正戊醇-柴油燃烧与排放特性的试验与仿真研究

王赛，朱召军，郭晓宇，吕德淋，陈英杰，朱继贞，黄豪中

(广西大学 机械工程学院， 广西 南宁 530004)

0 引言

开发和研究新型清洁能源可以减少进口石油、避免越来越高的油价对我国发展造成影响，也是减少大气污染的有效方法，对我国实现环境科学治理和国家安全都有重要意义。车用清洁可再生能源开发是车辆工业节能减排研究的主要方向之一，中国的“十四五”规划与欧盟委员会有关“2030年环境和能源结构”的项目都在建议发展可再生新能源[1]。其中，醇类燃料可以应用在柴油机[2-3]，也可以应用在汽油机，被认为是最有潜力替代石油化石能源的燃料之一。

正戊醇化学式为C5H12O，含氧量多，着火温度、粘度和腐蚀风险较低，可以从工程微生物的自然发酵和葡萄糖的生物合成中生产获取[4-5]。ZHANG等[6]研究了丁醇-柴油和戊醇-柴油发动机的燃烧参数和排放特性，发现在比例相同情况下戊醇-柴油比丁醇-柴油的燃油消耗率少。ANTHNOY等[7]通过研究不同正戊醇比例对发动机颗粒排放的影响，结果发现，添加正戊醇可以减少发动机排放颗粒数浓度和减少排放颗粒质量浓度，而且正戊醇比例增加，颗粒减少越明显。WANG等[8]研究发现，添加戊醇可以减少碳烟Soot和NOx排放。正戊醇-柴油燃料比纯柴油呈现更佳的热效率，并增强抗爆震性。KUMAR等[9]在低温燃烧(LTC)工况进行正戊醇-柴油试验时发现，添加正戊醇可显著减少NOx和颗粒排放量。YOSHIMOTO等[10]研究了正戊醇-生物柴油燃料对柴油发动机排放的影响，结果表明，在生物柴油中添加正戊醇可减少Soot排放。

目前，有关正戊醇-柴油减少发动机排放的机理还不十分明了。因此，本研究通过发动机台架试验和仿真运算相验证的方法，在不同负荷工况下研究3种不同正戊醇比例燃料(D100、H30和H45)对柴油机燃烧参数和排放特性的变化规律。研究结果可为正戊醇-柴油发动机燃烧系统开发给予理论基础。

1 试验燃料与方案

试验燃料共3种，在柴油中加入体积比分别为30%和45%的正戊醇，制成正戊醇-柴油试验燃料，分别表示为H30和H45；另一种试验燃料为纯柴油，表示为D100，D100为基准燃料。表1为这些燃料的各项物理化学参数。

表1 纯柴油、正戊醇、H30和H45的物理化学参数

2 试验装置和方法

2.1 试验装置

图1所示为试验装置系统原理图，所用发动机为一台四缸、增压中冷车用柴油发动机，试验发动机主要参数见表2。试验系统包括参数测量系统和试验控制系统。参数测量系统主要有缸内燃烧参数测量系统、发动机运行工况参数测量系统和发动机排放测量系统组成，控制系统主要有电子控制单元、INCA软件系统和线束测量模块组成。

1.油箱； 2.燃油过滤器； 3.油耗仪； 4.高压油泵； 5.ECU； 6.燃烧参数检测仪； 7.ECU控制台； 8.发动机控制柜； 9.电涡流测功机； 10.发动机； 11.角标仪； 12.高压共轨管； 13.缸内压力传感器； 14.喷油器； 15.热交换器； 16.EGR阀； 17.进气中冷器； 18.空气流量计； 19.Cambustion颗粒分析仪 dms500MkⅡ；20.Horiba MEXA-7100DEGR排放分析仪； 21.415SE烟度计；22.压力阀

表2 试验发动机主要参数

2.2 试验方法

在试验过程中冷却水温度和进气温度控制在(85±3)℃和(30±2)℃，系统喷油压力为120 MPa，喷油正时-3°CA(ATDC)。试验固定发动机转速为1 200 r/min，负荷工况有5种(表3)，研究正戊醇比例(D100、H30和H45)和负荷对正戊醇-柴油燃料的燃烧和排放特性的影响。

表3 发动机运行工况参数

2.3 仿真运算方法

本研究运用CONVERGE进行模型的建立和网格的划分，仿真运算发动机缸内的燃烧过程。所用的主要仿真运算模型见表4。仿真运算之前，运用缸内平均压力和缸内平均温度的仿真结果进行网格无关性验证，选取四种基础网格(1、2、3、4 mm)。结果表明不同网格尺寸对缸内平均压力和缸内平均温度数值影响不大。考虑运算效率与准确度，最终选取2 mm基础网格，燃烧室运算网格图如图2所示。

