王宪成， 李若亭， 孙志新， 马 宁， 胡俊彪

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 总装备部车船军代局驻西安军代室， 陕西 西安 710043)

一种含氧混合燃料燃烧及排放数值仿真研究

王宪成1， 李若亭1， 孙志新1， 马 宁1， 胡俊彪2

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 总装备部车船军代局驻西安军代室， 陕西 西安 710043)

针对车辆燃油机燃用含氧燃料的燃烧、排放以及发动机适应性的问题，基于CFD软件建立了柴油机燃用柴油和B20D10(70%柴油+20%生物柴油+10%DMC)含氧燃料的数值仿真模型，计算了柴油机喷油提前角和最大供油量对含氧燃料动力性以及排放特性的影响，结果表明：柴油机燃用含氧混合燃料时，其缸内燃烧温度低，NOx的生成时刻晚，碳烟排放明显降低；增加柴油机喷油提前角，柴油机的动力性提高，碳烟排放减少，但是柴油机的机械负荷以及NOx排放恶化；通过增加极限喷油量的方法可以解决含氧燃料功率下降的问题，极限供油量增大10%后，柴油机最大功率比原机燃用柴油提高了4%，同时能降低40%的碳烟排放量。

含氧燃料；燃烧；排放；数值仿真

随着世界范围内能源短缺和环境污染问题的日益突出，车辆代用燃料已成为新型能源研究的一大热点[1-3]。由于含氧燃料在柴油机燃烧过程中具有自供氧功能，可以增加混合气中的氧浓度，缩短燃烧持续期，提高热效率[4-8]，因此，掺混部分含氧燃料作为车辆柴油机代用燃料是应对能源短缺的有效措施。目前，国内外学者[9-12]主要通过实验方法研究含氧代用燃料的燃烧和排放特性，存在周期较长且实验成本较高等诸多问题。随着计算机技术及柴油机计算燃烧模型的发展，近年来数值计算被广泛应用于柴油机缸内燃烧及其工作过程仿真。国外学者Kidoguchi等[13]建立数值模型对高挤流燃烧室的排放进行了仿真计算，Song等[14]建立三维CFD模型研究了直喷式HCCI柴油机的燃烧特性；在国内，汤东等[15]利用三维数值计算方法研究了柴油机掺烧生物柴油的NOx和碳烟排放，施爱平等[16]对YD490ZL 型柴油机进气、压缩、燃烧过程进行了多维瞬态数值模拟。然而，目前国内外有关柴油机三维数值仿真的研究多限于发动机的燃烧及排放特性，尚无针对柴油机燃用含氧燃料发动机适应性的计算研究。

鉴于此，笔者利用CFD软件AVL_Fire[17]，建立柴油机燃烧的三维数值仿真模型，模拟全负荷工况条件下柴油和B20D10(70%柴油+20%生物柴油+10%DMC)含氧燃料的混合气形成、燃烧和排放过程，分析研究含氧燃料对柴油机燃烧过程的影响，为研究柴油机代用燃料提供依据。

1 柴油机工作过程数值仿真建模

1.1 数学模型

柴油机工作过程中，气缸内喷雾、混合气形成和燃烧过程十分复杂，具有非均质、强湍流和非定常等特点，其燃油喷射、蒸发雾化过程也较为复杂，为典型的气液两相流交互过程[18-19]。为使质量方程、动量方程以及能量方程等基础方程封闭，计算过程中需建立缸内工作过程的数学模型。本文所选用的数学模型如表1所示。

表1 数学模型

1.2 初始条件

本文数值仿真模型基于12缸150增压柴油机建立，柴油机燃烧室的主要结构参数如表2所示。

表2 燃烧室主要结构参数

为了缩短计算时间，模拟仿真上止点前60 °CA到上止点后60 °CA范围内的结果，其中：计算时间步长在喷雾与燃烧附近上止点前后20 °CA内采用0.5 °CA加密，其余步长设置为1 °CA。将扇形体周向相对的两面定义为循环边界，将其余边界定义为固壁边界，其边界条件设定如表3所示。

表3 边界条件设定 K

柴油机燃烧系统采用轴对称布置，为了提高计算效率，根据喷油器孔数(8孔)选取1/8扇形燃烧室作为计算区域。图1为柴油机燃烧室三维网格图，计算初始时刻的网格划分为10 060个单元。

图1 柴油机燃烧室三维计算网格

1.3 三维计算模型验证

为了验证模型的正确性，以转速2 000 r/min外特性工况点为计算工况点，对比柴油机燃用柴油缸内压力的实验结果与模拟结果，如图2所示。

图2 缸内压力曲线的实验结果和模拟结果

由图2可见：模拟结果与柴油机实验缸内压力曲线基本一致，其误差在3%以内。引起误差的主要原因是：模拟计算中采用的是shell单步放热模型，放热速度比实际要快[20]，产生最大爆发压力比实验值高。总体来说，模拟结果与实验结果吻合较好。

