含水乙醇-生物柴油对186F柴油机燃烧与排放的影响研究

朱佳隆，刘理凡，李瑞娜，刘帅，王忠

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

生物柴油以及醇类燃料是柴油机的清洁替代燃料，生物柴油来源广泛，燃料理化特性与柴油相近[1]。生物柴油与醇类燃料的互溶性较好，在生物柴油中添加醇类燃料，可以增加燃料中的氧含量，进一步降低柴油机的颗粒物排放[2]。

乙醇的化学分子式中含有官能团羟基(—OH)，羟基是极性基团，与水相似相容并可形成氢键，大大提高了乙醇与水的溶解度[3]，使乙醇在运输与储存过程中易吸收空气中的水分。生物柴油在制备过程中经历酯化反应，酯化脱水过程中可能残存部分未反应的水[4]。水的存在影响了乙醇-生物柴油混合燃料的理化性质，对乙醇-生物柴油混合燃料的燃烧与排放也产生了一定的影响。

围绕柴油机燃烧不同组分乙醇-生物柴油混合燃料的燃烧过程与排放污染物的变化规律，国内外学者进行了大量的研究工作。D. H. Qi等[5]开展了不同负荷下生物柴油-乙醇-水乳化油的研究，研究结果表明：与燃用生物柴油相比，柴油机中高负荷下的最高燃烧压力几乎相同，压力升高率和瞬时放热率峰值升高，比能耗有所降低；在高负荷下soot排放明显降低；在全负荷范围内，NOx排放降低，CO和HC排放明显增加。王兆文等[6]研究了乙醇和水对柴油喷雾燃烧特性的影响，研究结果表明：柴油掺水可降低燃烧温度和soot生成。胡斌等[7]开展了燃用含水乙醇-柴油的研究，研究结果表明：乙醇含水量较小时，随着含水量的增加，缸内压力和放热率峰值增加， NOx和总碳氢化合物(THC)排放同时降低。燃烧乙醇-生物柴油可以有效降低柴油机的soot和NOx排放，对动力性和经济性也有一定的影响，但乙醇含水量的增加对柴油机燃烧和排放的影响还有待进一步探究。

本研究以AVL-Fire软件为基础，建立了186F柴油机的燃烧及排放模型，通过采集柴油机的示功图和排放，对仿真结果进行了验证。考察了含水率对乙醇-生物柴油燃烧性能和排放的影响，在此基础上，提出乙醇含水率的阈值概念并进行了分析。

1 含水率与混合燃料理化特性分析

醇类燃料十六烷值低，若掺混比过高，其对柴油机的着火与燃烧过程影响较大，导致柴油机工作不稳定。根据文献[8-9]，柴油机燃用醇类-柴油混合燃料时，醇类燃料的掺混比一般不超过30%；燃用柴油-生物柴油-乙醇混合燃料时，乙醇掺混比为10%～40%时可形成微爆效应[10]，促进燃烧。综合考虑，选定乙醇的掺混比(δE)为20%。

考虑混合燃料实际生产和使用过程中可能存在的问题，设定乙醇含水率为0%，1%，3%，5%，7%；为进一步探讨混合燃料含水后对燃烧和排放的影响，研究乙醇生物柴油极限含水率(>10%)对柴油机燃烧和排放的影响，设定混合燃料中乙醇含水率分别为0%，1%，3%，5%，7%，10%，15%和20%，分别用W0，W1，W3，W5，W7，W10，W15和W20表示。

采用指示比能耗(EBSEC)来衡量乙醇含水率对柴油机经济性的影响，EBSEC计算公式[11]为

EBSEC=biHu·10-3。

式中：bi为指示燃油消耗率；Hu为混合燃料的低热值。

含水乙醇-生物柴油混合燃料的十六烷值、低热值、密度、运动黏度和表面张力可分别依据经验公式和试验得到(见表1)。由于混合燃料中含水，十六烷值和低热值分别从42.7和36.16 MJ/kg下降到40.6和34.41 MJ/kg，降幅约为5%和4.8%；混合燃料的运动黏度从3.42 mm2/s下降到2.97 mm2/s，降低约13.1%。

2 模型建立与参数确定

2.1 模型建立

运用AVL-Fire软件建立186F柴油机的有限元模型，确定相关参数并进行模型验证。试验用柴油机为186F，柴油机气缸直径86 mm，四冲程，压缩比19，标定转速为3 000 r/min，标定功率5.7 kW，喷油器喷孔数为4个，喷孔直径为0.24 mm，燃烧室形状为ω形，喷油提前角为-12°，循环喷油量24 mg。喷油器周向均布4个喷油孔，燃烧室中心对称，取1个喷油孔结合1/4燃烧室进行简化，在ESE-Diesel模块中设定网格尺寸，在边界处进行加密。计算网格见图1。依据文献[12]和文献[13]中有关仿真网格与气缸压力计算关联性的研究，当生成的网格模型包含网格数量达到20 000时，对计算结果影响较小。本研究中建立的燃烧室仿真模型的网格数为22 225个，网格节点为25 012个。

