谷亞麗 鄭 培 武秀俠

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力學院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

引言

截至2015年底，中國機動車數(shù)量攀升至2.79億臺，乘用車和商用車的數(shù)量一共接近1.72億臺[1]。截至2018年，我國汽車保有量24 028萬輛，相比2017年增長10.5%[2]。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和日益嚴格的排放法規(guī)，越來越多的研究者致力于開發(fā)新技術(shù)提高排放性能。為了緩解能源危機和環(huán)境污染，研究可持續(xù)再生能源必不可少。生物柴油的到來，對于高原地區(qū)改善柴油發(fā)動機的燃燒和排放狀況具有優(yōu)越性[3]。

生物柴油相較于傳統(tǒng)石化燃料含碳量低，能有效改善HC、CO、PM的排放，具有可再生性[4]。生物柴油和石化柴油的理化性質(zhì)相似，可直接在柴油機上使用，但是，NOx排放大大增加了[5-6]。為了滿足國家排放標準，廢氣再循環(huán)成為控制柴油機NOx排放的最有效方式之一[7]。其中，數(shù)值模擬是常用的研究內(nèi)燃機工作過程的方法，可以預測發(fā)動機的燃燒和排放特性。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用OED483Q直列、4沖程、4缸高壓共軌渦輪增壓柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。測試設(shè)備有AVL電力測功機，排放柜AVL AMAi60和燃油消耗儀等。嚴格按照發(fā)動機臺架試驗標準進行調(diào)控測試。主要設(shè)備如表2所示。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

表2 主要試驗設(shè)備

其中，電力測功機可以測得變工況下的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)，燃油消耗儀記錄燃油消耗量及燃油消耗率。

1.2 試驗燃油

本文使用的生物柴油是由辛集市金瑞生物化工有限公司用廢棄食品煎炸油生產(chǎn)的，生物柴油基本性質(zhì)如表3所示。

表3 燃料的基本參數(shù)

1.3 CONVERGE軟件介紹

本文所采用的CONVERGETM三維模擬軟件，是在KIVA的基礎(chǔ)上開發(fā)的，幾乎所有的子模型都保存為文本文件的形式，便于用戶修改和編輯，具有指定加密和自適應網(wǎng)格加密功能，不需要人為劃分網(wǎng)格，每計算一步都會自動重建網(wǎng)格，可以最大限度地提高網(wǎng)格效率及增加計算精度。該軟件不具有圖像后處理功能，需要將計算文件轉(zhuǎn)化為Fieldview、Tecplot、Ensight或GMV可識別格式文件，再導入相關(guān)后處理軟件進行圖像處理。本文采用Ensight作為后處理軟件，Ensight[8]是針對CFD專用的后處理軟件，圖形和視覺包豐富，用戶可自行選擇圖形或動畫表達結(jié)果。Converge工作流程如圖1所示。

圖1 Converge工作流程

1.4 模型的建立與驗證

如圖2所示，根據(jù)OED483Q型發(fā)動機燃燒室尺寸，繪制燃燒室的二維網(wǎng)格并生成燃燒室的三維六面體動態(tài)網(wǎng)格，由于試驗柴油機使用8孔對稱噴油器，為了節(jié)省計算時間，生成的計算網(wǎng)格為1/8模型。

圖2 燃燒室1/8模型

Converge軟件是在遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等前提下來計算模擬柴油機缸內(nèi)氣體的流動與燃燒。模型建立的好壞直接關(guān)系到數(shù)值模擬計算結(jié)果的準確性和可靠性。因此需要對其進行驗證。由圖3可知，生物柴油的缸內(nèi)平均壓力變化曲線光滑，變化趨勢均符合柴油機的燃燒機理。從圖4可知，最高爆發(fā)壓力與試驗值的誤差不超過5%，此模型可用。

圖3 1 600 r/min生物柴油的做功圖

圖4 轉(zhuǎn)速對最高爆發(fā)壓力的影響

2 結(jié)果分析

本文研究工況為：轉(zhuǎn)速1 600 r/min，EGR率分別為0、10%、20%和30%對柴油機性能和排放的影響，以下簡稱 E0、E10、E20 和 E30。