表4 仿真运算模型

图2 运算网格图

正戊醇机理采用本课题组构建的正庚烷-正丁基苯-正戊醇-多环芳烃燃烧化学动力学机理，此机理经过验证可用于柴油机仿真运算，包括178个物种和746个化学反应[12]。

2.4 试验值与仿真值验证

图3所示为在不同进气氧浓度工况D100、H30和H45燃料的缸内平均压力和缸内瞬时放热率的试验值与 CONVERGE仿真运算结果对比。从图3中可知，试验值与仿真结果基本一致。说明本研究建立的发动机仿真模型可用于研究正戊醇-柴油的燃烧过程。

(a) D100

3 试验与仿真运算结果分析

3.1 正戊醇比例对柴油机燃烧特性的影响

3.1.1 缸内平均压力、缸内瞬时放热率和最大压力升高率分析

图4所示为不同负荷工况D100、H30和H45燃料缸内平均压力和缸内瞬时放热率。从图4中可知，负荷增加时，3种燃料的缸内平均压力峰值增加。当正戊醇比例增加时，缸内平均压力和缸内瞬时放热率的峰值增加，这是因为，一方面正戊醇粘度较低，改善了燃料的蒸发和雾化，缸内形成可燃混合气的燃料增加；另一方面，正戊醇的十六烷值比柴油少，柴油机缸内滞燃期增加，滞燃期内燃烧准备更加充分。此外，正戊醇含氧量更多，可增加燃烧速率，促进燃烧过程。

(a) 0.4BMEP负荷工况

图5是在不同负荷工况下D100、H30和H45燃料的缸内最大压力升高率。从图5中可知，正戊醇比例增加时，最大压力升高率上升。负荷增加时，3种燃料的最大压力升高率先增加，在中高负荷时增加幅度减少。主要因为，负荷增加时，缸内燃料质量分数增加，燃烧速率增加，最大压力升高率升高。负荷增加至一定程度时，过量空气系数减小，缸内氧含量减少,缸内燃烧产生热量增加幅度减少，最大压力升高率升高幅度有所减少。

图5 不同负荷工况D100、H30和H45燃料最大压力升高率

3.1.2 CA50、滞燃期、有效热效率分析

图6是不同负荷工况3种燃料的滞燃期、CA50和有效热效率。由图6可以看出，发动机负荷增加时，滞燃期减少，CA50更早，有效热效率升高。这是因为负荷增加时，缸内热负荷增大[13]，使得缸内更快产生第一个火焰核并且开始燃烧，滞燃期减少，缸内扩散燃烧开始更早，产生热量更多，CA50时刻更早。而且缸内火焰传播的速度和速燃期内的燃烧速度增加，燃烧过程进展更完全，燃烧过程产热更加集中，所以有效热效率增加[14]。

(a) 滞燃期

图6还显示出随着燃料正戊醇比例的增加，试验工况的滞燃期增加，这是因为正戊醇蒸发潜热数值比柴油更大，燃料在蒸发过程中吸热，压缩过程始点的温度减少，压缩的燃料气体的等熵指数较小，压缩过程终点温度减少，而且正戊醇十六烷值比柴油少，滞燃期增加。从图6中可知，随着正戊醇比例增加，有效热效率增加。这是因为正戊醇含氧量多，雾化质量更佳，增加了缸内燃烧速率，所以增加了有效热效率。

3.2 正戊醇比例对正戊醇-柴油燃料排放特性的影响

3.2.1 CO和HC排放分析

图7和图8显示了D100、H30和H45燃料在不同负荷工况下的CO和HC的排放曲线。由图7和图8可以看到在中低负荷时，发动机负荷增加时，三种燃料的CO和HC排放减少，正戊醇-柴油的CO和HC排放比柴油多。这是因为正戊醇-柴油燃料的蒸发潜热值较大，在缸内燃烧过程需吸取热量，使得缸内温度减少，不利于CO和HC进一步氧化。而且正戊醇比例增加时，缸盖底面和活塞顶面凹坑的燃料浓度增加，区域燃料过浓，氧含量减少，抑制CO和HC的氧化过程(图9)。