图1 计算网格

表2列出建立的数学模型。含水乙醇-生物柴油混合燃料为多组分燃料，采用Multi-component模型仿真多组分燃料的液-气相变化过程。柴油机缸内燃烧过程可分为预混燃烧和扩散燃烧两个阶段，扩展的拟序火焰模型(Extend-Coherent-Flame Model)将缸内工质的分布划分为3个前后有联系的区域，即空气区、燃油区和混合区，能够准确地对柴油机的燃烧过程进行描述[14]。

表2 数学模型

假定缸内压力与温度分布均匀，初始气缸压力和温度由实测值确定。活塞顶面温度为575 K，气缸盖底部温度为550 K，气缸壁面温度为475 K。活塞顶面移动速度等同于活塞的运动速度，其他壁面均为静止壁面[15]。

计算区间为进气门关闭时刻至排气门打开时刻，定义压缩上止点所对应的曲轴转角为0°，计算区间为-135.5°～124.5°，计算基础步长为1°,喷油开始到燃烧过程结束的计算步长为0.2°。

NOx生成物中超过90%为NO，在计算中主要考虑热力型NO的生成[16]；soot排放需考虑燃烧过程中O2，OH基对其的氧化结果[17]。

2.2 模型验证

通过建立的模型对柴油机燃烧过程特征参数进行仿真，通过测量得到乙醇-生物柴油混合燃料的示功图、NOx和soot排放数据，与仿真结果进行对比以验证模型的准确性。

仿真和试验的工况确定为标定工况：转速为3 000 r/min，功率为5.7 kW，乙醇-生物柴油混合燃料中乙醇的比例为20%。气缸压力实际测量值与仿真结果见图2。从图2可以看出，仿真结果与试验结果比较吻合。从表3可以看出， NOx和soot排放的测量值与仿真结果的最大误差小于5%。试验结果说明建立的模型具有一定的准确性。

图2 气缸压力试验值与仿真结果的对比

表3 排放试验数据与仿真数据对比

在此基础上，将混合燃料中乙醇含水率分别为0%，1%，3%，5%，7%，10%，15%和20%的8种理化特性参数用于模型的仿真。

3 结果分析

为探讨乙醇含水率对柴油机燃烧和排放的影响，选定柴油机转速为3 000 r/min，功率为5.7 kW的工况，对8种乙醇-生物柴油混合燃料燃烧过程和排放进行仿真。为便于分析，定义滞燃期为喷油时刻到累计放热量达10%所经历的曲轴转角[18]，用θCA10表示；燃烧中心为累计放热量为50%所对应的曲轴转角，用θCA50表示；燃烧持续期为累计放热量10%～90%所经历的曲轴转角，用θCA90表示。对柴油机的气缸压力、缸内温度、放热规律、指示比能耗、NOx和soot排放进行了分析。

3.1 燃烧过程特征参数分析

图3示出乙醇含水率对气缸压力、温度和放热率的影响。从图3可以看出，与无水乙醇相比，随着乙醇含水率的增加，缸内最大燃烧压力和平均温度分别由7.78 MPa和1 551.1 K降低为7.18 MPa和1 477.0 K，最大降低7.7%和4.7%。

图3 乙醇含水率对缸内压力、温度和放热率的影响

滞燃期、燃烧中心和燃烧持续期的仿真结果见表4。从表4可以看出，随着乙醇-生物柴油混合燃料中含水率的增加，滞燃期从13.7°增加到15.5°，增加13.1%；燃烧中心从7.0°后延到8.7°，延迟24.2%。

可以认为，随着乙醇含水率的增加，水的存在逐渐降低混合燃料的黏度，水汽化和过热促进雾束分裂和液滴破碎，强化了燃油与空气混合的能力，对燃烧产生一定的影响；混合燃料蒸发潜热及比热容增大，热值有所降低，导致燃烧速度有所减缓，放热峰略有延后，滞燃期略有延长，燃烧中心逐渐后延，缸内温度降低，最高燃烧压力有所降低。

当乙醇含水率较小时(<5%)，可近似认为缸内大部分混合燃料液滴的物理模型为水-油(W/O)型结构[19]。随缸内温度和压力逐渐增大，较小的混合燃料液滴中开始出现气泡并快速向外油膜发展，经过短暂的延迟，水处于过热状态，混合燃料液滴破碎并细化为体积更小的二次液滴，燃油与空气快速混合均匀，燃烧速度有所加快。在一定程度上可近似认为混合燃料抵消了含水降低热值的影响，使得混合燃料的滞燃期略有缩短，燃烧中心略有提前。

