柴油机燃用生物柴油的碳烟排放模拟

胡 鹏，孙 平，王 伟，刘义克，张振兴

(1.奇瑞汽车股份有限公司 前瞻院/发研院,安徽 芜湖241009; 2. 江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

柴油机燃用生物柴油的碳烟排放模拟

胡 鹏1,2，孙 平2，王 伟1，刘义克1，张振兴1

(1.奇瑞汽车股份有限公司 前瞻院/发研院,安徽 芜湖241009; 2. 江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

开展柴油机燃用生物柴油时的碳烟生成量的研究,基于广安碳烟模型提出了一种计算燃用生物柴油的碳烟排放公式。以实测示功图作为输入数据,结合喷雾与空气卷吸子模型、油滴蒸发燃烧子模型、传热子模型以及广安博之碳烟子模型,建立柴油机燃用生物柴油时碳烟排放的准维预测模型,计算碳烟生成量。结果表明,十三工况的计算值与试验实测碳烟排放量吻合,该模型适用于工程上模拟含氧燃料的碳烟排放。与柴油相比,由于柴油机燃用生物柴油时着火时刻提前,较早地达到碳烟生成的触发温度,燃烧开始阶段生成碳烟增加;但是由于生物柴油属于含氧燃料,其碳烟生成峰值和最终排出量均比柴油的低大约50%。

柴油机；生物柴油；碳烟；模拟

近年来,由于机动车保有量的不断上升,对石油基燃料的需求量逐年增加。原油属于不可再生资源而且总量有限,因此研究人员都致力开发和利用可再生的生物能源。生物柴油以其良好的动力性、经济性以及排放性能正成为柴油机最有潜力的替代燃料之一[1-5]。内燃机燃烧与排放数值模拟是当今研究发动机性能的有效手段。碳烟是柴油机的主要有害排放物,目前已有研究者采用三维软件对柴油机燃用生物柴油或生物柴油-柴油燃料的碳烟排放进行数值模拟[6-7]。但由于碳烟生成与燃烧室局部温度和空燃比密切相关,且生物柴油中氧原子对碳烟前驱体多环芳香烃的形成过程以及微粒的核化、冷凝和聚合过程的影响机理不明确,因此三维CFD软件模拟碳烟排放时一般采用经验模型,即认为柴油机排气中碳烟净生成量是碳烟生成速率和氧化速率竞相发展的结果。碳烟生成和氧化速率方程中的经验系数与发动机结构参数和燃料理化性质有关,要使计算结果与实验值吻合,需进行适当的修正或参数调整。根据计算水平,内燃机工作过程仿真可以分为缸内流体动力学、缸内雾化、缸内燃烧动力学和基于CFD的排放化学4个层次。因此,采用三维软件计算柴油机碳烟的前期准备工作较多(优点是可以获得缸内碳烟局部信息)。而采用准维模型的计算工作量少,笔者认为采用准维模型计算柴油机碳烟也有工程价值。

笔者结合喷雾与空气卷吸子模型、油滴蒸发燃烧子模型、传热子模型以及修改的广安碳烟子模型,建立柴油机燃用生物柴油的碳烟排放准维预测模型,用以研究碳烟生成规律,为工程计算柴油机燃用含氧燃料的碳烟排放提供参考。

1 实验部分

1.1 燃料

车用柴油,市售;生物柴油,海南正和生物能源有限公司产品。表1为该生物柴油理化性质分析结果,并与德国生物柴油标准进行比较。

表1 试验用生物柴油的理化性质

1.2 试验发动机和仪器

试验用柴油机主要性能及结构参数列于表2。试验时不改变原机的供油系统以及其他参数。发动机台架测试设备包括奥地利AVL公司AFA335瞬态测功机、PUMA 5测控系统、439烟度计(测量烟度,分辨率0.0025)。