2 含氧燃料燃烧及排放特性分析

以转速2 000 r/min外特性工况点为计算工况点，对柴油机燃用柴油及含氧混合燃料燃烧及排放特性进行对比分析。

2.1 燃烧特性分析

图3为气缸内混合气体形成各历程的浓度分布模拟结果，其中，喷油时刻所对应柴油机的曲轴转角为704 °CA。可以看出：柴油和含氧燃料均经历了喷雾、碰壁和蒸发等过程；但由于含氧燃料的黏度与柴油相比有所降低，且初始粒径分布也更细，其喷射贯穿距离相比柴油要小[21]。

图4为缸内温度场分布，可以看出：1)燃油喷射后，局部区域温度下降，这是因为燃油蒸发过程中会吸收热量；2)缸内着火首先发生在喷雾的边缘部分，因为这部分混合气最先蒸发，并且浓度比较合适，滞燃期最短，随后燃烧扩散到其他区域，缸内整体温度升高；3)燃烧过程中，含氧燃料的燃烧温度要比柴油低，这是由于含氧燃料的低热值小于柴油的低热值，因此，相同质量的含氧燃料燃烧的绝热温度相对柴油要低。

图3 混合气体浓度分布

图4 缸内温度场分布

2.2 排放特性分析

图5所示为缸内NOx的生成历程，可以看出：1)缸内混合气体在740 °CA以前，基本无NOx生成，只有在燃烧的后期，缸内温度较高时才出现NOx的排放；2)含氧燃料燃烧温度较低，其NOx排放也比柴油燃烧的排放要低。

图5 缸内NOx生成历程

图6为缸内碳烟排放的生成历程，可以看出：1)燃油喷射后，在空燃比很浓的区域即有部分碳烟生成，而随着温度的升高，这部分碳烟又会被空气氧化[22]；2)含氧燃料的碳烟生成比柴油要少，这主要是因为含氧燃料本身具有含氧成分，当量比浓度要比柴油低，碳烟的生成更难。

图6 缸内碳烟生成历程

3 喷油提前角与供油量调整计算分析

为了提高燃料适应性，柴油机燃用含氧混合燃料时，应相应调整喷油提前角。但目前台架实验所用柴油机的喷油提前角调整难度大，且精度很难保证，因此，利用建立的含氧燃料燃烧模型对喷油提前角进行模拟调整，可以分析喷油提前角与喷油量调整对含氧燃料应用于柴油机的性能改变的影响。

3.1 喷油提前角调整分析

以最大扭矩转速1 400 r/min的外特性工况点为计算工况点，原机喷油时刻为上止点前19 °CA，循环喷油量为207 mg。将喷油提前角在-25～-10 °CA范围内变化，研究含氧燃料的燃烧和排放情况。缸内燃烧压力和放热率随喷油提前角的变化规律见图7。

图7 缸内燃烧压力和放热率随喷油提前角的变化规律

由图7可知喷油提前角对柴油机的性能有较大影响：1)当喷油提前角由原机的-19 °CA分别增大到-22、-25 °CA时，缸内燃烧压力峰值由8.28 MPa相应提高到8.83、9.30 MPa，分别增加了6.64%、12.32%，缸内燃烧放热率峰值由71.79 J/°CA相应提高到73.20、79.01 J/°CA，分别提高了1.96%、10.06%,这是因为喷油提前角的增大使滞燃期延长，滞燃期内喷入的燃油量大，从而导致初始放热量增大，柴油机的机械负荷增大；2)当喷油提前角由-19 °CA分别减小为-15、-10 °CA时，缸内燃烧压力峰值分别降低了7.37%、21.01%,缸内燃烧放热率峰值分别降低了9.35%、23.01%，对应的曲轴转角也相应推迟。

图8为柴油机扭矩随喷油提前角的变化规律，可以看出：1)喷油提前角为-22、-25 °CA时，最大扭矩分别比原机增加了3.05%、6.10%；2)当喷油提前角减小为-15、-10 °CA时，最大扭矩分别降低了3.39%、10.04%；3)随着喷油提前角减小，燃烧持续期延长，做功能力下降，功率有所损失。

图8 柴油机扭矩随喷油提前角的变化规律

图9为NOx以及碳烟排放随喷油提前角的变化规律，可以看出：1)随着喷油提前角的增大，NOx排放逐渐增加，而碳烟排放逐渐减少，两者呈现出此消彼长的规律，这主要是因为喷油时刻的提前使滞燃期延长，燃油有更多的时间混合蒸发，混合气更加均匀，着火后，混合气燃烧温度增加，更适合于NOx的生成，同时，由于局部浓区的范围减小，碳烟的生成区域减少，柴油机NOx与碳烟排放这种此消彼长的规律使得在缸内难以同时降低两者的排放量；2)当喷油提前角由-22 °CA减小到-10° CA时，NOx排放由1 191×10-6降低至650×10-6，碳烟由1 005×10-6增加至1 370×10-6。

