余金山，李文浩，顏伏伍

EGR對正戊醇-生物柴油混合燃料的燃燒排放性能影響研究

余金山1, 2，李文浩1, 2，顏伏伍1, 2

(1. 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

通過構(gòu)建的一個新的包含79種組分和234個反應(yīng)的正戊醇簡化機理耦合已有的生物柴油簡化機理，得到了正戊醇-生物柴油簡化機理，該組合機理經(jīng)過了滯燃期以及發(fā)動機缸壓、放熱率和排放驗證，可以用作發(fā)動機燃用正戊醇生物柴油時的燃燒及排放特性分析．在一臺高壓共軌柴油機上，基于Converge仿真軟件研究了EGR條件對正戊醇-生物柴油混合燃料的燃燒排放性能影響．結(jié)果表明：在不同的正戊醇摻混比例下，隨著EGR率的增大，正戊醇-生物柴油混合燃料的缸壓和放熱率峰值都有所降低，滯燃期和燃燒持續(xù)期增加．相同EGR率時，隨著正戊醇摻混比例的提高，燃料的霧化特性得到改善，燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值升高；添加正戊醇和增大EGR率可顯著降低混合燃料的NO排放，在EGR率為30%、正戊醇摻混比例為40%時，NO最低排放可達0.08g/(kW·h)，與EGR率為0時相比降低了71%；混合燃料具有較大的的碳煙氧化潛力，碳煙排放都處于較低水平，在較小的EGR率下(＜20%)碳煙排放增加并不明顯，EGR率增加到30%時，燃燒惡化，碳煙的氧化受到了抑制，碳煙排放顯著增加．

EGR；正戊醇；生物柴油；燃燒；排放

為了克服內(nèi)燃機對化石燃料的依賴以及面對越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，尋找可以用來替代傳統(tǒng)燃料的清潔燃料成為降低污染排放的一種重要途徑．21世紀(jì)以來，生物柴油和醇類燃料作為汽車燃油的替代品引起了人們的極大興趣，生物柴油是一種由植物油、動物油、廢棄油脂經(jīng)酯轉(zhuǎn)化而形成的可再生、環(huán)保的生物燃料，其燃料性能與石油基柴油較為接近，具有點火性能好、含硫量低以及優(yōu)異的潤滑性能，且由于不含芳香烴，碳煙排放較低[1]．在實際運用中，無需改動柴油機即可和柴油一起摻混燃燒，較高的閃點也有利于安全儲存和運輸．研究表明[2]：在柴油中摻混生物柴油后，碳煙、CO、HC排放量都有所下降，燃油消耗率以及NO排放升高．盡管生物柴油有許多優(yōu)點，但直接使用純生物柴油或在柴油混合燃料中使用高比例的生物柴油可能會導(dǎo)致霧化不良和燃燒不完全、燃油管路積碳或堵塞等問題，同時，氮氧化物排放量高也是生物柴油需要解決的問題，這些因素都影響了生物柴油在發(fā)動機上的運用[3]．

研究人員對利用醇類燃料作為柴油或生物柴油的添加劑來降低化石燃料的排放表現(xiàn)出了極大的興趣．一些來源廣泛的低碳醇，如甲醇和乙醇，具有高揮發(fā)性、低黏度和高含氧量等優(yōu)點，可以改善燃油噴霧燃燒和降低排放，受到了人們的關(guān)注，但由于其汽化潛熱高、熱值低、十六烷值低等缺點，阻礙了其在柴油機上的大量應(yīng)用[4-5]．具有5個碳原子的正戊醇作為一種可以通過糖類合成和微生物發(fā)酵獲得的清潔燃料，與低碳醇相比較，具有較大的能量密度、更高的十六烷值和較低的汽化潛熱，可以很好地和柴油進行混合，有效地改善了著火特性，提高了發(fā)動機的冷起動能力，也不必對發(fā)動機進行額外改動即可和柴油摻混實現(xiàn)在缸內(nèi)燃燒，這些優(yōu)勢使得正戊醇成為一種具有潛力的替代燃料[6-7]．目前國內(nèi)外已經(jīng)對正戊醇在柴油機上的燃燒進行了廣泛的試驗研究[8-9]，結(jié)果表明：與柴油相比，添加戊醇后，燃料的霧化特性得到了改善，燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值升高，有效熱效率提高，有效燃油消耗率增大，混合燃料的碳煙和NO排放量減少．

