李 鵬，朱建軍，吳子龍

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院車輛工程系，山西 太原 030024）

1 引言

我國(guó)煤炭資源十分豐富，作為先進(jìn)煤化工的產(chǎn)物：F-T 柴油、聚甲氧基二甲醚和甲醇對(duì)我國(guó)的能源安全來說具有非常重要的戰(zhàn)略意義。F-T 柴油的十六烷值極高，并且硫含量和芳香烴含量均比較低，可以有效的減少柴油機(jī)的碳煙和NOx排放，是一種十分理想的代用燃料[1]。聚甲氧基二甲醚（PODE）是一種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，用來改善缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量，減少污染物的排放[2]。甲醇作為一種含氧量很高的可再生能源，可降低柴油機(jī)污染物的排放，再加上其產(chǎn)量和成本方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為一種十分具有應(yīng)用前景的代用燃料[3-4]。

甲醇的十六烷值很低，在柴油機(jī)上直接壓燃不易實(shí)現(xiàn)，一般采用將其與柴油混合形成乳化液的形式來使用，而F-T 柴油的燃燒特性比柴油更加優(yōu)秀，將F-T 柴油與甲醇摻混可很好的解決了NOx和soot 排放的trad-off 關(guān)系[5-6]。但由于F-T 柴油與甲醇在不添加任何助溶劑的情況下很難實(shí)現(xiàn)互溶，因此選擇將PODE添加到摻混燃料中，這樣不僅可以為氣缸內(nèi)的燃燒提供更多的氧，而且可在一定程度上使F-T 柴油、甲醇和PODE 實(shí)現(xiàn)互溶[7]。這三種燃料的理化特性可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。一方面，甲醇的汽化潛熱值和辛烷值較高，可以有效降低PODE 和F-T 柴油的燃燒速度，從而使缸內(nèi)燃燒變得更加平緩；另一方面，PODE 和F-T 柴油的十六烷值較高，可以加快甲醇在氣缸內(nèi)的燃燒，彌補(bǔ)了甲醇自燃性差的缺點(diǎn)；最后，F(xiàn)-T 柴油的粘度大于甲醇和PODE，會(huì)使摻混燃料的粘度增加，可改善醇醚燃料所出現(xiàn)的潤(rùn)混問題。由于理論上F-T 柴油和PODE 在1：3～3：1 的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)互溶，但是在添加甲醇以后，混合燃料的極易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。因此使用AVL-Fire 軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同壓縮比和供油提前角下燃用不同比例的醇醚燃料的燃燒過程進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，分析PODE 摻混比對(duì)柴油機(jī)燃燒過程和排放物生成的影響。

2 仿真試驗(yàn)設(shè)置

本仿真模型的建立是基于一臺(tái)CY25TQ 單缸柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，如表1 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Parameters of the Engine

圖1 活塞位于上止點(diǎn)時(shí)燃燒室容積1/5 模型Fig.1 1/5 Part of the Combustion Chamber at the Top Dead Center

圖2 590℃A 時(shí)燃燒室容積1/5 模型Fig.2 1/5 Part of Combustion Chamber at 590℃A

仿真時(shí)選用的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r·min-1，通過測(cè)繪燃燒室和噴油器得到各機(jī)構(gòu)參數(shù)，利用仿真軟件中的ESE 模塊簡(jiǎn)化模擬柴油機(jī)。仿真所涉及到的三維空間為進(jìn)氣門和排氣門均關(guān)閉時(shí)活塞頂部與氣缸壁和氣缸蓋之間生成的密閉空間，所以在此不考慮柴油機(jī)的進(jìn)、排氣沖程，并且?guī)缀文Ｐ椭幸膊话M(jìn)、排氣道和進(jìn)、排氣門。對(duì)從進(jìn)氣門閉合時(shí)開始到排氣門打開時(shí)為止的這段期間氣缸內(nèi)的工作過程進(jìn)行仿真。由于仿真過程中氣缸內(nèi)的活塞是一個(gè)運(yùn)動(dòng)件，因此采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)燃燒室空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分。CY25TQ 柴油機(jī)的噴油嘴結(jié)構(gòu)是5 個(gè)周向均勻布置的噴孔，噴孔間的夾角為72°。為了方便仿真，將燃燒室看作是在活塞頂正中心對(duì)稱分布，取燃燒室容積的1/5 作為計(jì)算的燃燒室模型，并且在其邊界處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，如圖1、圖2 所示。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于仿真試驗(yàn)因素水平較多，每次仿真時(shí)間周期較長(zhǎng)，在符合試驗(yàn)真實(shí)性和可靠性的條件下，為降低試驗(yàn)成本，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，故本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，將四種混合燃料分成兩組分別與0# 柴油進(jìn)行對(duì)比，選用L9（33）正交試驗(yàn)，通過正交試驗(yàn)方法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，明確對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較為主要的因素，找到最佳的壓縮比的供油提前角，在此基礎(chǔ)上再次進(jìn)行仿真，選用每組中最佳的PODE 比例摻混燃料與0# 柴油進(jìn)行對(duì)比，研究摻混燃料中PODE 比例對(duì)燃燒和排放的影響。