图9 NOx和碳烟排放随喷油提前角的变化规律

由上述分析可得：1)车辆柴油机燃用含氧混合燃料，在一定的工况下存在着最优喷油提前角；2)最优喷油提前角取决于柴油机的动力性、机械负荷以及排放等综合指标的选择；3)加大喷油提前角，柴油机的动力性提高，碳烟排放减少，柴油机的机械负荷以及NOx排放恶化。因此，喷油提前角应在-25～-15 °CA范围内。为确保动力性、经济性和降低碳烟排放的效果，喷油提前角可保持不变(上止点前19 °CA)或略有提前。

3.2 供油量调整计算分析

掺混含氧燃料后，由于燃料的低热值比柴油低，相同喷油量情况下的柴油机动力性下降，因此，可以通过增加极限喷油量来弥补功率损失。实验用柴油机额定转速为2 000 r/min，则选取此时的外特性工况点为计算工况点，分别模拟极限喷油量增加5%和10%后，柴油机的动力恢复情况以及排放性能的变化。

图10为柴油机扭矩随极限喷油量的变化规律，可以看出：极限喷油量增加10%，柴油机扭矩已达2 650 N·m，与原机燃用柴油时相比增加了约4%，完全满足柴油机的动力性需求。

图10 柴油机扭矩随极限喷油量的变化规律

图11为NOx以及碳烟排放随极限喷油量的变化规律，可以看出：1)NOx排放随着极限喷油量的增加而显著增加，但碳烟排放增加比较少，这是由于NOx生成主要受燃烧温度影响，随着极限喷油量增加，缸内燃烧温度相应增加，因此NOx排放量增加；2)碳烟排放主要与混合气的浓度有关，含氧燃料本身含氧，因此，碳烟的生成对混合气浓度的敏感性下降，碳烟增加并不多；3)极限喷油量增加10%后，碳烟排放增加了8%左右，但仍比原机燃用柴油时下降了40%。因此，通过增加极限喷油量的方式可以解决含氧燃料功率下降的问题，同时保证降低碳烟排放的效果。

图11 NOx和碳烟排放随极限喷油量的变化规律

4 结论

本文通过建立数值仿真模型，模拟了全负荷工况下的柴油和B20D10的混合气形成、燃烧和排放过程，研究了含氧燃料对柴油机燃烧过程的影响。主要结论如下。

1) 柴油机燃用含氧混合燃料与燃用柴油相比，缸内燃烧温度低，NOx的生成时刻晚，碳烟排放明显减少。

2) 对喷油提前角的调整进行模拟研究，结果表明：加大喷油提前角，柴油机的动力性提高，碳烟排放减少，但是柴油机的机械负荷以及NOx排放恶化。喷油提前角应在-25～-15 °CA范围内，为确保动力性和降低碳烟排放的效果，喷油提前角可保持不变(上止点前19 °CA)或略有提前。

3) 模拟了柴油机极限供油量的调整。结果表明：通过增加极限喷油量的方法可以解决含氧燃料功率下降的问题，极限供油量增大10%后，柴油机最大功率比原机燃用柴油提高4%，同时能降低40%的碳烟排放量。

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(责任编辑:尚菲菲)

Numerical Simulation of Combustion and Emission of a Kind of Oxygenated Mixed Fuel

WANG Xian-cheng1, LI Ruo-ting1, SUN Zhi-xin1, MA Ning1, HU Jun-biao2

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. Xi’an Office, Vehicle and Ship Representative Bureau, General Armament Department, Xi’an 710043, China)

In view of the problem of energy shortage, a CFD model is established to simulate numerically the mixture gas formation, combustion and emissions of diesel and B20D10 oxygenated fuel. The impact of fuel supply advance angle and maximum fuel supply amount on oxygenated fuel dynamic performance and emission feature are calculated as well. Result shows that compared with diesel oil, the application of B20D10 oxygenated mixed fuel leads to a lower temperature in the engine cylinder, the NOxgeneration timing is later and soot emissions is significantly reduced. Power performance of the engine increases and soot emissions decrease as the fuel supply advance angle increases, yet mechanical loads and NOxemissions deteriorate. The oxygenated fuel power decline problem could be solved by increasing maximum fuel supply amount. As maximum fuel supply amount increases by 10%, the maximum power of diesel engine applied with oxygenated fuel increases by 4% compared to the engine applied with diesel, and the soot emissions also decrease by 40%.

oxygenated fuel; combustion; emission; numerical simulation

1672-1497(2015)02-0029-06

2014-11-25

军队科研计划项目

王宪成(1964-)，男，教授，博士。

TK427

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.006