正戊醇作為一種含氧燃料，揮發(fā)性好，具有很高的含氧量(18.15%)，在生物柴油中摻混正戊醇燃燒，可以解決生物柴油黏度高、揮發(fā)性差的缺點，在提高混合燃料的含氧量的同時，可以改善生物柴油的霧化蒸發(fā)特性，使油氣可以更快地混合和充分燃燒，同時正戊醇較高的汽化潛熱也可以降低缸內(nèi)的燃燒溫度，也削弱了NO的生成條件．文獻[10]的結(jié)果也說明，生物柴油中摻入正戊醇具有較大的碳煙氧化潛力.同時，生物柴油具有的良好的點火性能也可以彌補戊醇燃料在著火性能上的不足．

目前，國內(nèi)外對正戊醇和生物柴油混合燃料的燃燒排放性能的研究相對較少，對正戊醇/生物柴油的化學(xué)燃燒機理也鮮有報道[11]．在此之前，Heufer等[12]已經(jīng)給出了正戊醇詳細(xì)的燃燒化學(xué)反應(yīng)機理來描述在低溫和高溫條件下的氧化和裂解，對于生物柴油，Herbinet等[13]提出用癸酸甲酯(MD)、癸烯酸甲酯(MD9D)、正庚烷的混合物的詳細(xì)動力學(xué)機理來作為生物柴油的替代機理，其中MD和MD9D分別用來模擬生物柴油中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸，Brakora等[14]根據(jù)此機理構(gòu)建了癸酸甲酯-癸烯酸甲酯-正庚烷簡化機理．

由于目前對生物柴油化學(xué)動力學(xué)簡化模型的研究已較為成熟，而對正戊醇的簡化機理以及多組分混合燃料機理的構(gòu)建的報道并不多．本文運用基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法(DRGEP)、反應(yīng)路徑分析法、敏感性分析法、峰值濃度分析等方法，構(gòu)建了一個新的包含79種組分和234步反應(yīng)的正戊醇簡化機理，該機理經(jīng)過了滯燃期，射流攪拌器組分濃度驗證．在正戊醇簡化機理的基礎(chǔ)，耦合了Brakora等[14]的生物柴油的簡化機理，最終形成了正戊醇生物柴油混合燃料的簡化機理．

EGR作為發(fā)動機燃燒過程控制以及降低NO排放的重要手段，可以降低燃燒溫度和NO排放量[15].由于生物柴油具有的高NO排放特點，筆者采用EGR手段來研究生物柴油正戊醇混合燃料的燃燒排放特性．根據(jù)生物柴油和正戊醇在混合燃料中的摻混體積比可得到以下種4不同的燃料：B100(純生物柴油)、BP10(摻混10%的正戊醇)、BP20(摻混20%的正戊醇)和BP40(摻混40%的正戊醇)．考慮到高EGR率會極大地影響發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性，筆者選用0、10%、20%、30% 4種不同的EGR率，運用發(fā)動機缸內(nèi)模擬軟件Converge，結(jié)合所構(gòu)建的正戊醇生物柴油混合燃料簡化機理，模擬研究了在不同的EGR率條件下不同的正戊醇生物柴油混合燃料的燃燒排放特性．

1?正戊醇簡化機理的構(gòu)建與驗證

1.1?正戊醇簡化機理的構(gòu)建

基于Heufer等[12]提出正戊醇詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理，簡化流程首先采用DRGEP對機理進行初步簡化，計算在Chemkin軟件上進行，模型采用軟件中封閉均質(zhì)模型，初始溫度設(shè)置為700～1400K，當(dāng)量比為0.5～2.0，初始壓力為0.1～5MPa，以滯燃期、CO和C2H2摩爾濃度為目標(biāo)設(shè)置相應(yīng)的誤差判斷閾值，除燃料nC5H11OH和O2以及最終的燃燒產(chǎn)物CO2和H2O外，保留nC4H9CHO、nC3H7、C2H3OH、C3H6、C2H2、CH2O和C2H4等燃燒過程中重要的中間產(chǎn)物，經(jīng)過計算得到了一個包含198種組分和1020個反應(yīng)的半詳細(xì)機理．