表2 各組因素水平表Tab.2 Factors and Levels Graph

2.2 邊界條件和初始條件的確定

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和臺(tái)架試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，來對(duì)仿真模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定。對(duì)氣缸內(nèi)燃燒過程的仿真是從進(jìn)氣門閉合時(shí)開始到排氣門打開時(shí)結(jié)束。仿真所采用的原機(jī)進(jìn)氣門閉合時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為588℃A（48℃A ABDC），排氣門打開時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為834.7℃A（65.3℃A BBDC）。因此仿真是從588℃A開始到834.7℃A 結(jié)束。因?yàn)樵?34°CA 時(shí)，氣缸內(nèi)NOx的生成和soot 的燃燒已經(jīng)基本完成，設(shè)定仿真過程進(jìn)行到834℃A 結(jié)束可以縮短仿真所用時(shí)間。

在本次仿真試驗(yàn)中，設(shè)定氣缸蓋底部、活塞頂面和氣缸壁面的速度邊界條件為無滑移的速度邊界條件。溫度邊界使用的是恒溫邊界，將氣缸蓋、氣缸壁面和燃燒室頂面的邊界溫度設(shè)定為其相應(yīng)實(shí)體的平均溫度，設(shè)定缸蓋壁溫為550.15K，缸套壁溫為475.15K，活塞表面溫度為575.15K，氣缸內(nèi)初始溫度為380K，燃料噴射溫度為353K。計(jì)算了摻混燃料中的C、H、O 的原子數(shù)和其低熱值，并且對(duì)柴油機(jī)在1800r·min-1時(shí)的缸內(nèi)氣流流動(dòng)進(jìn)行了仿真。

2.3 仿真模型的設(shè)定

仿真過程中的氣體流動(dòng)模型使用的是具有較高計(jì)算精度和穩(wěn)定性的k-ξ-f 湍流模型。燃料的噴霧模型選用的是WAVE 離散模型。因?yàn)榉抡嬷惺褂脫交烊剂希虼耸褂肕ufti-compinent蒸發(fā)模型。燃燒模型采用目前發(fā)展最成熟的ECFM-3Z 相關(guān)火焰模型。NOx的生成模型選擇擴(kuò)展的Zeldovich 模型，soot 生成和氧化模型使用Lund Flamelet Model 模型[8]。

2.4 仿真模型的驗(yàn)證

原機(jī)在轉(zhuǎn)速n=1800r·min-1、50%負(fù)荷工況下缸內(nèi)壓力曲線與仿真模型在相同工況下的缸內(nèi)壓力曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示。原機(jī)在燃用0# 柴油時(shí)測(cè)量的缸內(nèi)壓力與模型仿真所得到的缸內(nèi)壓力基本保持一致，因此可得，本次試驗(yàn)的模型建立是較為合理的。

圖3 缸內(nèi)壓力曲線Fig.3 In-Cylinder Pressure Curve

2.5 混合燃料比例的確定

按F-T 柴油質(zhì)量比例占50%，PODE 質(zhì)量比例占10%、20%、25%、40%，其余為甲醇。由于FIRE 軟件中沒有F-T 柴油的詳細(xì)參數(shù)，故對(duì)其進(jìn)行成分?jǐn)M合，擬合結(jié)果為：29.5%的正十二烷，42.7%的正十三烷，27.8%的0# 柴油[9]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

因素水平為橫坐標(biāo)、各指標(biāo)均值為縱坐標(biāo)，分析各組因素水平對(duì)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、瞬時(shí)放熱率、累計(jì)放熱量、NOx和soot質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，如圖4～圖9 所示。圖中：A、B、C—對(duì)應(yīng)每組中PODE 比例、壓縮比和供油提前角三個(gè)因素。A1、A2、A3在一組中對(duì)應(yīng)0# 柴油、PODE 質(zhì)量比例為25%的摻混燃料、PODE 質(zhì)量比例為20%的摻混燃料；A1、A2、A3在二組中對(duì)應(yīng)0# 柴油、PODE 質(zhì)量比例為10%的混合燃料、PODE 質(zhì)量比例為40%的混合燃料；B1、B2、B3分別對(duì)應(yīng)壓縮比為15、16、17 的三個(gè)水平；C1、C2、C3分別對(duì)應(yīng)供油提前角為18°CA、20°CA、22℃A 三個(gè)水平。從圖4 可以明顯看出一組和二組影響缸內(nèi)壓力的最佳方案應(yīng)為：A3B3C2即PODE 比例為20%和40%，壓縮比為17，供油提前角為20℃A。由圖5 可得影響缸內(nèi)平均溫度的最佳方案為：A3B2C2，即PODE 比例為20%和40%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。

