鄭 佳 周 斌 南靖雯 閆嘉楠

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川 成都 610031）

引言

隨著社會的不斷進(jìn)步、科技的不斷發(fā)展以及人們生活需求的不斷增加，汽車正不斷地步入平常家庭。人們不斷改變著汽車，汽車也不斷改變著人們的生活。汽車保有量的逐漸增加使得能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,促使世界各國加快了替代燃料的開發(fā)。

生物柴油是一種以植物油脂、動物油脂及餐飲廢油等為原料加工制成的新型燃料，具有與柴油相近的性能。不同濃度（不同生物柴油體積分?jǐn)?shù)）的生物柴油-0#柴油混合燃料可直接應(yīng)用于壓燃式內(nèi)燃機(jī)[1]。從二十世紀(jì)八十年代開始，國內(nèi)外學(xué)者對柴油機(jī)摻燒或直接燃用生物柴油進(jìn)行了大量研究。研究結(jié)論基本一致：在柴油機(jī)不作任何機(jī)械變動的情況下?lián)綗蛑苯尤加蒙锊裼?，會使柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性能降低，NOx排放有所增加，其它排放有所降低[2-4]。但這些學(xué)者大都是研究生物柴油對柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的影響，很少有人研究燃用生物柴油-0#柴油混合燃料對柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響。

瞬態(tài)工況下，柴油機(jī)的燃燒過程及各項(xiàng)性能與穩(wěn)態(tài)工況存在較大差別。對于廢氣渦輪增壓柴油機(jī)，這一差別更加明顯。瞬態(tài)工況是車用發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的主要工況，為了限制瞬態(tài)工況下的排放，各國的排放法規(guī)出臺了瞬態(tài)測試循環(huán)。因此，研究摻燒生物柴油對柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響，對生物柴油的應(yīng)用具有重要意義。

本文運(yùn)用GT-Power軟件建立4JB1增壓柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)模型和生物柴油燃料模型，在模型得到驗(yàn)證后，將模型向瞬態(tài)仿真平臺轉(zhuǎn)化，仿真計(jì)算瞬態(tài)工況下柴油機(jī)燃用生物柴油-0#柴油混合燃料對柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出、NOx排放和Soot排放的影響，以及引入EGR后，EGR對柴油機(jī)NOx排放和Soot排放的影響。

1 仿真模型的建立

1.1 柴油機(jī)模型的建立

GT-Power是美國Gamma Technologies公司開發(fā)的GT-SUITE軟件包中一個重要的組成部分，著重于發(fā)動機(jī)的性能計(jì)算，在發(fā)動機(jī)研發(fā)過程中應(yīng)用十分廣泛。本文以4JB1增壓柴油機(jī)為研究對象。4JB1增壓柴油機(jī)主要用在越野車、皮卡車和輕型卡車上，其排放滿足國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。該柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)該柴油機(jī)參數(shù)所建立的仿真模型如圖1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

柴油機(jī)仿真模型建立后，為保證仿真模型的正確性，需對仿真模型進(jìn)行校驗(yàn)。首先對比柴油機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率的試驗(yàn)值和仿真值，結(jié)果如圖2所示。轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率的最大誤差分別為2.97%和4.35%。

圖1 柴油機(jī)整機(jī)仿真模型圖

圖2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比

為保證仿真模型氣缸內(nèi)的燃燒情況與柴油機(jī)真實(shí)燃燒情況一致，對比柴油機(jī)額定工況點(diǎn)氣缸壓力的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。對比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖3 額定工況點(diǎn)氣缸壓力對比

柴油機(jī)NOx排放的仿真值與試驗(yàn)值對比如圖4所示。從圖4可以看出，NOx排放的仿真結(jié)果較為合理。

圖4 NO x排放對比

由于Soot排放模型是一個趨勢預(yù)測模型，在建模過程中，通常保證其趨勢與試驗(yàn)一致。本文中，Soot排放模型的Soot排放在外特性工況下呈低轉(zhuǎn)速高而高轉(zhuǎn)速低的趨勢，與試驗(yàn)吻合。

通過以上分析可知，本文所建立的模型及參數(shù)設(shè)置與柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況基本吻合，可運(yùn)用該模型進(jìn)行后續(xù)仿真計(jì)算。