將上一步得到的半詳細(xì)機理進行反應(yīng)路徑分析和溫度敏感性分析來剔除機理中的冗余反應(yīng)，計算條件與上述相同，低溫時正戊醇的脫氫反應(yīng)是其主要的消耗反應(yīng)，隨著溫度的提高，活性自由基逐漸增加，加快了其他反應(yīng)鏈的進行．高溫反應(yīng)時，正戊醇的主要反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂系母邷責(zé)峤夂臀齑蓟牧呀鈁16]，高溫?zé)峤夂土呀獾闹饕a(chǎn)物為烯醇烴、環(huán)氧醇等物質(zhì)，如nC3H7、PC4H9、C2H3OH、C3H6、C2H4OH等．它們是C2H4的主要來源，C2H4進一步脫氫可生成C2H3以及C2H2，而C2H2是生成碳煙前驅(qū)體的關(guān)鍵組分．在敏感性分析中，保留敏感性系數(shù)較大的組分和反應(yīng)，對一部分敏感性不顯著的組分和反應(yīng)，可以考慮去除以進一步簡化機理．

為進一步簡化機理，對機理進行峰值濃度分析(PCA)和反應(yīng)速率分析(ROP)．在當(dāng)量比為0.5～2，初始壓力為0.5～3MPa，溫度為700～1400K的條件下，通過設(shè)置不同的峰值濃度閾值，并將反應(yīng)物濃度分別按照所設(shè)置閾值從高到低依次進行排序，刪除峰值濃度較低的部分組分．同時，為保證簡化機理的準(zhǔn)確性，將刪除部分組分后的機理與上一步敏感性分析所得機理進行滯燃期對比，當(dāng)兩者的相對誤差在10%以內(nèi)時，刪除組分后的機理可以用于下一步的簡化，重復(fù)上述過程，可以對機理進行反復(fù)簡化．最后，將反應(yīng)速率較慢的非重要組分和反應(yīng)剔除，并對一些重要反應(yīng)的反應(yīng)速率進行調(diào)整，最終得到了一個包含79種組分和234個反應(yīng)的正戊醇簡化機理．

1.2?正戊醇簡化機理的驗證

為了驗證正戊醇簡化機理的合理性，對簡化機理進行了滯燃期、流攪拌器組分濃度驗證，其中滯燃期模擬計算是在Chemkin軟件的封閉均質(zhì)模型上進行，初始溫度為700～1300K，當(dāng)量比為1，初始壓力為0.9MPa和3MPa，滯燃期定義為溫度升高至高于初始溫度400K的時刻．圖1是正戊醇簡化機理和詳細(xì)機理、激波管試驗數(shù)據(jù)，快速壓縮機(RCM)試驗數(shù)據(jù)[17-18]的對比曲線，可以看出在0.9MPa和3MPa的試驗壓力下，簡化機理在高溫時與詳細(xì)機理和試驗數(shù)據(jù)總體上吻合較好，在低溫反應(yīng)區(qū)，簡化機理的滯燃期預(yù)測略大于詳細(xì)機理，這是因為簡化機理中移除了一部分的低溫反應(yīng)，使得低溫反應(yīng)的活性降低，滯燃期有所增加．