表4 滞燃期、燃烧中心和燃烧持续期

3.2 指示比能耗

图4示出燃烧不同含水率乙醇-生物柴油时的柴油机指示比能耗柱状图。从图4可以看出，随乙醇含水率增加，柴油机指示比能耗从7.47 MJ/(kW·h)增加到8.30 MJ/(kW·h)，增加11.1%。

图4 乙醇含水率对柴油机指示比能耗的影响

可以认为，当混合燃料燃烧时，乙醇含水导致混合燃料整体黏度有所下降，雾化性能和燃空当量比得到一定改善，使柴油机指示比能耗在乙醇含水率较低时影响不大；当水进入气缸蒸发吸热，在一定程度上降低了缸内温度，滞燃期有所延长，预混量增加，等容度增加，放热峰值相位延后，水在混合燃料燃烧过程中进一步降低了缸内的温度，燃烧速度有所降低，燃烧持续期略有增加，使柴油机指示比能耗在乙醇含水率较高时逐渐增加。

3.3 NOx与soot排放

图5示出燃烧不同含水率乙醇-生物柴油时的NOx排放物和O自由基浓度的变化。从图5可以看出，随乙醇含水率增加，NOx排放和O自由基浓度呈现下降趋势，NOx排放最大降低幅度为38.1%。W1混合燃料NOx排放和O自由基浓度均高于W0。

NOx的生成条件为高温、富氧以及足够的反应时间[20]。W1混合燃料的瞬时放热率、累积放热、O自由基浓度以及燃烧持续期均高于W0混合燃料，

图5 乙醇含水率对NOx排放和O自由基的影响

图6示出燃烧不同含水率乙醇-生物柴油时的soot排放曲线和OH自由基变化。从图6可以看出，随乙醇含水率增加，soot排放和OH自由基浓度呈减少趋势，soot排放最大降低幅度约为60.6%。

图6 乙醇含水率对soot排放和OH自由基的影响

随着乙醇含水率的增加，混合燃料中的水汽化和微爆效应降低了燃空当量比，同时在高温贫氧区域存在水煤气反应，水在高温下分解产生OH自由基，促进soot氧化和消亡，soot由于OH自由基的逐渐消失趋于稳定；微粒的热运动变缓，降低了微粒间碰撞与凝并的机会，抑制了soot的生长。

3.4 含水率阈值

3.4.1乙醇含水率对柴油机性能的影响

图7示出不同含水率乙醇-生物柴油的三种性能参数的变化。如图7所示，随着乙醇含水率的增加，平均指示压力逐渐减小，指示比能耗增加，NOx和soot排放量减少。意味着动力性和经济性逐渐变差，排放性能逐渐变好。

图7 乙醇含水率对柴油机性能的影响

当乙醇含水率从0%增加到20%时，平均指示压力从0.47 MPa下降到0.43 MPa，动力性下降9.3%；指示比能耗从7.47 MJ/(kW·h)上升到8.30 MJ/(kW·h)，经济性下降10.9%；NOx排放从37.5×10-6下降到23.2×10-6，soot排放质量分数从351×10-6下降到138×10-6，排放降幅分别为38.1%和60.6%。

3.4.2含水率阈值确定

乙醇含水率对柴油机动力性、经济性和排放有不同程度的影响。以无水乙醇-生物柴油混合燃料作为对比分析的参考燃料，提出乙醇混合燃料含水率阈值的概念。燃用不同含水率的混合燃料时，当平均指示压力高于参考燃料对应值的95%，指示比能耗低于参考燃料对应值的105%，NOx和soot排放量分别高于参考燃料对应值的95%和85%时，定义为混合燃料乙醇含水率阈值。以平均指示压力和指示比能耗的变化百分比分别作为横纵轴，以NOx和soot质量分数的变化百分比分别作为横纵轴，绘制含水率阈值图来评估柴油机含水允许范围(见图8)。

图8中，以-5%和+5%分别作为平均指示压力和指示比能耗变化的下限和上限，得W1，W3，W5和W10可作为动力经济性的含水率阈值；以-5%和-15%分别作为NOx和soot质量分数变化百分比的上限，得W3，W5，W7，W10，W15和W20可作为排放降低性能的含水率阈值。可以看出，乙醇含水率阈值为3%、5%或10%时，对柴油机性能影响不大，考虑到乙醇的替代率，建议乙醇含水率的阈值为10%。

图8 含水率阈值图

4 结论

a) 当乙醇含水率由0%增加到20%，最大燃烧压力、缸内平均温度均有所降低，平均指示压力降低，柴油机指示比能耗有所增加；

b) 生物柴油掺混含水乙醇能同时降低柴油机的NOx和soot排放，随着乙醇含水率的增加，NOx和soot排放均呈现减少的趋势，与无水乙醇相比，NOx和soot排放最大分别降低38.1%，60.6%；

c) 提出兼顾发动机动力性、经济性和排放性的含水乙醇-生物柴油混合燃料含水率阈值概念，并确定为10%。