比例来模拟不同掺混比的生物柴油/柴油混合燃料.本研究中采用生物柴油/柴油掺混比分别为15%和30%的混合燃料,研究在不同EGR率下燃烧混合燃料B15和B30碳烟前驱体的生成规律.柴油(B0)、混合燃料(B15，B30)和生物柴油(B100)的替代燃料中正庚烷、癸酸甲酯、9-癸烯酸甲酯的体积分数如表1所示.

表1 不同混合燃料组分的体积分数

1.2 PAHs形成机理的简化与建立

WANG H.等[11]提出了包含PAHs形成、生长和氧化等过程的化学反应机理,主要反应过程为HACA(脱氢加乙炔)反应,该过程为乙炔与不饱和烷烃进行环化反应.同时将CH2,C2H2,C3H3和C4H4等小分子产物对芳香烃形成的影响添加到PAHs的生成和氧化机理中去,通过敏感性分析和反应速率分析法对动力学机理进行简化,得出包含3 299个组分和10 806个基元反应机理.主要基元反应如表2所示，其中P2为化学物质苊.

表2 PAHs的主要基元反应

1.3 耦合模型与边界条件

仿真模型以186F柴油发动机为依据,该柴油发动机为四冲程、自然吸气、风冷直喷式非道路用柴油发动机.主要参数如下:缸径为86 mm,冲程为7 mm,压缩比为19,排量为0.406 L,标定转速为3 000 r·min-1,标定功率为5.7 kW,喷油提前角为-12°.由于采用的燃烧室是对称的,喷油器为4孔喷油器,从简化模型的角度出发,选择1/4燃烧室建立模型,使用Fire软件ESE Diesel模块中的Mesher创建燃烧室网格模型,网格径向尺寸为0.1 mm,对部分区域网格进行了加密处理,下止点时计算网格总数量为66 547个.燃烧室网格模型如图1所示.

图1 燃烧室网格模型

应用Fire耦合Chemkin软件进行计算,在Chemkin的General gas phase reaction 模型中选择生物柴油/柴油反应机理文件;Fire对Chemkin导入的热力学和化学动力学文件进行编译,设定计算网格和边界条件;Fire求解器直接调用燃油的机理文件,结合缸内的湍流运动方程计算燃烧过程;计算完成后输出数据,完成Fire和Chemkin耦合计算.选择k-zeta-f湍流模型、Walljet油滴碰壁模型、Wave油滴破碎模型、Multi-component蒸发模型和Han-reits model壁面传热模型进行计算.在Initial conditions模块中设置初始压力、初始温度、喷油时刻等参数.仿真计算的初始参数如表3所示.

表3 仿真计算的初始参数

对柴油发动机转速为2 000 r·min-1、75%负荷及不同EGR率工况下的生物柴油/柴油燃烧的碳烟前驱体参数进行了仿真,并以进气门关闭时对应的曲轴转角(-135.5°)为起点,以排气门开启时对应的曲轴转角(124.5°)为终点.

1.4 模型验证

为验证模型的准确性,在发动机转速为2 000 r·min-1、75%负荷及EGR率为0工况下,应用奥地利DEWETRON公司生产的EWE-5000DAQ缸内燃烧压力采集系统,瑞士KISTLER公司生产的KSM071860压力传感器等仪器,实测了柴油发动机的示功图,得出燃烧气缸压力.其中,气缸压力传感器测量范围为0～25 MPa,灵敏度为-2×10-10C·MPa-1.将燃用B15的缸内压力计算值与台架试验值进行对比(见图2),验证模型的准确性.

图2 燃用B15缸内压力试验值与计算值对比

由图2可知:燃用B15时的缸内压力计算值与试验值曲线基本吻合,由于环境因素等原因导致的误差小于5%,具有很好的准确性,可以使用该模型进行数值计算.

2 计算结果与分析

2.1 EGR率及掺混比对乙炔生成规律的影响

图3为不同EGR率下柴油发动机分别燃用B15和B30时乙炔的生成规律.

图3 不同EGR率下燃用两种燃油时乙炔的质量分数

由图3可知:随着燃油中生物柴油的掺混比增加,乙炔的初始生成时刻前移,生成量峰值减少;相比于燃用B15,EGR率为0的情况下,燃用B30时的乙炔初始生成时刻前移了0.8°,生成量峰值降低了17.2%,EGR率为10%时降低了16.9%,EGR率为20%时降低了16.3%,EGR率为30%时降低了15.3%,减缓了苯环的形成及前驱体的生长.原因是随着生物柴油/柴油掺混比增加,混合燃料中的十六烷值升高,滞燃期缩短,燃油裂解时刻提前,从而使乙炔的初始生成时刻前移.随着生物柴油/柴油掺混比的增加,混合燃料中的氧含量也增加,促进了乙炔的氧化反应(C2H2+OH=CH2CO+H),使乙炔的生成量峰值减少.随着曲轴转角的增大,乙炔的生成量先增加后减少.这是因为预混燃烧初期,燃油高温裂解生成大量乙炔,乙炔的生成量迅速增加.随着燃烧的进行,乙炔通过环化反应形成芳香烃苯或被氧化,导致乙炔的生成量逐渐减少.