圖1?滯燃期驗證

圖2是當(dāng)量比為1時簡化機理和詳細(xì)機理模擬預(yù)測的燃燒過程中主要組分(H2O、CO2、CO、O2、CH2O、CH4、C2H4、C3H6)的摩爾分?jǐn)?shù)與試驗數(shù)據(jù)[17]的對比，整個模擬是在Chemkin軟件的PSR模塊上進行，初始壓力為1MPa，當(dāng)量比為0.5～2，初始溫度為700～1200K．分析得出，簡化機理預(yù)測的正戊醇燃燒過程中的主要組分摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化規(guī)律與詳細(xì)機理和試驗數(shù)據(jù)吻合較好，雖然部分組分(如C2H4)摩爾分?jǐn)?shù)預(yù)測有所差異，但總體上簡化機理對主要組分的摩爾分?jǐn)?shù)預(yù)測具有一定的精度．

圖2?組分濃度驗證

2?正戊醇生物柴油簡化機理的構(gòu)建與驗證

2.1?正戊醇生物柴油簡化機理的構(gòu)建

本文采用Brakora等[14]構(gòu)建的MD/MD9D/ NC7H16生物柴油簡化機理，該機理包含69種組分和170個反應(yīng)，并經(jīng)過了激波管滯燃期、層流火焰速度、預(yù)混火焰以及射流攪拌反應(yīng)器組分濃度驗證和發(fā)動機驗證，得到了廣泛運用．將之前得到的正戊醇簡化機理耦合到生物柴油簡化機理中，去除正戊醇中重復(fù)的組分和反應(yīng)，并加入相應(yīng)的PAH[19]和NO[20]機理來預(yù)測碳煙和NO的生成，最終形成一個包含119種組分和448個反應(yīng)的正戊醇生物柴油簡化機理．

2.2?正戊醇生物柴油簡化機理的驗證

2.2.1?滯燃期驗證

由于生物柴油簡化機理已得到了廣泛的驗證[14]，且在合并過程中未對其做任何更改，所以不再對其進行驗證．在合并過程，由于去除了正戊醇中的一部分重復(fù)的反應(yīng)，為保證合并后機理對正戊醇仿真數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確性，將所得到的雙燃料組合機理與正戊醇詳細(xì)機理和正戊醇試驗數(shù)據(jù)進行了滯燃期驗證．計算在Chemkin軟件的封閉均質(zhì)模型上進行，初始溫度為700～1300K，當(dāng)量比為1，初始壓力為0.9～3MPa，圖3是當(dāng)量比為1時正戊醇生物柴油簡化機理與正戊醇詳細(xì)機理、正戊醇激波管滯燃期試驗數(shù)據(jù)的對比曲線．可以看出，正戊醇生物柴油簡化機理預(yù)測的滯燃期與正戊醇詳細(xì)機理、試驗數(shù)據(jù)吻合較好，說明組合機理仍然可以保證對正戊醇滯燃期數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確性．

圖3?組合機理滯燃期驗證

2.2.2?發(fā)動機驗證

為確保下一步模擬計算的準(zhǔn)確性，對正戊醇生物柴油簡化機理進行缸壓和放熱率以及排放驗證．采用Converge軟件耦合構(gòu)建的正戊醇生物柴油簡化機理，基于某高壓共軌柴油機建立燃燒室的計算模型，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示．由于模擬的柴油機采用8孔噴油器，為了提高計算效率，采用1/8的燃燒室作為計算區(qū)域，燃燒室計算模型如圖4所示.研究的工況轉(zhuǎn)速為1600r/min，噴油壓力為100MPa，噴油正時為9°CA BTDC，循環(huán)噴油量為30mg，計算區(qū)域設(shè)置為進氣門關(guān)閉時刻(-147°CA ATDC)至排氣門開啟時刻(135°CA ATDC)之間的區(qū)域，根據(jù)試驗測量數(shù)據(jù)確定進氣壓力為0.23MPa，進氣溫度為325K，EGR率設(shè)置為10%．計算過程中采用KH-RT噴霧破碎模型、O'Rourke碰撞模型、RNG-湍流模型、Frossling多組分蒸發(fā)模型[16]和多步現(xiàn)象學(xué)碳煙模型．

表1?柴油發(fā)動機的主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1?Key specifications of diesel engine