表2 试验用柴油机的主要性能及结构参数

2 碳烟排放模型的建立

建立碳烟排放准维预测模型时,假设燃油以一定的压力和喷油规律喷入燃烧室,按照时间步长和空间坐标将喷雾划分许多网格单元;以实测示功图作为输入数据,结合喷雾与空气卷吸子模型、油滴蒸发燃烧子模型、传热子模型,得到单元温度和燃空比,然后采用广安碳烟子模型求出碳烟浓度。其中每个单元均有各自的液滴破碎和蒸发、卷吸空气量、放热与传热过程,温度均匀,卷吸的空气与已蒸发的燃油蒸气在瞬间达到均匀混合,且每个网格单元仅与空气区进行质量交换。碳烟质量浓度计算过程如图1所示。

图1 碳烟质量浓度计算流程

2.1 喷雾混合模型

2.1.1 燃油出口速率和油束锥角

由发动机台架性能试验计算获得每缸每循环供油量mcyc,然后假设每个单元内的燃油在同一有效喷油压差(Δp)下,以当量喷孔燃油出口速率(Ujet)喷入缸内。Ujet和Δp可由式(1)、(2)计算。

(1)

(2)

对于柴油机而言,喷入缸内的燃油形成一个油束,在某一时间步长内喷入的燃油量将散布到一个圆锥体上,油束的锥角可由经验公式(3)确定,喷雾贯穿距离由式(4)确定,其中式(4)的油滴破碎时间由式(5)计算获得。

(3)

(4)

(5)

2.1.2 空气卷吸

空气卷入量的计算需要假设：(1)柴油喷雾是一种悬浮液滴气液两相流;(2)各单元满足动量守恒,即喷雾流(原来为喷注)在喷孔处的动量全部传递给运动的油滴和被卷入的空气。自由射流的整体卷吸率m由式(6)[9-10]计算。

(6)

第i个网格单元的空气卷吸率可由贯穿距为si和si+1截面处的喷注整体卷吸率的差计算,如式(7)所示。

(7)

2.2 油滴蒸发与着火延迟期

燃油经高压喷射到燃烧室,经历短暂的破碎过程后,油滴群的直径具有某种概率分布。笔者假设油滴具有相同的直径,用索特平均直径D32表示。可由式(8)计算D32。

(8)

网格单元中的油滴数Nf可由小区的燃油量反推获得,式(9)为其计算式。

(9)

油滴在燃烧室处于高温高压的气体中,从空气中吸收热量迅速蒸发。在模型中假设：(1)喷雾流中油滴之间的传质传热过程互不影响;(2)油滴为一维球对称,其内部温度均匀;(3)油滴的蒸发是准定常过程。油滴瞬时温度、质量和直径的微分方程如式(10)所示。

(10)

以燃料单液滴的直径、温度和压力为常微分方程(11)的初始条件,蒸发过程中的物性参数如液滴周围混合气体的比定压热容、黏度、导热系数以及燃油的密度、比定压热容和蒸发潜热见参考文献[11-12],采用四阶龙格-库塔法求解,获得t时刻每个单元的燃油蒸气质量。

(11)

燃烧模型中,假设经过着火延迟后,油气混合区空/燃比在着火极限内的可燃混合气同时着火燃烧。采用Hiroyasu等[13]提出的式(12) 计算每个单元的滞燃期。

(12)

对每个燃烧单元,在计算步长内按稳定状态求τij。其中,τij按着火准备累积原则处理,如式(13)所示。

(13)

2.3 传热与热力学计算

单元内的平均温度、压力和体积由能量守恒方程、理想气体状态方程和容积方程联立,通过迭代法求出,如式(14)所示,各单元间的传热由式(15)计算。

(14)

(15)

柴油机缸内换热面积由气缸盖底面、活塞顶面和气缸套的湿周3部分组成,因此缸内总传热量可由式(16)计算。

(16)

2.4 碳烟排放模型

柴油机工作过程中,柴油在高温缺氧条件下裂解生成碳烟。一般认为,碳烟的生成过程包括碳粒的成核、碳粒的长大以及碳粒的氧化。笔者采用广安碳烟模型计算碳烟浓度,其质量变化率由式(17)计算。

(17)