1.2 生物柴油燃料模型的建立

生物柴油的主要性能指標(biāo)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表2，其生產(chǎn)原料為地溝油。

表2 生物柴油主要性能指標(biāo)

在仿真模型中，生物柴油的密度、低熱值等主要參數(shù)的設(shè)置如圖5所示，生物柴油中碳?xì)溲踉拥谋壤葏?shù)的設(shè)置如圖6所示。

生物柴油燃料模型建立后，在外特性下，隨機(jī)選取1 600 r/min工況點(diǎn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表3。從表3可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

1.3 柴油機(jī)瞬態(tài)模型的建立

圖5 生物柴油主要參數(shù)設(shè)置

圖6 生物柴油氣態(tài)參數(shù)設(shè)置

表3 生物柴油模型驗(yàn)證

完成柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型以及生物柴油燃料模型的建立和驗(yàn)證之后，將模型由穩(wěn)態(tài)向瞬態(tài)轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化過程中，將噴油量、噴油提前角等對工況變化敏感或?qū)π阅芊抡嬗绊戄^大的參數(shù)處理成隨轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的變化圖。將管路壁面溫度等對性能評價指標(biāo)影響較小的參數(shù)處理成常數(shù)，縮短仿真計(jì)算時間[5]。

本文研究的瞬變過程為柴油機(jī)1 800 r/min恒轉(zhuǎn)速變負(fù)荷過程，在模型中采用speed模式實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)模型的建立。在該模式下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，通過控制燃油噴射時間，達(dá)到瞬態(tài)模型恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的目的[6]。循環(huán)噴油量隨時間的變化如圖7所示，圖中的X軸為時間，Y軸為循環(huán)噴油量。

從圖7可以看出，在瞬變過程中，循環(huán)噴油量線性增加。而且瞬變過程可以分為3個階段：

1）柴油機(jī)在低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的階段；

2）柴油機(jī)從低負(fù)荷向高負(fù)荷瞬態(tài)變化的階段；

圖7 循環(huán)噴油量變化圖

3）柴油機(jī)在高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的階段。

2 混合燃料對柴油機(jī)性能的影響

以 B0、B10、B20、B30、B40 和 B50 分別代表生物柴油體積分?jǐn)?shù)為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。本文首先研究瞬態(tài)工況下燃用不同生物柴油體積分?jǐn)?shù)的混合燃料對柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出、NOx排放和Soot排放的影響。由于不同體積分?jǐn)?shù)的生物柴油會使柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出不同程度地降低，因此，本文采用比排放研究柴油機(jī)排放特性。

2.1 進(jìn)氣量和空燃比隨時間的變化

在研究混合燃料對柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響之前，先觀察原機(jī)進(jìn)氣量和空燃比在瞬變過程中隨時間的變化，以便后面進(jìn)行分析。

圖8為瞬變過程中柴油機(jī)進(jìn)氣量隨時間的變化規(guī)律。

圖8 進(jìn)氣量隨時間的變化

從圖8可以看出，進(jìn)氣量的增加相對于燃油消耗量的增加在時間上有滯后。在燃油消耗量變化結(jié)束時，進(jìn)氣量繼續(xù)增加，直到燃油消耗量穩(wěn)定一段時間后，進(jìn)氣量才穩(wěn)定下來。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是增壓器的遲滯效應(yīng)。瞬變過程中，燃油消耗量增加，經(jīng)過一段時間后，排氣能量才開始增加，使得進(jìn)氣量增加，即渦輪增壓器從排氣能量的建立到進(jìn)氣壓力的建立需要一定的時間。

瞬變過程中，柴油機(jī)空燃比隨時間的變化如圖9所示。

圖9 空燃比隨時間的變化

由于進(jìn)氣量的增加滯后于燃油消耗量的增加，因此，從圖9可以看出，瞬變過程中，柴油機(jī)空燃比隨時間呈凹曲線形式降低。燃油消耗量變化結(jié)束時，柴油機(jī)的空燃比達(dá)到最低?？杖急冗_(dá)到最低后，進(jìn)氣量的繼續(xù)增加使空燃比稍有增加，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 混合燃料對轉(zhuǎn)矩輸出的影響

瞬變過程中，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出隨時間的變化如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)矩輸出隨時間的變化

