异丙醇-丁醇-乙醇对船用柴油机燃烧和排放影响的仿真

宋亚楠

(泉州师范学院 航海学院，福建 泉州 362000)

能源危机、环境污染等多方面的问题，使得开发利用新型代用燃料的任务变得十分紧迫.丁醇燃料来源广泛，可再生，有较好的燃料特性，被认为是最理想的替代燃料[1-3].但丁醇生产过程中高分离成本和低生产效率，限制了丁醇的实际推广应用.丙酮、丁醇和乙醇混合物(acetone,n-butanol and ethanol mixture, ABE)是丁醇的中间发酵产物，三者体积比约为3∶6∶1[4].直接使用ABE作为替代燃料，既可以利用丁醇的众多优点，又可以避免生产丁醇的生产成本和额外的能源消耗.但丙酮对橡胶发动机部件具有腐蚀性，并且丙酮的低闪点低沸点使其难以存储和运输. 利用一些基因编辑的细菌菌株能够将丙酮转化为异丙醇[4]，异丙醇比丙酮具有更有利的物理化学性质，近年来研究人员对异丙醇、丁醇和乙醇(isopropanol, butanol and ethanol，IBE)组成的新型生物燃料开展了大量的试验研究[5-11].文[6]通过对ABE和IBE进行对比，发现IBE具有更好的燃烧和排放性能；文[10]发现将高比例的IBE混合到柴油中时，可以降低敲缸强度，可以减少烟尘排放，但会增加NOx排放；文[11]通过将IBE与柴油共混后在柴油机上的燃烧，表明IBE的加入可以减低碳烟排放.

以往研究均采用发动机台架试验方式进行，受限于试验资源，尚缺乏对一系列不同配比的IBE燃料进行比较，且目前鲜有人对船用柴油机开展相关研究.本文基于数值模拟，以某船用柴油机为研究对象，研究不同IBE掺混比例对柴油机缸内燃烧特性、碳烟和NOx生成的影响.

1 计算模型搭建与验证

采用三维仿真软件CONVERGE开展计算，以某船用中速柴油机为研究对象，根据柴油机的说明书和尺寸测量结果，对其进行几何模型建立和网格划分，柴油机基本参数如表1 所示.并以4 mm划分基础网格，对喷油器附近和喷射路径区域进行网格细化.依据试验柴油机的几何尺寸，做出燃烧室的二维几何模型图，并将其导入到CONVERGE软件中，生成三维体网格.原机燃烧室对称，喷油器位于燃烧室中央，喷孔数为 8.为简化计算，选取燃烧室的1/8为仿真计算的区域，燃烧室网格模型如图1所示.

为了缩短计算时间，选择从有效压缩冲程开始(进气门关闭)到有效膨胀冲程结束(排气门开启)为计算时间域，计算始点上止点前136°(-136°)，终点为上止点后121°(121°).模拟过程采用文[12]的化学反应机理，共包含151个组分和755步化学反应，计算过程采用KH-RT破碎模型、RNG κ-ε双方程湍流流动模型、SAGE燃烧模型、O Rourkecollision碰壁模型、Frossliing Model油滴蒸发模型.

表1 柴油机基本参数Tab.1 Basic parameters of diesel engine

图1 1/8燃烧室网格模型 图2 缸压曲线实测值与仿真值对比 Fig.1 Combustor mesh Fig.2 Comparison of actual measured value and simulated value of cylinder pressure

在全负荷工况下，将纯柴油发动机的仿真结果与原机试验结果进行对比，仿真计算结果与实验结果具有较好的吻合度(图2)，误差在5%以内，表示所搭建的燃烧系统模型能够在一定范围内反应实际发动机的燃烧过程.在此模型的基础上进行的优化工作，能够对实验和开发工作带来较高的参考价值.

2 模拟结果与分析

2.1 柴油机的燃烧特性

为了研究不同混合比例对柴油燃烧特性的影响，选取纯柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30共4种混合比例进行研究.IBE10、IBE20、IBE30分别为在柴油中加入体积比10%、20%、30%的IBE.

2.1.1 缸压及放热率 图3和4分别显示了不同混合比例下的燃料在燃烧过程中缸内燃烧压力、放热率分布情况.纯柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30发火时间分别为-7、-5、-3、-1°CA(图3)，即随着IBE混合比例的增加，点火延迟时间相应增加.这是由于IBE中异丙醇、丁醇、乙醇的自燃温度均高于柴油，随着IBE混合比例的增加，混合燃料的十六烷值降低，自燃温度升高，点火延迟时间增加.纯柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30缸内最高燃烧压力分别为9.61、9.68、9.8、9.9 MPa,即随着掺混比例增加，缸内最高燃烧压力相应升高.由于IBE混合比例的增加使滞燃期增长，滞燃期内形成的可燃混合气量增加，再加上IBE本身含氧，从而使燃料燃烧更充分，燃烧初期放热率增大，缸内压力也随之升高.