由于生物柴油是含氧燃料,广安碳烟模型不能直接应用。采用Arrhenius类型公式表达其碳烟的生成。其中,碰撞因子Acf主要与物理性质有关,即发动机结构参数;活化能Ef与化学性质有关,即燃料属性。为了反映含氧燃料中氧原子对碳链聚集成碳烟过程中的抑制作用,笔者提出对Ef引入抑制因子Kf,则新的活化能Ef,new=(1-Kf)Ef,代入式(17)即可计算含氧燃料的碳烟生成。

3 结果与讨论

3.1 燃用生物柴油碳烟排放计算模型的验证

图2为燃用生物柴油碳烟排放预测值与实验结果对比。图2中,工况1～13是指欧洲排放法规ECE R49 13工况法。由于439烟度计测量的是光吸收系数k,而数值计算的是每循环碳烟排放质量,因此需将计算值转化成碳烟浓度,再进行对比。(1)首先通过关系式N=100[1-exp(-kL)]计算得到不透光度N,继而通过关系式DS=0.22N2+3.02N获得柴油机碳烟质量浓度DS。(2)试验测得排气量Gexh、排气压力px和排气温度Tx, 根据理想气体状态方程ρx=px/(RTx),获得排气密度ρx。然后可由关系式DS=120nmsρx/Gexh计算得到DS模拟值。

图2 柴油机燃用生物柴油时的碳烟质量浓度实测值与模拟值

从图2可以看出,计算值与实测值基本吻合,更为重要的是两者变化趋势一致,说明所建立的模型能有效预测柴油机燃用生物柴油时的碳烟排放量。从图2还可观察到模拟值低于实测值,这是因为 (1)准维模型没有考虑燃油油束碰壁后会发生冷激现象,不完全燃烧产生的一次微粒聚积成团并吸附部分碳氢和硫酸盐等半挥发组分形成积聚模态颗粒;(2)模型中将喷雾当做一种代表滴径表征(索特平均半径)的均匀喷雾,即不考虑滴径分布,而碳烟是在扩散燃烧阶段生产,扩散燃烧后期对碳烟生成有着重要影响,最后的放热尾巴与偏离平均滴径的大油滴较长的蒸发时间有关。与实际雾化相比,准维模型用索特平均半径表征喷雾滴径,会导致碳烟计算值偏小。目前,准维和多维数值模拟很难精度预测碳烟生成量。对于碳烟而言,在模拟值与实测值基本吻合的前提下,更加关注两者变化趋势的一致性,因此认为模型是合理的,可以预测柴油机燃用生物柴油时的碳烟排放。

3.2 燃用生物柴油和柴油的碳烟生成的预测

燃用柴油和生物柴油时,在转速3200 r/min、功率70.6 kW工况下的实测示功图示于图3。由图3可知,自然吸气直喷柴油机燃用生物柴油和柴油时,缸内压力均呈典型的“双峰形状”。与柴油相比,燃用生物柴油的压力曲线向前移,且随着负荷的增加,两者差别缩小;气缸最大爆发压力出现较早,但缸内最大压力略低。燃用生物柴油时,最大压力为9.905 MPa,其对应的曲轴转角为上止点后0.4° CA,而然用柴油时的最大压力为9.923 MPa,其对应的曲轴转角为上止点后2.8° CA。对于自然吸气柴油机而言,尽管标定工况下缸内温度和压力很高,十六烷值对滞燃期的影响比较重要。生物柴油的十六烷值比柴油的大,滞燃期较短,并且生物柴油是含氧燃料,燃烧迅速,最大压力出现时刻较早;但由于滞燃期缩短,形成可燃与混合气量减小,因此最大爆发压力降低。