圖4 因素水平對(duì)缸內(nèi)壓力的影響Fig.4 Influence of Factors and Levels on In-Cylinder Pressure

圖5 因素水平對(duì)缸內(nèi)平均溫度的影響Fig.5 Influence of Factors and Levels on In-Cylinder Average Temperature

圖6 因素水平對(duì)放熱率的影響Fig.6 Influence of Factors and Levels on Heat Release Rate

由圖6 可知影響放熱率的最佳方案為A3B2C2，即PODE 比例為20%和40%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。

圖7 因素水平對(duì)累計(jì)放熱量的影響Fig.7 Influence of Factors and Levels on Cumulative Heat Release

由圖7 可知影響累積放熱量的第一組最佳方案為：A3B2C2，即PODE 比例為20%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。第二組最佳方案為：A2B2C2，即PODE 比例為10%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。由圖8 可知NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳方案為：A3B2C2，即PODE 比例為20%和40%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。由圖9 可知影響放熱率的最佳方案為：A3B2C2，即PODE比例為20%和40%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。綜合分析可知第一組最佳方案為：PODE 比例為20%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。第二組最佳方案為：PODE 比例為40%，壓縮比為16，供油提前角為20℃A。因此，在柴油機(jī)上燃用混合燃料時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)成為壓縮比為16，供油提前角為22℃A 的柴油機(jī)，從而獲得最優(yōu)的燃燒性能和排放性能。

圖8 因素水平對(duì)NOx 排放的影響Fig.8 Influence of Factors and Levels on NOx Emission

圖9 因素水平對(duì)soot 排放的影響Fig.9 Influence of Factors and Levels on Soot Emission

3.2 聚甲氧基二甲醚含量對(duì)燃燒特性的影響

摻混燃料和柴油在轉(zhuǎn)速n=1800r·min-1、50%負(fù)荷工況下的燃燒特性正交試驗(yàn)對(duì)比曲線，如圖10～圖16 所示。

不同燃料缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線，如圖10 所示。在相同的燃料噴射條件下，摻混燃料的缸內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柴油，這證明摻混燃料的霧化特性優(yōu)于柴油。摻混燃料的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)消耗線要比柴油的陡，這證明摻混燃料在缸內(nèi)的燃燒要比柴油越發(fā)迅速和充分。由圖可以看出，隨著摻混燃料中PODE 比例的增長(zhǎng)，缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在升高。

圖10 燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對(duì)比Fig.10 Comparison of Fuel Mass Fraction

不同燃料的缸內(nèi)平均壓力曲線，如圖11 所示。混合燃料的滯燃期比柴油大約長(zhǎng)2℃A，其燃燒壓力略大于柴油的燃燒壓力，而壓力峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角幾乎沒有變化；隨著摻混燃料中PODE 比例的增加，缸內(nèi)燃燒壓力最高僅增加了0.04bar。造成上述現(xiàn)象的原因是在高速大負(fù)荷工況下，缸內(nèi)溫度較高，混合燃料中的醇醚分子在缸內(nèi)會(huì)發(fā)生“微爆”效應(yīng)[10]，使得混合燃料可以與空氣進(jìn)行充分的混合，雖然甲醇可以抑制PODE 和F-T 柴油的燃燒速度，但是總體來說還是比柴油的燃燒速率要快，因此摻混燃料的等容燃燒程度要高于柴油，從而增大了缸內(nèi)的燃燒壓力。

圖11 缸內(nèi)平均壓力的對(duì)比Fig.11 Comparison of Average Pressure in Cylinder

不同燃料的累計(jì)放熱量曲線，如圖12 所示。摻混燃料的滯燃期略長(zhǎng)，其累計(jì)放熱量起始點(diǎn)比柴油略微推遲一些?；旌先剂系娜紵俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于柴油，因此其累計(jì)放熱量曲線的傾斜程度也大于柴油，PODE 和甲醇的低熱值約為柴油的45%和46%，F(xiàn)-T柴油的低熱值約為柴油的1.04 倍，因此摻混燃料的低熱值應(yīng)低于柴油，但是摻混燃料的累計(jì)放熱量大于柴油，因此可以證明摻混燃料的燃燒比柴油越發(fā)充分，其燃燒熱效率要高于柴油。隨著PODE 比例的增長(zhǎng)，燃料的累計(jì)放熱量有輕微的減少，這是因?yàn)镻ODE 的低熱值大約為甲醇的96%，隨著PODE 比例的升高，燃料的低熱值有輕微的降低。

