F-T 柴油掺混醇醚燃料发动机的燃烧和排放特性

2020-10-21朱建军吴子龙

机械设计与制造 2020年10期

李鹏，朱建军，吴子龙

（太原理工大学机械工程学院车辆工程系，山西太原 030024）

1 引言

我国煤炭资源十分丰富，作为先进煤化工的产物：F-T 柴油、聚甲氧基二甲醚和甲醇对我国的能源安全来说具有非常重要的战略意义。F-T 柴油的十六烷值极高，并且硫含量和芳香烃含量均比较低，可以有效的减少柴油机的碳烟和NOx排放，是一种十分理想的代用燃料[1]。聚甲氧基二甲醚（PODE）是一种含氧量和十六烷值均很高的燃料，可以以任意比例加入柴油中，用来改善缸内的燃烧质量，减少污染物的排放[2]。甲醇作为一种含氧量很高的可再生能源，可降低柴油机污染物的排放，再加上其产量和成本方面的优势，使其成为一种十分具有应用前景的代用燃料[3-4]。

甲醇的十六烷值很低，在柴油机上直接压燃不易实现，一般采用将其与柴油混合形成乳化液的形式来使用，而F-T 柴油的燃烧特性比柴油更加优秀，将F-T 柴油与甲醇掺混可很好的解决了NOx和soot 排放的trad-off 关系[5-6]。但由于F-T 柴油与甲醇在不添加任何助溶剂的情况下很难实现互溶，因此选择将PODE添加到掺混燃料中，这样不仅可以为气缸内的燃烧提供更多的氧，而且可在一定程度上使F-T 柴油、甲醇和PODE 实现互溶[7]。这三种燃料的理化特性可以实现优势互补。一方面，甲醇的汽化潜热值和辛烷值较高，可以有效降低PODE 和F-T 柴油的燃烧速度，从而使缸内燃烧变得更加平缓；另一方面，PODE 和F-T 柴油的十六烷值较高，可以加快甲醇在气缸内的燃烧，弥补了甲醇自燃性差的缺点；最后，F-T 柴油的粘度大于甲醇和PODE，会使掺混燃料的粘度增加，可改善醇醚燃料所出现的润混问题。由于理论上F-T 柴油和PODE 在1：3～3：1 的范围内可以实现互溶，但是在添加甲醇以后，混合燃料的极易出现分层现象。因此使用AVL-Fire 软件对发动机在不同压缩比和供油提前角下燃用不同比例的醇醚燃料的燃烧过程进行流体动力学仿真，分析PODE 掺混比对柴油机燃烧过程和排放物生成的影响。

2 仿真试验设置

本仿真模型的建立是基于一台CY25TQ 单缸柴油机，发动机的基本参数，如表1 所示。

表1 发动机基本参数Tab.1 Parameters of the Engine

图1 活塞位于上止点时燃烧室容积1/5 模型Fig.1 1/5 Part of the Combustion Chamber at the Top Dead Center

图2 590℃A 时燃烧室容积1/5 模型Fig.2 1/5 Part of Combustion Chamber at 590℃A

仿真时选用的柴油机转速为1800r·min-1，通过测绘燃烧室和喷油器得到各机构参数，利用仿真软件中的ESE 模块简化模拟柴油机。仿真所涉及到的三维空间为进气门和排气门均关闭时活塞顶部与气缸壁和气缸盖之间生成的密闭空间，所以在此不考虑柴油机的进、排气冲程，并且几何模型中也不包含进、排气道和进、排气门。对从进气门闭合时开始到排气门打开时为止的这段期间气缸内的工作过程进行仿真。由于仿真过程中气缸内的活塞是一个运动件，因此采用动网格技术对燃烧室空间进行网格划分。CY25TQ 柴油机的喷油嘴结构是5 个周向均匀布置的喷孔，喷孔间的夹角为72°。为了方便仿真，将燃烧室看作是在活塞顶正中心对称分布，取燃烧室容积的1/5 作为计算的燃烧室模型，并且在其边界处进行网格加密处理，如图1、图2 所示。