图7 不同负荷工况D100、H30和H45燃料CO排放曲线

图8 不同负荷工况D100、H30和H45燃料HC排放曲线

图9 D100、H30和H45燃料CA50和CA90时刻CO和燃料质量分布(19.6 %进气氧浓度工况,负荷0.6 MPa)

D100、H30和H45燃料CA50和CA90时刻CO和燃料质量分布(19.6%进气氧浓度工况,负荷0.6 MPa)如图9所示，由图9可以看出，在较高负荷工况，正戊醇比例增加时，CO排放减少。在较高负荷工况，缸内燃烧温度增加[15]，正戊醇蒸发潜热对缸内温度降低的影响不明显，而且由于正戊醇-柴油燃料的氧含量更高，有利于CO的氧化，所以在较高负荷工况，正戊醇比例增加，CO排放减少。

3.2.2 NOx排放分析

NOx的形成取决于燃烧峰值温度、缸内氧气量和燃烧化学时间。NO是NOx的最主要的成分。图10是D100、H30和H45燃料在不同负荷工况下的NOx排放试验结果曲线。从图10中可知，负荷增加时，发动机NOx试验排放增加。这是因为，负荷增加时，缸内燃料质量分数增加，缸内燃烧温度增加，NOx生成量增加。图11是在19.6%和15.3%进气氧浓度工况三种燃料的CA50时刻NO质量分布，从图10中可知，随着正戊醇比例增加，NO减少，所以NOx排放减少，这是因为正戊醇蒸发潜热值较大而降低缸内温度产生的影响起到主要作用(图12)。

图10 不同负荷工况D100、H30和H45燃料NOx排放曲线

图11 D100、H30和H45燃料CA50时刻NO质量分布(19.6 %和15.3 %进气氧浓度工况)

图12 D100、H30和H45燃料CA50、CA90时刻温度分布(19.6 %进气氧浓度工况)

3.2.3 Soot排放分析

图13是不同负荷工况下3种燃料的Soot排放曲线，从图13中可知，正戊醇比例增加，Soot排放减少。这是因为，正戊醇添加，缸内滞燃期增加，而且正戊醇-柴油粘度更低，燃料雾化质量更佳，促进了滞燃期内均匀可燃气体的形成。正戊醇-柴油燃料的氧含量较多，改善了缸内可燃气体区域过浓而缺氧的状况(图14)。正戊醇-柴油燃料相比柴油的芳香烃含量比例更少，减少Soot前驱物的形成，醇类还含有羟基，燃烧更加充分，减少了Soot的生成。

图13 不同负荷D100、H30和H45燃料Soot排放曲线

图14是在19.6%进气氧浓度工况D100、H30和H45的CA50时刻C2H2和O质量分布图像，C2H2是Soot生成路径中重要的指示物。从图13中可知，正戊醇比例增加时，C2H2在CA50时刻质量分数减少。主要因为，正戊醇比例增加时缸内温度减少(图12)，燃烧速率降低，C2H2产生量减少；另外，CA50时刻缸内O的质量分数增加，C2H2+O<=>CH2+CO和C2H2+O<=>HCCO+H氧化速率增加。

图14 D100、H30和H45燃料CA50时刻C2H2和O质量分布(19.6 %进气氧浓度工况)

4 结论

本研究通过柴油机试验和仿真运算验证方法，研究负荷和正戊醇比例对正戊醇-柴油燃料的柴油机燃烧参数和排放特性的影响规律，试验和仿真运算验证方法可得出发动机实际过程准确度与可信度。主要得出以下结论：

① 正戊醇比例增加时，缸内平均压力峰值、缸内瞬时放热率峰值增加，最大压力升高率升高。负荷增加时，试验工况D100、H30和H45的缸内平均压力峰值和最大压力升高率有所升高，在较高负荷时最大压力升高率增加幅度降低。

② 正戊醇比例增加，三种燃料的滞燃期和CA50时刻增加，有效热效率升高。在较低负荷工况时，正戊醇比例增加，滞燃期增加。负荷增加时，滞燃期和CA50时刻更早，有效热效率有所升高。

③ 负荷增加，CO试验结果排放减少，在较低负荷时，正戊醇-柴油的CO排放比柴油多，而在较高负荷时，正戊醇-柴油燃料的CO排放比柴油少。NOx排放结果随着发动机负荷的增加而增加，正戊醇比例增加，NOx排放减少。HC排放随着负荷的增加而减少，当正戊醇比例增加时，HC排放增加，Soot排放减少。在适当的负荷工况,正戊醇-柴油燃料是一种更加清洁、有助环境保护的燃料。