圖12 累積放熱量的對(duì)比Fig.12 Comparison of Cumulative Heat Release

不同燃料的缸內(nèi)平均溫度曲線，如圖13 所示。在710℃A到720℃A 期間，甲醇在缸內(nèi)汽化蒸發(fā)吸熱，缸內(nèi)溫度會(huì)有略微的下降，隨后燃料燃燒放熱，逐漸彌補(bǔ)了甲醇所吸收的熱量，缸內(nèi)溫度逐步上升。摻混燃料的缸內(nèi)平均燃燒溫度峰值比柴油的要高，這是因?yàn)殡m然摻混燃料的低熱值低于柴油，但是在高速大負(fù)荷工況下，摻混燃料的缸內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于柴油，其霧化質(zhì)量較為優(yōu)秀，摻混燃料的燃燒更加充分，其燃燒熱效率比柴油高，彌補(bǔ)了燃料低熱值低的缺陷，缸內(nèi)平均溫度因此會(huì)有所升高。隨著PODE 比例的增大，雖然缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在增長(zhǎng)，但是PODE的低熱值較低，導(dǎo)致混合燃料的低熱值降低，缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輕微增加不足以彌補(bǔ)燃料低熱值降低的缺陷，因此缸內(nèi)燃燒的平均溫度反而有輕微的降低。不同燃料的放熱率曲線，如圖14所示。

圖13 缸內(nèi)平均溫度的對(duì)比Fig.13 Comparison of Average Temperature in Cylinder

圖14 放熱率的對(duì)比Fig.14 Comparison of Heat Release Rate

摻混燃料的滯燃期略微長(zhǎng)于柴油，因此其燃燒放熱率增長(zhǎng)始點(diǎn)也會(huì)略微推遲一些。混合燃料的霧化特性優(yōu)于柴油，其在缸內(nèi)的燃燒比柴油更加的迅速和充分，因此混合燃料的放熱率曲線的傾斜程度和峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油。隨著PODE 摻混比例的增大，燃燒放熱率峰值升高。這是由于甲醇的十六烷值約為PODE 的3.8%，約為F-T 柴油的4.0%，隨著PODE 比例的升高，燃料的十六烷值有所增加，提高了燃料的著火性能，加大了燃料的燃燒速率，增大了放熱率峰值。這證明了甲醇可以有效的抑制PODE 和F-T 柴油燃燒速度快的特點(diǎn)，可以使燃燒變得更加柔和。

3.3 聚甲氧基二甲醚含量對(duì)排放特性的影響

不同燃料的NOx排放曲線，如圖15 所示。隨著摻混燃料中PODE 比例的增大，摻混燃料的NOx排放有所下降，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油的NOx排放。影響NOx的生成主要有三個(gè)條件：高溫，富氧和反應(yīng)時(shí)間。在高速大負(fù)荷工況下，缸內(nèi)溫度較高，PODE 和甲醇均為富氧燃料，在燃燒過程中會(huì)發(fā)生自供氧現(xiàn)象，滿足高溫和富氧兩個(gè)條件，致使NOx排放顯著升高。隨著摻混燃料中PODE比例的增大，缸內(nèi)溫度有所降低，并且PODE 的氧含量約為甲醇的94%，從而抑制了NOx的生成。

圖15 NOx 排放的對(duì)比Fig.15 Comparison of NOx Emission

不同燃料的soot 排放曲線，如圖16 所示。與柴油相比，燃燒摻混燃料時(shí)soot 排放得到了顯著的下降。soot 的生成條件是高溫和缺氧，PODE 和甲醇均為富氧燃料，不滿足缺氧條件，soot 的生成會(huì)受到明顯的抑制。隨著摻混燃料中PODE 比例的增大，燃料中氧含量會(huì)略微的降低，缸內(nèi)存在的缺氧區(qū)域有可能會(huì)增加，導(dǎo)致soot 排放有輕微的升高。

圖16 Soot 排放的對(duì)比Fig.16 Comparison of Soot Emission

4 結(jié)論

（1）在F-T 柴油、PODE 與甲醇的摻混燃料中，PODE 的摻混比例對(duì)燃料的燃燒特性有影響。其中含40% PODE 與含20%PODE 的摻混燃料相比，放熱率峰值稍高；摻混燃料在缸內(nèi)的燃燒比柴油更加的迅速和充分；

（2）PODE 的加入會(huì)造成NOx的排放大幅上升，但隨加入比例的增大NOx的排放稍有降低；

（3）PODE 的加入使得soot 的排放顯著降低，但隨加入PODE 比例的增加soot 的排放會(huì)稍有升高。