图3 燃用柴油和生物柴油时标定工况下实测示功图

柴油机碳烟的生成依赖于局部温度、压力、空/燃比、氧浓度等动力学参数,其产生条件是高温和缺氧。图4为在转速3200 r/min、功率70.6 kW工况下燃用柴油和生物柴油时,柴油机气缸内的碳烟量随曲轴转角的变化。由图4可知,随缸内燃烧过程进行,碳烟生成量急剧增大,在某一曲轴转角达到峰值;标定工况下,柴油约在15.8° CA ATDC(发动机上止点前),生物柴油约在14.7° CA ATDC达到峰值,随后迅速下降趋于稳定。这是因为在柴油机工作时,碳烟的形成过程和消失过程几乎同时进行。在扩散燃烧阶段初期,缸内局部缺氧严重,碳烟生成速率大大高于其氧化速率,因而碳烟量急剧升高;随着燃烧进行,当碳烟生成速率等于氧化速率时,碳烟量达到峰值,之后由于燃料大部分已燃烧,碳烟的氧化速率高于其生成速率,碳烟量开始降低;到燃油燃烧后期,缸内温度下降,碳烟氧化速率明显下降,因此碳烟生成量保持不变,直至排出机外。

图4 燃用柴油和生物柴油时柴油机缸内碳烟量随曲轴转角的变化

由图4还可以看到,与燃用柴油相比,柴油机燃用生物柴油时的碳烟量急剧升高,对应的曲轴转角提前。这是由于燃用生物柴油时滞燃期缩短,着火时刻提前,较早地达到碳烟生成的触发温度,燃烧开始阶段生成碳烟的量增加;但是,生物柴油属于含氧燃料,燃烧区域的氧浓度高,燃烧变得更充分、更完善,其峰值和最终排出量都比柴油的低大约50%。

图5为在1800 r/min、245 N·m和3200 r/min、35.3 kW工况下柴油机燃用生物柴油时缸内碳烟量的变化规律。由图5可知,不同工况下,缸内碳烟量的变化规律一致,而最终的碳烟量为最大值的10%～25%;同时,碳烟量出现峰值的时刻与工况明显有关,在2000 r/min、245 N·m工况下,碳烟量约在22.9° CA ATDC达到峰值,在3200 r/min、35.3 kW工况下,约在15.8° CA ATDC出现峰值。

图5 不同工况下燃用生物柴油时柴油机缸内碳烟量随曲轴转角的变化

4 结 论

(1) 由实测气缸压力计算得到燃烧参数,然后运用广安博之碳烟子模型计算燃用生物柴油和柴油时柴油机缸内碳烟生成过程。将生物柴油十三工况模拟值和实测值进行比较,两者基本吻合。由于模型中考虑生物柴油中氧原子对碳烟生成的抑制作用,因此模型适用于模拟含氧燃料的碳烟排放。

(2) 柴油机工作时,随着燃烧过程进行,碳烟生成量急剧增大,在某一曲轴转角时达到峰值,随后迅速下降趋于稳定。与燃用柴油相比,柴油机燃用生物柴油时的滞燃期缩短,着火时刻提前,因此较早达到碳烟生成的触发温度,燃烧开始阶段生成碳烟量增加,但其峰值和最终排出量都比燃用柴油时低大约50%。柴油机在不同运转工况下燃用生物柴油时,碳烟具有相同的生成历程,碳烟最终排放值仅为峰值的10%～25%左右,并且碳烟出现峰值的时刻与工况明显有关。

(3) 基于广安碳烟模型提出一种计算生物柴油的碳烟排放公式,可以嵌入内燃机三维CFD软件进行碳烟仿真。

符号说明：

Acf、Ao——与实际工况有关的试验常数;

Af——自由射流卷吸系数,取0.32;

BM——传质数,kg/(s·N);

BT——传热数,kW/(m2·K);

cpgo——气体定压比热容,kJ/(kg·K);

cpl——液滴定压比热容,kJ/(kg·K);

Cd——喷孔流量系数,取0.72;

Cm——活塞平均运动速度,m/s;

d0——喷孔直径,m;

dfij——编号为(i,j)网格单元液滴直径,m;

D——气缸直径,m;

D32——索特平均直径,m;

DS——碳烟质量浓度,mg/m3;

Eo——氧气活化能,其值为5860 kJ/kmol;

Ef——燃油活化能,其值为52325 kJ/kmol;

F——当量燃/空比;

F1——气缸盖底面面积,m2;

F2——活塞顶面面积,m2;

F3——气缸套面积,m2;

Gexh——排气质量流量,kg/h;

hin——网格单元总焓,J/kg;

k——光吸收系数,m-1;

Kf——抑制因子;