圖4?燃燒室計算模型

試驗采用在發(fā)動機臺架上分別燃用B100(純生物柴油)、BP20(摻混20%正戊醇燃料)燃料(EGR為10%)燃燒時的缸內(nèi)壓力及放熱率曲線與模擬計算值進行對比，燃料的主要物性參數(shù)如表2所示．圖5是轉(zhuǎn)速1600r/min、進氣壓力0.23MPa、EGR率為10%時，B100、BP20兩種燃料燃燒時缸內(nèi)壓力與放熱率和同一條件下仿真結(jié)果的對比曲線，圖6是B100、BP10、BP20、BP40 4種不同燃料在工況轉(zhuǎn)速1600r/min，EGR為10%時NO和碳煙兩種排放物的試驗值與仿真模擬值的對比曲線．可以看出，兩種燃料模擬的缸內(nèi)壓力曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，放熱率在上止點后變化曲線與試驗值略有差異，但總體上變化趨勢相同.圖6的4種燃料的NO和碳煙模擬值與試驗值的變化趨勢基本一致且保持在同一數(shù)量級．由此表明，之前所構(gòu)建的正戊醇生物柴油簡化機理，計算模型初始條件與邊界條件的設(shè)置均較為合理，能夠滿足對實際發(fā)動機的仿真計算要求，可用于下一步的模擬計算．

表2?燃料的物性參數(shù)(20℃)

Tab.2?Physicochemical properties of fuel(20℃)

圖5?缸內(nèi)壓力與放熱率對比

圖6?發(fā)動機排放驗證

3?結(jié)果與分析

3.1?燃燒特性

圖7是不同的EGR率(0、10%、20%、30%)條件下，B100、BP10、BP20、BP40等4種燃料的缸壓和放熱率變化曲線，由圖可看出隨著EGR率的增大，4種燃料的缸內(nèi)壓力和放熱率峰值都有所下降，且放熱率峰值向后推遲，當(dāng)EGR率位于EGR≤20%較低范圍時，發(fā)動機缸內(nèi)壓力峰值曲線下降并不明顯，當(dāng)EGR率達到30%時，缸內(nèi)壓力峰值有了一個明顯幅度的降低，最大降幅可達15%(B100)．這是因為隨著EGR引入缸內(nèi)的廢氣增多，氣體比熱容增大溫度降低，且缸內(nèi)的氧氣濃度降低，導(dǎo)致燃燒惡化，所以缸內(nèi)壓力和放熱率都開始下降.在4種燃油中，EGR的變化對B100燃料的影響最大，在不同的EGR率條件下缸內(nèi)壓力峰值分別下降4%、8%、15%(與EGR率為0相比)，由表2的物性參數(shù)表可以看出，生物柴油黏度大且揮發(fā)性差，使得燃料的蒸發(fā)霧化特性變差，油氣混合不均勻，再加上引入EGR帶來的氧氣濃度下降，使得燃燒環(huán)境變得更差，所以燃料B100的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值最?。谕籈GR條件下，4種燃料中BP40的缸內(nèi)壓力和放熱率的峰值最高，B100的缸內(nèi)壓力和放熱率的峰值最低，BP10和BP20處于兩者之間，這是由于戊醇和生物柴油具有的不同物理特性和化學(xué)特性造成的，戊醇蒸發(fā)潛熱較高，十六烷值較低，燃燒室燃燒溫度較低且混合氣的可燃性差，使得滯燃期變長，加大了預(yù)混合燃燒比例，促進油氣的充分混合．另外，戊醇具有更高的含氧量，也促進了燃料的燃燒，所以加入正戊醇以后混合燃料的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值都有所提高．