從圖10可以看出，隨著燃油消耗量的逐漸增加，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸增加。在燃油消耗量變化結(jié)束后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩稍有增加，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

瞬變過程中，燃用 B10、B20、B30、B40 和 B50 混合燃料對柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的影響如圖11所示。

圖11 混合燃料對轉(zhuǎn)矩輸出的影響

從圖11可以看出，相比于燃用B0，隨著生物柴油的加入，柴油機(jī)在高低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行階段和瞬變階段的轉(zhuǎn)矩輸出都有不同程度的降低。隨著混合燃料中生物柴油體積分?jǐn)?shù)的增加，轉(zhuǎn)矩輸出的降低幅度增大。這主要是由于生物柴油的熱值低于0#柴油，相同質(zhì)量燃料燃燒所放出的熱量低于0#柴油?；旌先剂现猩锊裼腕w積分?jǐn)?shù)越大，其熱值越低，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的降低幅度越大。

2.3 混合燃料對Soot排放的影響

瞬變過程中，柴油機(jī)Soot排放隨時間的變化如圖12所示。

圖12 Soot排放隨時間的變化

從圖12可以看出，隨著燃油消耗量的逐漸增加，柴油機(jī)Soot排放逐漸增加，在燃油消耗量變化結(jié)束時，Soot排放達(dá)到最大值。在燃油消耗量變化結(jié)束后，柴油機(jī)Soot排放稍有降低，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

瞬變過程中，缸內(nèi)溫度的提高滯后于循環(huán)噴油量的增加，使得噴入氣缸油束的平均蒸發(fā)速度比穩(wěn)態(tài)時慢，燃油與空氣的混合比穩(wěn)態(tài)時難，缸內(nèi)局部缺氧區(qū)域比穩(wěn)態(tài)時多。同時，渦輪增壓器的遲滯效應(yīng)使得進(jìn)氣量的增加滯后于循環(huán)噴油量的增加，導(dǎo)致瞬態(tài)時的空燃比低于相同循環(huán)噴油量在穩(wěn)態(tài)時的空燃比，混合氣混合質(zhì)量變差[5]。這2方面的因素使得燃燒惡化、Soot排放增加，導(dǎo)致瞬變過程Soot排放的最大值高于穩(wěn)定狀態(tài)。

燃油消耗量變化結(jié)束后，渦輪增壓器的遲滯效應(yīng)使得柴油機(jī)進(jìn)氣量在燃油消耗量達(dá)到穩(wěn)定后繼續(xù)增加。進(jìn)氣量的增加使得空燃比增大、Soot排放降低。隨著進(jìn)氣量的逐漸穩(wěn)定，Soot排放也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

瞬變過程中，柴油機(jī)燃用 B10、B20、B30、B40 和B50混合燃料對柴油機(jī)Soot排放的影響如圖13所示。

圖13 混合燃料對Soot排放的影響

從圖13可以看出，相比于燃用B0，隨著生物柴油的加入，柴油機(jī)在高低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行階段和瞬變階段的Soot排放都有不同程度的降低。隨著混合燃料中生物柴油體積分?jǐn)?shù)的增加，Soot排放的降低幅度增大。這主要有3個方面的原因[7]：一是生物柴油含氧的特性改善了缺氧嚴(yán)重的擴(kuò)散燃燒，使燃燒更加充分；二是生物柴油汽化潛熱大，降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，抑制了碳煙生成；三是生物柴油不含芳香烴，使得燃燒室內(nèi)部過濃區(qū)高分子因高溫缺氧裂解而產(chǎn)生的碳煙減少。

2.4 混合燃料對NO x排放的影響

瞬變過程中，柴油機(jī)NOx排放隨時間的變化如圖14所示。

圖14 NO x排放隨時間的變化

從圖14可以看出，隨著燃油消耗量的逐漸增加，柴油機(jī)NOx排放逐漸降低，在燃油消耗量變化結(jié)束時，NOx排放達(dá)到最小值。在燃油消耗量變化結(jié)束后，NOx排放稍有增加，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