2.1.2 缸内温度 图5和6分别显示了不同掺混比例下的燃料在燃烧过程中放热量和缸内温度分布情况.上止点前，纯柴油缸内温度高于混合燃料，上止点附近混合燃料缸内温度反超柴油，混合比例越大，缸内温度越高.20°CA后，纯柴油缸温再次超过混合燃料.这是由于上止点前，纯柴油放热早于混合燃料，因此缸温也高，上止点后，4种燃料均开始放热，混合燃料因为放热率更高，因此缸温得到迅速提升.20°CA后，由于IBE中异丙醇、丁醇、乙醇的低热值均低于柴油，燃料总热值随混合比例的增加而减小，放热速率低于柴油，从而导致缸内燃烧温度随着混合比例增加呈降低趋势.

图5 不同混合比例的放热量分布情况 图6 不同混合比例的缸内温度分布情况Fig.5 Distribution of heat release in Fig.6 Temperature distribution in the different mixing ratios cylinder with different mixing ratios

2.2 柴油机的排放特性

2.2.1 Soot排放 图7-8为不同混合比例下Soot排放变化规律.从图7可以看出，在燃烧初期生成了大量的 Soot，随后迅速被氧化.随着IBE混合比例的增加，Soot排放量明显减少，IBE10、IBE20、IBE30三种燃料Soot排放分别降低了7.4%、19.5%、42.3%.这是由于IBE中异丙醇、丁醇、乙醇均为含氧燃料，可以使燃料燃烧更充分.

2.2.2 NOx排放 在柴油机燃烧过程中氧浓度、反应时间和温度是生成NOx的3个重要因素.从图9-10可以看出，随着IBE混合比例的增加，NOx排放量呈减小趋势.这是由于IBE中异丙醇、丁醇、乙醇均为含氧燃料，使燃料燃烧更充分，NOx生成速率快于柴油；另一方面，在燃烧后期，由于缸内燃烧温度较低，NOx生成速率低于柴油，两者的共同作用使NOx排放量随着IBE混合比例的增加呈减小趋势.

2.2.3 CO排放 图11-12为不同混合比例下CO排放变化规律.从图11可以看出，在曲轴转角5°CA以前，生成了大量的CO，且随着IBE混合比例的增加，CO生成越快.这是由于IBE混合比例越大，滞燃期越长，着火后燃烧越迅速，生成大量CO，但CO没有足够的时间合成CO2.在曲轴转角5°～20°CA区间，燃烧速率显著下降，IBE作为含氧燃料使燃料燃烧更充分，所以随着IBE混合比例的增加，CO排放量呈降低趋势;20°CA以后，CO的氧化速率超过生成速率，CO开始减少.IBE10、IBE20、IBE30三种燃料CO排放分别降低了19.9%、25.9%、62.0%.

图7 不同混合比例下的Soot排放分布图 图8 不同混合比例下的Soot排放情况Fig.7 Distribution of Soot emissions Fig.8 Soot emissions under different under different mixing ratios mixing ratios

图9 不同混合比例下的NOx排放情况分布图 图10 不同混合比例下的NOx排放情况Fig.9 Distribution of NOx emissions Fig.10 NOx emissions under different under different mixing ratios mixing ratios

图11 不同混合比例下的CO排放分布图 图12 不同混合比例下的CO排放情况Fig.11 Distribution of CO emissions Fig.12 CO emissions under different under different mixing ratios mixing ratios

3 结论

(1)随着IBE混合比例的增加，滞燃期增长，纯柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30发火时间分别为-7、-5、-3、-1 °CA；最高燃烧压力升高，纯柴油(DIESEL)、IBE10、IBE20、IBE30缸内最高燃烧压力分别为9.61、9.68、9.8、9.9 MPa；缸内燃烧温度降低.(2)Soot排放显著减低，Soot排放量明显减少，IBE10、IBE20、IBE30三种燃料Soot排放分别降低了7.4%、19.5%、42.3%；NOx排放有所下降；IBE10、IBE20、IBE30三种燃料CO排放分别降低了19.9%、25.9%、62.0%.