2.1 EGR率對柴油機做功能力的影響

利用Converge軟件模擬改變進氣成分，從而改變EGR率對柴油機性能的影響，這樣可直接改變EGR率大小，相較于實驗操作簡便，精度更高。EGR率增大，空氣需求量減小，減少部分由廢氣來代替，進氣氧濃度降低，對燃燒有抑制作用。

本文通過Converge軟件控制EGR率對缸壓和缸溫的影響圖，如圖5和圖6所示。

圖5 EGR率對缸壓的影響

由圖5可知，隨著EGR率增加，燃料生物柴油的爆發(fā)壓力峰值均呈下降趨勢。EGR為0時生物柴油的最高爆發(fā)壓力為11.0 MPa左右。EGR率為30%時，生物柴油的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力是7 MPa?？梢姡S著EGR的增大，廢氣量增大，進一步降低空燃比，使得缸內(nèi)燃燒惡化，缸壓下降。所以，要適當控制EGR率的大小，讓發(fā)動機擁有良好的動力性。圖6結(jié)果表明：隨著EGR率增加，生物柴油的缸溫逐漸降低。這是因為隨著EGR率的增加，新鮮充量隨之減少，氧濃度逐漸下降，著火延遲靠近上止點，壓力升高率下降，因此生物柴油的最高爆發(fā)壓力及平均燃燒溫度均下降。

圖6 EGR率對缸溫的影響

2.2 EGR率對NO x排放的影響

增加EGR率，廢氣量增加，新鮮空氣量減少，對于減少NOx排放的作用非常明顯。曲軸轉(zhuǎn)角分別為10°CA、20°CA、30°CA 下不同 EGR 率下的 NOx質(zhì)量分數(shù)排放情況，如表4所示。

從表4可知，EGR率為0時各工況條件下，NOx排放量較高，EGR率為10%、20%、30%時，生物柴油的NOx排放量大幅度降低。這是由于隨著EGR率增加，廢氣量也增加，新鮮充量減少，氧濃度降低，燃料的焰前化學反應和燃燒反應速度都降低。其次，缸內(nèi)燃燒平均溫度降低，燃燒持續(xù)期延長，加之廢氣的熱效應及化學效應的共同作用，NOx生成所需的高溫富氧條件被破壞，使得NOx的生成量大幅降低。

表4 EGR率對NOx排放的影響

2.3 EGR率對CO和碳煙排放的影響

不同EGR率、不同工況下的CO和碳煙的分布云圖，如表5和6所示。

由表5可以看出，曲軸轉(zhuǎn)角10°CA、20°CA、30°CA時的CO的云圖分布，隨著EGR率增大，生物柴油的CO排放總體較少，這是因為生物柴油本身含碳量低，用于反應的C原子減少，生成的CO較少；并且生物柴油含有10.7%的氧，有效改善燃燒，使大量的CO被氧化成CO2排放，所以生物柴油的CO排放較少。但是在EGR率為30%時，由于EGR率增加，進入氣缸的廢氣量增加，新鮮充量減少，氧濃度降低，燃燒不充分，導致CO排放量有所增加，并且EGR率的增大導致CO排放量有惡化的趨勢。

由表6可知，在曲軸轉(zhuǎn)角為10°C A時，生物柴油隨著EGR率的增加碳煙排放明顯降低，而碳煙形成的條件是高溫缺氧，EGR率的增大，燃燒室內(nèi)的溫度降低，這些不利于SOOT的生成。但是在曲軸轉(zhuǎn)角為30°CA、EGR為30%時，碳煙產(chǎn)生區(qū)域略有增大，這是由于EGR率的提高，使得缸內(nèi)氧濃度下降，碳煙燃燒不充分，因此排放增加。

表5 EGR率對CO排放的影響

表6 EGR率對碳煙排放的影響

3 結(jié)論

綜上所述，生物柴油基本滿足發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性要求，作為柴油的替代燃料是可行的，利用Converge軟件對內(nèi)燃機工作過程進行模擬研究是合理的。增大EGR率，使得生物柴油的缸壓下降，動力性降低。因此，要選取合適的EGR率。增大EGR率，可以讓CO的排放量和碳煙排放量增加幅度較小；采用EGR可以有效降低NOx和碳煙排放，沒有出現(xiàn)NOx和SOOT之間trade-off關(guān)系，顯現(xiàn)出生物柴油有良好的耐EGR性。