2.1 正交试验设计

由于仿真试验因素水平较多，每次仿真时间周期较长，在符合试验真实性和可靠性的条件下，为降低试验成本，节约试验时间，故本试验采用正交试验法，将四种混合燃料分成两组分别与0# 柴油进行对比，选用L9（33）正交试验，通过正交试验方法对仿真数据进行处理，明确对试验指标影响较为主要的因素，找到最佳的压缩比的供油提前角，在此基础上再次进行仿真，选用每组中最佳的PODE 比例掺混燃料与0# 柴油进行对比，研究掺混燃料中PODE 比例对燃烧和排放的影响。

表2 各组因素水平表Tab.2 Factors and Levels Graph

2.2 边界条件和初始条件的确定

根据发动机结构参数和台架试验所获得的数据，来对仿真模型的边界条件进行设定。对气缸内燃烧过程的仿真是从进气门闭合时开始到排气门打开时结束。仿真所采用的原机进气门闭合时对应的曲轴转角为588℃A（48℃A ABDC），排气门打开时对应的曲轴转角为834.7℃A（65.3℃A BBDC）。因此仿真是从588℃A开始到834.7℃A 结束。因为在834°CA 时，气缸内NOx的生成和soot 的燃烧已经基本完成，设定仿真过程进行到834℃A 结束可以缩短仿真所用时间。

在本次仿真试验中，设定气缸盖底部、活塞顶面和气缸壁面的速度边界条件为无滑移的速度边界条件。温度边界使用的是恒温边界，将气缸盖、气缸壁面和燃烧室顶面的边界温度设定为其相应实体的平均温度，设定缸盖壁温为550.15K，缸套壁温为475.15K，活塞表面温度为575.15K，气缸内初始温度为380K，燃料喷射温度为353K。计算了掺混燃料中的C、H、O 的原子数和其低热值，并且对柴油机在1800r·min-1时的缸内气流流动进行了仿真。

2.3 仿真模型的设定

仿真过程中的气体流动模型使用的是具有较高计算精度和稳定性的k-ξ-f 湍流模型。燃料的喷雾模型选用的是WAVE 离散模型。因为仿真中使用掺混燃料，因此使用Mufti-compinent蒸发模型。燃烧模型采用目前发展最成熟的ECFM-3Z 相关火焰模型。NOx的生成模型选择扩展的Zeldovich 模型，soot 生成和氧化模型使用Lund Flamelet Model 模型[8]。

2.4 仿真模型的验证

原机在转速n=1800r·min-1、50%负荷工况下缸内压力曲线与仿真模型在相同工况下的缸内压力曲线进行对比，如图3 所示。原机在燃用0# 柴油时测量的缸内压力与模型仿真所得到的缸内压力基本保持一致，因此可得，本次试验的模型建立是较为合理的。

图3 缸内压力曲线Fig.3 In-Cylinder Pressure Curve

2.5 混合燃料比例的确定

按F-T 柴油质量比例占50%，PODE 质量比例占10%、20%、25%、40%，其余为甲醇。由于FIRE 软件中没有F-T 柴油的详细参数，故对其进行成分拟合，拟合结果为：29.5%的正十二烷，42.7%的正十三烷，27.8%的0# 柴油[9]。

