宋亞楠 鄧騰樹

(泉州師范學(xué)院 航海學(xué)院， 福建 泉州 362000)

0 前言

丙酮、丁醇和乙醇混合物(acetone，n-butanol and ethanol mixture， ABE)是丁醇的中間發(fā)酵產(chǎn)物，可直接用作丁醇的替代燃料[1-2]。但丙酮對橡膠發(fā)動機部件具有一定的腐蝕性，且其閃點和沸點較低，因而難以存儲和運輸。于是，異丙醇、丁醇和乙醇混合物(isopropanol， butanol and ethanol，IBE)作為替代生物燃料成為新的研究方向[3-6]。研究發(fā)現(xiàn)，IBE比ABE的燃燒和排放性能更佳[5]。將較高比例的IBE混入柴油中，可以降低敲缸強度、減少煙塵排放，但會增加NOx的排放[7]。將IBE與柴油共混后用作柴油機燃料，有助于減少碳煙排放[8]。

以往的試驗大多是在發(fā)動機臺架上進行，且研究方向均側(cè)重于IBE的燃燒特性和排放特性，鮮有涉及船用柴油機IBE燃燒的噴油策略。本次研究將以某船用柴油機為研究對象，應(yīng)用 CFD 數(shù)值模擬軟件Converge 建立IBE燃燒模型，研究不同噴油策略對其燃燒和排放特性的影響，據(jù)此改善其燃燒和排放特性。

1 計算模型的搭建與驗證

以某船用中速柴油機為研究對象，采用三維仿真軟件Converge進行計算。根據(jù)柴油機的說明書和尺寸測量結(jié)果，建立幾何模型并進行網(wǎng)格劃分，柴油機的基本參數(shù)如表1 所示。以4 mm的尺寸大小劃分基礎(chǔ)網(wǎng)格，對噴油器附近和噴射路徑區(qū)域進行網(wǎng)格細化處理。

表1 柴油機的基本參數(shù)

依據(jù)柴油機的幾何尺寸，繪制燃燒室的二維幾何模型圖，并將其導(dǎo)入到Converge軟件中生成三維體網(wǎng)格。原機燃燒室對稱，噴油器位于燃燒室中央，噴孔數(shù)為 8。為了簡化計算，選取燃燒室網(wǎng)絡(luò)的 1/8 部分作為仿真計算區(qū)域。1/8燃燒室網(wǎng)格模型如圖1所示。

為了縮短計算時間，以有效壓縮沖程開始(進氣門關(guān)閉)到有效膨脹沖程結(jié)束(排氣門開啟)的時間作為時間域，計算始點為上止點前136°(即-136°)，計算終點為上止點后121°(即121°)。0°指壓縮上止點，正數(shù)表示上止點后，負數(shù)表示上止點前。模擬過程采用文獻[9]中的化學(xué)反應(yīng)機理，其中包含151個組分和755步化學(xué)反應(yīng)，相關(guān)模型如表2所示。

圖1 1/8燃燒室網(wǎng)格模型

表2 相關(guān)模型

在全負荷工況下，將純柴油發(fā)動機的仿真結(jié)果與原機試驗結(jié)果進行對比。結(jié)果顯示，仿真值與試驗測試值具有較好的吻合度(見圖2)，誤差在允許范圍(5%)以內(nèi)。這表明，所搭建的燃燒系統(tǒng)模型能夠在一定范圍內(nèi)反映實際發(fā)動機的燃燒過程，基于此模型的優(yōu)化工作具有參考價值。

圖2 缸壓仿真值與試驗測試值曲線

2 模擬結(jié)果分析

2.1 噴油時刻燃燒和排放特性的影響

選取IBE15(即燃料中IBE的體積分數(shù)為15%)作為柴油燃料，分別針對提前角(噴油時刻)為-30、-25、-20、-15°CA的4種噴油方案進行研究。

(1) 燃燒特性。不同噴油時刻缸內(nèi)IBE15燃料的燃燒特性如圖3所示。隨著噴油時刻的提前，壓力峰值與放熱相位均有所提前，滯燃期增長。當(dāng)噴油提前角為-30、-25、-20、-15°CA時，其滯燃期分別為25、21、17、14°CA。這是因為隨著噴油時刻的提前，缸內(nèi)對應(yīng)溫度壓力降低，使得燃料的蒸發(fā)擴散、焰前氧化等準(zhǔn)備時間增加，進而使滯燃期延長，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量增多使速燃期燃燒更為迅速。 CA50是指燃燒放熱量達到累計放熱量50%時的曲軸轉(zhuǎn)角，一般代表燃燒中點。噴油提前角-30、-25、-20、-15°CA對應(yīng)的CA50分別為-4、-2、5、12°CA。噴油時刻越早，燃燒中點越靠前，最高燃燒溫度也越高，缸內(nèi)最高溫度分別為1 640、1 710、1 790、1 950 K。在達到燃燒中點之后，噴油時刻越靠前，缸溫下降就越快，在80°CA 時缸內(nèi)溫度分別為1 250、1 220、1 190、1 120 K。