由图3还可知:在同一种生物柴油/柴油掺混比下,随着EGR率的增加,乙炔初始生成时刻略微滞后,生成量峰值减少,生成量峰值时刻明显滞后;随曲轴转角的增加,乙炔生成量呈先增加后减少的趋势,最终生成量有所增加;与EGR率为0相比,燃用B15时, EGR率为10%,20%和30%的生成量峰值时刻分别后移了2.5°,4.0°和6.2°,生成量峰值分别降低了4.9%,10.1%和14.2%;燃用B30时分别后移了1.7°,2.9°和3.3°,生成量峰值分别降低了4.8%,9.8%和14.3%.主要因为乙炔是由燃油在缸内高温裂解得到的,EGR率增加,降低了缸内燃烧温度和氧浓度,导致达到前驱体生成所需温度的时间变长,推迟了燃油的高温裂解反应,乙炔的生成始点后移.此外,缸内燃烧温度降低,降低了燃油裂解生成乙炔等小分子的反应速率,导致乙炔的生成量峰值降低,生成量峰值时刻滞后.EGR增大时,缸内温度和氧浓度的降低也会减缓乙炔的氧化反应,乙炔的消耗速率降低,消耗量减少,所以最终生成量随EGR率的增大有所增加.

不同EGR率下,乙炔生成量峰值出现在11°～18°,处于预混燃烧阶段.缸内温度迅速升高,燃油裂解速率加快,生成速率大大超过氧化速率,乙炔生成量也随之快速增加.在扩散燃烧阶段,前驱体的生成速率低于氧化速率,前驱体生成量逐渐减少.燃烧后期,乙炔的生成和氧化趋向稳定,生成量变化不大.

2.2 EGR率及掺混比对苯生成规律的影响

图4为不同EGR率下分别燃用B15和B30时苯的生成规律曲线.

图4 不同EGR率下燃用两种燃油时苯的质量分数

由图4可知:苯的初始生成时刻随着生物柴油/柴油掺混比增加提前了1.2°,表明生物柴油/柴油掺混比增加,乙炔的初始生成时刻前移,乙炔的氧化反应提前,从而使前驱体芳香烃苯的生成时刻提前;随着生物柴油的掺混比增加,苯的生成量在各EGR率下均呈逐渐减少的趋势.与燃用B15相比,在EGR率为0,10%,20%和30%的情况下,燃用B30时苯的生成量峰值分别降低了26.1%,24.4%,23.2%和22.7%.主要由于生物柴油/柴油掺混比增加使燃料的氧含量增加,提高苯的氧化速率,降低了苯的生成.随着曲轴转角的增大,苯的生成量质量分数先增加后减少.这是因为在预混燃烧初期,燃油高温裂解生成乙炔等小分子物质,通过环化反应生成较多含有少量苯环的芳香烃苯,随后继续生长成多环芳香烃或被氧化,苯的质量分数减少[12].

从图4可以看出,随着EGR率的升高,苯的生成时刻后移.主要是因为苯的生成路径是由燃油裂解生成的C2H2,C3H3等小分子物质决定的,EGR率增加导致乙炔的生成时刻后移,使苯的生成时刻滞后.苯的生成量峰值和最终生成量随着EGR率的增大都有所增加.因为EGR率增大,缸内混合气体的氧含量降低,导致苯被氧化的概率降低,降低了被氧化消耗的速率,所以苯的生成量峰值和最终生成量都有所升高.

2.3 EGR率及掺混比对萘生成规律的影响

图5为不同EGR率下分别燃用B15和B30时萘的生成规律曲线.

图5 不同EGR率下燃用两种燃油时萘的质量分数

由图5可知:萘的质量分数随着曲轴转角的增大呈先升高后降低的趋势.这是因为随着燃烧过程的持续进行,苯的生成速率加快,从而促进苯生成并转化成萘的化学反应,所以萘的质量分数迅速增加.扩散燃烧阶段苯的生成量减少,苯生成萘的反应速率不断降低,萘的质量分数逐渐下降.随着生物柴油/柴油掺混比的增加,萘的生成时刻提前了0.7°,生成量峰值和最终生成量都有所减少.原因是生物柴油/柴油掺混比增加后,一方面,混合燃料的氧含量增加,提高了萘的氧化速率;另一方面,苯的氧化速率提高,苯的质量分数降低也导致了萘的生成量减少.