3 计算结果分析

3.1 正交试验结果分析

因素水平为横坐标、各指标均值为纵坐标，分析各组因素水平对缸内压力、缸内温度、瞬时放热率、累计放热量、NOx和soot质量分数的影响，如图4～图9 所示。图中：A、B、C—对应每组中PODE 比例、压缩比和供油提前角三个因素。A1、A2、A3在一组中对应0# 柴油、PODE 质量比例为25%的掺混燃料、PODE 质量比例为20%的掺混燃料；A1、A2、A3在二组中对应0# 柴油、PODE 质量比例为10%的混合燃料、PODE 质量比例为40%的混合燃料；B1、B2、B3分别对应压缩比为15、16、17 的三个水平；C1、C2、C3分别对应供油提前角为18°CA、20°CA、22℃A 三个水平。从图4 可以明显看出一组和二组影响缸内压力的最佳方案应为：A3B3C2即PODE 比例为20%和40%，压缩比为17，供油提前角为20℃A。由图5 可得影响缸内平均温度的最佳方案为：A3B2C2，即PODE 比例为20%和40%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。

图4 因素水平对缸内压力的影响Fig.4 Influence of Factors and Levels on In-Cylinder Pressure

图5 因素水平对缸内平均温度的影响Fig.5 Influence of Factors and Levels on In-Cylinder Average Temperature

图6 因素水平对放热率的影响Fig.6 Influence of Factors and Levels on Heat Release Rate

由图6 可知影响放热率的最佳方案为A3B2C2，即PODE 比例为20%和40%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。

图7 因素水平对累计放热量的影响Fig.7 Influence of Factors and Levels on Cumulative Heat Release

由图7 可知影响累积放热量的第一组最佳方案为：A3B2C2，即PODE 比例为20%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。第二组最佳方案为：A2B2C2，即PODE 比例为10%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。由图8 可知NOx质量分数的最佳方案为：A3B2C2，即PODE 比例为20%和40%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。由图9 可知影响放热率的最佳方案为：A3B2C2，即PODE比例为20%和40%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。综合分析可知第一组最佳方案为：PODE 比例为20%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。第二组最佳方案为：PODE 比例为40%，压缩比为16，供油提前角为20℃A。因此，在柴油机上燃用混合燃料时，应设计成为压缩比为16，供油提前角为22℃A 的柴油机，从而获得最优的燃烧性能和排放性能。

图8 因素水平对NOx 排放的影响Fig.8 Influence of Factors and Levels on NOx Emission

图9 因素水平对soot 排放的影响Fig.9 Influence of Factors and Levels on Soot Emission

3.2 聚甲氧基二甲醚含量对燃烧特性的影响

掺混燃料和柴油在转速n=1800r·min-1、50%负荷工况下的燃烧特性正交试验对比曲线，如图10～图16 所示。

不同燃料缸内燃料质量分数曲线，如图10 所示。在相同的燃料喷射条件下，掺混燃料的缸内质量分数远远大于柴油，这证明掺混燃料的雾化特性优于柴油。掺混燃料的燃料质量分数消耗线要比柴油的陡，这证明掺混燃料在缸内的燃烧要比柴油越发迅速和充分。由图可以看出，随着掺混燃料中PODE 比例的增长，缸内燃料质量分数也在升高。

图10 燃料质量分数的对比Fig.10 Comparison of Fuel Mass Fraction

不同燃料的缸内平均压力曲线，如图11 所示。混合燃料的滞燃期比柴油大约长2℃A，其燃烧压力略大于柴油的燃烧压力，而压力峰值所对应的曲轴转角几乎没有变化；随着掺混燃料中PODE 比例的增加，缸内燃烧压力最高仅增加了0.04bar。造成上述现象的原因是在高速大负荷工况下，缸内温度较高，混合燃料中的醇醚分子在缸内会发生“微爆”效应[10]，使得混合燃料可以与空气进行充分的混合，虽然甲醇可以抑制PODE 和F-T 柴油的燃烧速度，但是总体来说还是比柴油的燃烧速率要快，因此掺混燃料的等容燃烧程度要高于柴油，从而增大了缸内的燃烧压力。