圖3 不同噴油時刻缸內(nèi)IBE15燃料的燃燒特性

(2) 排放特性。不同噴油時刻缸內(nèi)IBE15燃料的排放特性如圖4所示。隨著噴油時刻的提前，NOx排放顯著增大，噴油提前角為-30°CA時的NOx排放量達到提前角為-25°CA時的2倍。這是因為高溫和富氧條件是生成 NOx的重要因素，加速了NOx的生成。噴油時刻提前，會使缸內(nèi)溫度升高、滯燃期延長，從而使燃料混合更充分，使soot排放量顯著減少。但在燃燒后期(35°CA以后)，缸內(nèi)溫度變低，氧化作用變?nèi)?，最后使得soot排放量在噴油提前角-25°CA下達到最低。

圖4 不同噴油時刻缸內(nèi)IBE15燃料的排放特性

2.2 預(yù)噴策略對燃燒和排放特性的影響

分為有預(yù)噴和無預(yù)噴兩種方案進行研究，設(shè)定兩次噴油的總量相等，噴油及持續(xù)期相同。

(1) 燃燒特性。不同預(yù)噴策略下IBE15燃料的燃燒特性如圖5所示。當(dāng)有預(yù)噴時，著火時刻提前，放熱峰值和壓力峰值均降低，且缸壓出現(xiàn)雙峰趨勢。這是由于預(yù)噴燃料提前放熱，使得缸內(nèi)溫度和壓力較高，使得有預(yù)噴時的滯燃期相對較短、壓力峰值相對較低。放熱峰值下降有兩方面的原因：一是預(yù)噴與主噴的間隔阻止了更多可燃混合氣的形成；二是滯燃期縮短，使得滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣減少。缸壓曲線出現(xiàn)雙峰，這是因為預(yù)噴燃料釋放的熱量不足以克服膨脹所導(dǎo)致的壓力減小，于是出現(xiàn)了第1個波峰，而當(dāng)主噴開始后更多熱量的釋放又使第2個波峰出現(xiàn)。初期的放熱率，在有預(yù)噴時顯著下降，僅為無預(yù)噴時的 1/2；緩燃期的放熱率，有預(yù)噴時相對較高。這也使得燃燒初期有預(yù)噴時缸溫相對較低，進而逐漸達到相同的最高溫度，之后速燃期有預(yù)噴時的缸內(nèi)溫度反高于無預(yù)噴時。

圖5 不同預(yù)噴策略下IBE15燃料的燃燒特性

(2) 排放特性。不同預(yù)噴策略下的IBE15燃料排放特性如圖6所示。從中可以看出，有預(yù)噴時NOx和soot的排放都稍低于無預(yù)噴時。 燃燒初期有預(yù)噴時缸溫較低，NOx的生成速率明顯低于無預(yù)噴時，因而其排放量稍低；速燃期有預(yù)噴時缸內(nèi)溫度較高，后期氧化反應(yīng)更強，因而使得soot排放量也變得較低。

2.3 噴油持續(xù)期對燃燒和排放特性的影響

通過噴油持續(xù)角25、29、33°CA變化，分析噴油持續(xù)期對燃燒和排放特性的影響。

(1) 燃燒特性。不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料燃燒特性如圖7所示。從中可以看出，隨著噴油持續(xù)期的延長，缸壓峰值降低，放熱率和最高燃燒溫度下降。這是由于噴油持續(xù)期延長，使噴油速率下降，燃燒速率下降所致。

(2) 排放特性。不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料排放特性如圖8所示。隨著噴油持續(xù)時間延長，NOx排放顯著降低，噴油持續(xù)角33°CA時的NOx排放量僅為25°CA時的一半。這是由于噴油時間延長使得缸內(nèi)燃燒溫度更低所致。而與此相反，隨著噴油持續(xù)期的延長，soot排放量在增加；同時，在燃燒初期均生成了大量的 soot，且噴油越快soot的形成也越快。但在曲軸轉(zhuǎn)角達到10°CA之后，在25°CA時混合氣已經(jīng)得到充分混合，soot的氧化速率開始大于生成速率，其質(zhì)量開始減??；而此時，持續(xù)角為29、33°CA時缸內(nèi)混合氣仍然較濃，soot的氧化速率仍然大于生成速率，soot的質(zhì)量仍然在增大。 當(dāng)噴油持續(xù)角為29°CA時，氧化速率大于生成速率的時刻是提前角為15°CA時；當(dāng)噴油持續(xù)角為33°CA時，氧化速率大于生成速率的時刻是提前角為20°CA時。噴油持續(xù)期的延長，使得soot的形成時間加長，從而使soot排放量增大。

圖6 不同預(yù)噴策略下的IBE15燃料排放特性

圖7 不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料燃燒特性

圖8 不同噴油持續(xù)期的IBE15燃料排放特性

3 結(jié) 語

通過對IBE混合燃料在船用柴油機中的燃燒與排放特性研究，得到以下認識：

(1) 當(dāng)噴油時刻提前時，缸內(nèi)壓力峰值有所升高，壓力峰值及放熱相位均有所提前，且NOx的排放量加大，soot的生成受到抑制。

(2) 當(dāng)有預(yù)噴時，缸內(nèi)最高壓力下降，NOx、soot的排放量均小幅下降。

(3) 隨著噴油持續(xù)期的增長，缸壓峰值降低，最高燃燒溫度下降，且NOx的排放量顯著下降，soot的排放量增大。