瞬變過程中，隨著燃油消耗量的逐漸增加，柴油機(jī)空燃比逐漸降低。NOx生成的主要條件是高溫富氧，空燃比的降低破壞了NOx生成條件，使NOx排放隨著空燃比的降低而逐漸降低。增壓器的遲滯效應(yīng)使得柴油機(jī)空燃比呈凹曲線形式降低，使得NOx排放也呈凹曲線形式降低。在燃油消耗量變化結(jié)束時，空燃比達(dá)到最低，此時NOx排放也達(dá)到最低。燃油消耗量變化結(jié)束后，由于渦輪增壓器的遲滯效應(yīng)，在燃油消耗量達(dá)到穩(wěn)定后，柴油機(jī)進(jìn)氣量繼續(xù)增加，滯后于燃油消耗量一段時間才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)氣量的增加使得NOx排放增加，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

瞬變過程中，柴油機(jī)燃用 B10、B20、B30、B40 和B50混合燃料對柴油機(jī)NOx排放的影響如圖15所示。

圖15 混合燃料對NO x排放的影響

從圖15可以看出，相比于燃用B0，隨著生物柴油的加入，柴油機(jī)在高低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行階段和瞬變階段的NOx排放都有不同程度的增加。隨著混合燃料中生物柴油體積分?jǐn)?shù)的增加，NOx排放的增加幅度增大。這主要有3個方面的原因[7]：一是生物柴油為含氧燃料，生物柴油的加入使得燃燒區(qū)域的氧濃度提高，有利于NOx生成；二是生物柴油十六烷值較高，滯燃期短，著火時刻早，能較早觸發(fā)NOx生成；三是生物柴油中所含分子量較大的成分只能在燃燒的后階段被燃燒，使得排氣溫度升高。

3 EGR對混合燃料排放的影響

研究發(fā)現(xiàn)，在綜合考慮動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的情況下，生物柴油的摻燒比例以不超過30%為宜[7]。本文以B30混合燃料為研究對象，研究EGR的引入對混合燃料Soot排放和NOx排放的影響。

3.1 EGR對Soot排放的影響

不同EGR率對瞬態(tài)工況下柴油機(jī)Soot排放的影響如圖16所示。

圖16 生物柴油結(jié)合EGR對Soot排放影響

從圖16可以看出，在整個過程中，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。這主要是由于EGR的引入稀釋了進(jìn)入氣缸的新鮮充量，降低了缸內(nèi)氧的濃度，影響了空氣與燃油的混合，局部缺氧區(qū)域增多，燃料燃燒不完全，Soot排放增加。EGR率越大，進(jìn)入氣缸的新鮮充量越小，Soot排放增加越多[8]。

3.2 EGR對NO x排放的影響

不同EGR率對瞬態(tài)工況下柴油機(jī)NOx排放的影響如圖17所示。

圖17 生物柴油結(jié)合EGR對NO x排放影響

從圖17可以看出，在整個過程中，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的引入一方面稀釋了混合氣，降低了氣缸中氧的濃度，從而減少了NOx的生成；另一方面再循環(huán)廢氣中的二氧化碳和水蒸汽等三原子分子氣體增加，缸內(nèi)工質(zhì)（即混合氣）的比熱容增大，有效降低了最高燃燒溫度和最高燃燒壓力，影響了NOx生成的溫度條件，減少了 NOx排放[8]。

3.3 EGR率的選擇

生物柴油的加入使得柴油機(jī)Soot排放降低、NOx排放增加，而EGR的引入使得柴油機(jī)Soot排放增加、NOx排放降低。圖18和圖19分別為B30混合燃料以及B30混合燃料引入EGR率為4.3%時的Soot排放和NOx排放與燃用B0的對比圖。從圖18和圖19可以看出，B30混合燃料引入EGR率為4.3%時的Soot排放和NOx排放均與燃用B0相當(dāng)。

圖18 Soot排放與原機(jī)對比圖

圖19 NO x排放與原機(jī)對比圖

4 結(jié)論

1）燃用生物柴油-0#柴油混合燃料，使得柴油機(jī)瞬態(tài)工況下NOx排放增加，轉(zhuǎn)矩輸出和Soot排放降低，生物柴油體積分?jǐn)?shù)越大，效果越明顯。

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，效果越明顯。

3）B30混合燃料引入EGR率為4.3%時，柴油機(jī)的NOx排放和Soot排放均與燃用B0相當(dāng)。