图11 缸内平均压力的对比Fig.11 Comparison of Average Pressure in Cylinder

不同燃料的累计放热量曲线，如图12 所示。掺混燃料的滞燃期略长，其累计放热量起始点比柴油略微推迟一些。混合燃料的燃烧速度远远大于柴油，因此其累计放热量曲线的倾斜程度也大于柴油，PODE 和甲醇的低热值约为柴油的45%和46%，F-T柴油的低热值约为柴油的1.04 倍，因此掺混燃料的低热值应低于柴油，但是掺混燃料的累计放热量大于柴油，因此可以证明掺混燃料的燃烧比柴油越发充分，其燃烧热效率要高于柴油。随着PODE 比例的增长，燃料的累计放热量有轻微的减少，这是因为PODE 的低热值大约为甲醇的96%，随着PODE 比例的升高，燃料的低热值有轻微的降低。

图12 累积放热量的对比Fig.12 Comparison of Cumulative Heat Release

不同燃料的缸内平均温度曲线，如图13 所示。在710℃A到720℃A 期间，甲醇在缸内汽化蒸发吸热，缸内温度会有略微的下降，随后燃料燃烧放热，逐渐弥补了甲醇所吸收的热量，缸内温度逐步上升。掺混燃料的缸内平均燃烧温度峰值比柴油的要高，这是因为虽然掺混燃料的低热值低于柴油，但是在高速大负荷工况下，掺混燃料的缸内质量分数远大于柴油，其雾化质量较为优秀，掺混燃料的燃烧更加充分，其燃烧热效率比柴油高，弥补了燃料低热值低的缺陷，缸内平均温度因此会有所升高。随着PODE 比例的增大，虽然缸内燃料质量分数也在增长，但是PODE的低热值较低，导致混合燃料的低热值降低，缸内燃料质量分数的轻微增加不足以弥补燃料低热值降低的缺陷，因此缸内燃烧的平均温度反而有轻微的降低。不同燃料的放热率曲线，如图14所示。

图13 缸内平均温度的对比Fig.13 Comparison of Average Temperature in Cylinder

图14 放热率的对比Fig.14 Comparison of Heat Release Rate

掺混燃料的滞燃期略微长于柴油，因此其燃烧放热率增长始点也会略微推迟一些。混合燃料的雾化特性优于柴油，其在缸内的燃烧比柴油更加的迅速和充分，因此混合燃料的放热率曲线的倾斜程度和峰值远远高于柴油。随着PODE 掺混比例的增大，燃烧放热率峰值升高。这是由于甲醇的十六烷值约为PODE 的3.8%，约为F-T 柴油的4.0%，随着PODE 比例的升高，燃料的十六烷值有所增加，提高了燃料的着火性能，加大了燃料的燃烧速率，增大了放热率峰值。这证明了甲醇可以有效的抑制PODE 和F-T 柴油燃烧速度快的特点，可以使燃烧变得更加柔和。

3.3 聚甲氧基二甲醚含量对排放特性的影响

不同燃料的NOx排放曲线，如图15 所示。随着掺混燃料中PODE 比例的增大，掺混燃料的NOx排放有所下降，但仍远远高于柴油的NOx排放。影响NOx的生成主要有三个条件：高温，富氧和反应时间。在高速大负荷工况下，缸内温度较高，PODE 和甲醇均为富氧燃料，在燃烧过程中会发生自供氧现象，满足高温和富氧两个条件，致使NOx排放显著升高。随着掺混燃料中PODE比例的增大，缸内温度有所降低，并且PODE 的氧含量约为甲醇的94%，从而抑制了NOx的生成。

图15 NOx 排放的对比Fig.15 Comparison of NOx Emission

不同燃料的soot 排放曲线，如图16 所示。与柴油相比，燃烧掺混燃料时soot 排放得到了显著的下降。soot 的生成条件是高温和缺氧，PODE 和甲醇均为富氧燃料，不满足缺氧条件，soot 的生成会受到明显的抑制。随着掺混燃料中PODE 比例的增大，燃料中氧含量会略微的降低，缸内存在的缺氧区域有可能会增加，导致soot 排放有轻微的升高。