Kgo——油滴表面混合物导热率,kW/(m2·K);

L——不透光烟度计光路长度,m;

LF——燃油蒸发潜热,kJ/kg;

ma——网格单元液滴质量,kg;

mai——第i网格单元液滴质量,kg;

mcyc——每缸每循环供油量,kg;

mfb——网格单元内的空气质量,kg;

mfbi——第i网格单元的空气质量,kg;

mfv——网格单元内的燃油蒸气量,kg;

mfvij——编号为(i,j)网格单元内的燃油蒸气量,kg;

mij——编号为(i,j)网格单元气态物质的质量,kg;

ms——碳烟净生成质量,kg;

msc——碳烟氧化质量,kg;

mst——碳烟生成质量,kg;

n——发动机转速,r/min;

N——不透光度,%;

Nf——油滴数;

Nj——喷孔数;

Nu——努塞尔数;

p——压力,MPa;

px——排气压力,Pa;

Δp——有效喷油压差,Pa;

P——发动机功率,kW;

Qij——编号为(i,j)网格单元热量,kJ;

Qw——缸内总传热量,kJ;

Qzex——各网格单元间传热量,kJ;

R——摩尔气体常数,J/(K·mol);

s——喷雾贯穿距离,m;

Sh——舍伍德数;

t——油滴寿命,s;

tbrk——油滴破碎滞后期,s;

Δtinj——喷油持续期,s;

T——温度,K;

Tai——第i网格单元气态物质温度,K;

Ti——第i网格单元油滴温度,K;

Tw1——气缸盖底面温度,K;

Tw2——活塞顶面温度,K;

Tw3——气缸套温度,K;

Tx——排气温度,K;

uij——网格单元总内能,J/kg;

Ujet——当量喷孔燃油出口速率,m/s;

Vij——编号为(i,j)网格容积,m3;

XO2——当前网格单元内的氧气质量分数,%;

αw——瞬时平均换热系数,W/(m2·K);

θ——喷雾油束锥角,°;

μa——运动黏度,mm·s;

ξ——换热系数,s-1;

φ——曲轴转角,° CA;

ρa——空气密度,kg/m3;

ρf——燃油密度,kg/m3;

ρx——排气密度,kg/m3;

τ——燃油滞燃期,ms;

τij——编号为(i,j)网格燃油滞燃期,ms。

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Simulation of Soot Emission From Diesel Engine Fueled With Biodiesel

HU Peng1,2, SUN Ping2, WANG Wei1, LIU Yike1, ZHANG Zhenxing1

(1.AcademyofScienceandAdvancedTechnology/EngineEngineeringResearchInstitute,CheryAutomobileCo.Ltd.,Wuhu241009,China;2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

The study on the soot emission characteristics of diesel engine fueled with diesel or biodiesel was conducted, and a predictive formula based on hiroyasu soot submodel for soot emission of the biodiesel was proposed. Based on the measured indicator diagram, a quasi-dimensional particulate emission model for the engine fueled with biodiesel was established by combining a fuel spray impinging and air entrainment submodel, droplet’s evaporation and combustion submodel, the heat transfer submodel and hiroyasu soot submodel, and the in-cylinder soot mass was calculated. The results indicated that the theoretical results calculated agreed well with experimental results, and the established model was suitable for soot emission prediction of diesel engine fueled with oxygenated fuels. The ignition start of biodiesel in engine was early to reach the trigger temperature of soot formation, so soot emission increased in the initial stage of combustion. Since the oxygen concentration at combustion area was high due to the oxygenated properties of biodiesel, the peak and final emission value of soot was reduced by more than 50% compared with that of 0#diesel.

diesel engine; biodiesel; soot; simulation

2014-06-17

国家自然科学基金项目(50976051)、江苏省研究生创新计划项目(CXZZ12_0675)和江苏高校优势学科建设工程项目(苏政办发〔2011〕6号) 资助

胡鹏，男，工程师，博士，从事内燃机燃烧和排放控制方面的研究；E-mail：hupeng@mychery.com

1001-8719(2015)05-1129-07

TK421.5

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.05.015