同一掺混比燃油下,随着EGR率的增大,萘的生成量峰值时刻滞后,原因是EGR率增加导致燃油裂解时刻推迟,使苯的生成时刻后移,从而使苯向萘转化的反应滞后.萘的生成量峰值和最终生成量随着EGR率的增大都有所增加.燃用B15时,EGR率为10%,20%和30%时的萘生成量峰值比EGR率为0时分别增加了4.3%,9.0%和21.6%,燃用B30时分别增加了8.6%,19.1%和30.2%.这是因为EGR率增大导致缸内的氧含量和最高燃烧温度降低,萘的氧化消耗减少,从而使萘的生成量增加.但随着曲轴转角的增大,萘的生成量和苯一样呈先升高后降低的趋势.

2.4 EGR率及掺混比对菲生成规律的影响

图6为不同EGR率下分别燃用B15和B30时菲的生成规律曲线.由图6可知:随着生物柴油/柴油掺混比的增加,菲的生成时刻提前,是因为菲的生成反应过程是由苯和萘决定的,使菲的生成时刻随生物柴油/柴油掺混比增加而前移,和苯、萘的变化规律一致.生物柴油/柴油掺混比由15%增加到30%,菲的生成时刻前移了0.8°;随着生物柴油的掺混比增加,菲的生成量峰值和最终生成量均呈逐渐减少的趋势,原因类似于苯和萘.

图6 不同EGR率下燃用两种燃油时菲的质量分数

由图6还可知:菲的生成时刻随EGR率的增大而滞后；在燃料为B15时,菲的生成量峰值时刻从EGR率为0增大到30%,依次延迟了1.34°,1.92°和2.85°，燃用B30时依次延迟了1.16°,1.86°和1.45°.因为EGR率增加导致苯和萘的生成时刻后移,使得进一步的环化反应延迟,菲的生成时刻滞后.在预混燃烧阶段,随着EGR率的增大,菲的生成量峰值逐渐增大,最终生成量也逐渐升高.因为缸内氧含量和燃烧温度的降低,菲的氧化速率减缓,氧化消耗量减少,使菲的最终生成量增加.在扩散燃烧阶段,菲的生成速率低于其氧化消耗速率,生成量随着曲轴转角的增加逐渐减少,最终趋于稳定.

2.5 EGR率及掺混比对芘生成规律的影响

图7为不同EGR率下分别燃用B15和B30时芘的生成规律曲线.从图7可以看出,燃用B15和B30时,随着曲轴转角的增加,芘的质量分数在各EGR率下都随着生物柴油/柴油掺混比的增加呈逐渐降低趋势.这表明燃烧初期,生物柴油/柴油掺混比的增加使燃料的氧含量增加,燃油高温裂解生成的氢氧自由基和乙炔促进了芘的氧化,加速了芘的消耗.随着生物柴油/柴油掺混比的增加,燃油裂解时刻的提前导致芘的初始生成时刻略微前移,燃用B15和B30时,随着曲轴转角的增加芘的质量分数呈先升高后降低趋势.

图7 不同EGR率下燃用两种燃油时芘的质量分数

燃用B15和B30时,随着EGR率增加,芘的生成时刻后移,生成量峰值和最终生成量都显著增加.燃用B15时,与EGR率为0相比,EGR率为10%,20%和30%时芘生成量峰值分别增加了4.8%,19.4%和37.1%,对应的曲轴转角分别后移了1.9°,3.7°和7.1°.燃用B30时,芘生成量峰值分别降低7.2%,21.1%和34.9%,对应的时刻分别后移了1.2°,3.3°和4.5°.采用EGR后,缸内燃烧温度和混合气体中的氧含量都得到降低,导致芘的氧化消耗减少,且EGR率升高,对氧化速率的抑制也随之增加,所以芘的生成量增加.通过采用EGR,可以看出在扩散燃烧阶段,芘的减少主要是由于氧化反应消耗造成的.在燃烧后期,乙炔、苯、萘、菲和芘等前驱体继续发生环化反应和氧化反应,形成基本粒子,完成碳烟颗粒的成核过程.随着燃烧的进行,颗粒之间发生碰撞凝并,形成大尺寸的颗粒,并吸附PAHs等小分子物质,最终排出缸外.

3 结 论

1) EGR率不变时,随着生物柴油/柴油掺混比的增大,乙炔、苯、萘、菲和芘的初始生成时刻提前,生成量峰值和最终生成量都有所降低.

2) 生物柴油/柴油掺混比一定时,随着EGR率的增加,生成量峰值时刻都有所滞后,乙炔的生成量峰值降低,最终生成量逐渐升高.苯、萘、菲和芘的生成量峰值升高,最终生成量有所增加.

3) 采用EGR后,生物柴油/柴油混合燃料的碳烟前驱体主要生成于预混燃烧阶段.随着曲轴转角的增加,乙炔、苯、萘、菲和芘的生成量呈先升高后降低的趋势.