圖8是EGR率為10%和30%時4種燃料的滯燃期、燃燒持續(xù)期、最高放熱率的對比，其中滯燃期定義是從噴油始點到CA5所經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角，CA5定義為循環(huán)累計放熱量達到總放熱量5%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，CA90定義為循環(huán)累計放熱量達到總放熱量90%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角．以CA5作為燃燒始點，CA90作為燃燒終點，燃燒持續(xù)期定義為燃燒終點與燃燒始點的曲軸轉(zhuǎn)角之差．當(dāng)EGR率增大到30%時，4種燃料滯燃期和燃燒持續(xù)期都有所增長，最高放熱率降低，這是由于EGR率增加使得缸內(nèi)溫度降低燃料燃燒速度變慢，滯燃期和燃燒持續(xù)期都隨之增加．在同一EGR條件下，隨著正戊醇摻混比例的增加，滯燃期逐漸變長，由于戊醇具有比生物柴油更好的揮發(fā)性以及黏度低等特點，可以使混合氣更快地形成和分布，加快了燃料的燃燒速度，所以加入戊醇后混合燃料燃燒持續(xù)期縮短．

圖7?不同EGR條件下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線

圖8?滯燃期、燃燒持續(xù)期、最高放熱率對比

3.2?排放特性

3.2.1?NO排放

圖9是B100、BP10、BP20、BP40 4種燃料在不同的EGR條件下NO排放物的生成歷程曲線，可以看出隨著EGR率的增大，NO生成量顯著降低，以BP40為例，與EGR率為0相比，NO最終生成量在EGR率10%、20%、30%的條件下依次降低了21%、40%、64%．這是由于EGR的引入帶來的低溫和低氧濃度氛圍抑制了NO的生成條件，使得NO顯著下降．4種燃料中，由于正戊醇具有的高蒸發(fā)潛熱，使得缸內(nèi)燃燒溫度降低，NO的生成有所減少，所以不同EGR條件對BP40燃料的NO生成量影響最大，其中NO最大降幅可達64%(EGR 30%)．

圖9?不同EGR條件下NOx的生成歷程

圖10是4種不同燃料的NO模擬排放隨EGR的變化規(guī)律．隨著EGR的增大，4種燃料的NO的排放都呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，其中NO最低排放可達0.08g/(kW·h)(BP40)，相比EGR率為0時降低了71%．同一EGR條件下，隨著正戊醇摻混比例的提高，NO排放也有所降低．EGR率為30%時，與B100相比，BP10、BP20、BP40的NO排放降了4%、10%、18%．由此可見，在生物柴油中摻混正戊醇，以及結(jié)合EGR手段，可以顯著降低NO的排放．圖11是不同EGR條件下NO排放物在曲軸轉(zhuǎn)角為20°CA ATDC時燃燒室內(nèi)的分布，NO的主要生成區(qū)域主要集中在油束的邊緣附近及燃燒室凹坑周邊的高溫區(qū)域，隨著EGR率的增加，對應(yīng)的缸內(nèi)的高溫區(qū)域以及氧含量的下降，所以NO在缸內(nèi)高濃區(qū)域有所減少，由于正戊醇的高蒸發(fā)潛熱降低了缸內(nèi)溫度，所以隨著正戊醇摻混比例的增加，NO高濃區(qū)域也會略微減少，但相對于增大EGR帶來的變化并不明顯．

圖10?4種燃料NOx排放隨EGR的變化

圖11?20°CA ATDC時缸內(nèi)NOx分布

3.2.2?碳煙排放

圖12是B100、BP10、BP20、BP40 4種燃料在不同的EGR條件碳煙排放的生成歷程曲線，可以看出，隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加，碳煙的生成量先增加后減少，前期生成的一部分碳煙在燃燒后期被逐漸氧化，使得碳煙生成量逐漸減少．隨著EGR率的增大，4種燃料的碳煙生成量都逐漸增大，在較小的EGR率下(10%)，碳煙生成雖然有所增加但不明顯，這是因為在較低的EGR率條件下，此時燃燒室內(nèi)的含氧量和燃燒溫度并沒有急劇降低，仍然處于較高的水平．同時，引入EGR使得燃料的滯燃期變長，油氣混合得更加均勻，這也使得碳煙排放并沒有大幅上升．當(dāng)EGR率增加到30%時，燃燒室內(nèi)含氧量不斷降低，缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒惡化，碳煙的氧化受到了抑制，此時碳煙生成量大幅度增加．

圖12?不同EGR條件下碳煙的生成歷程

圖13是不同EGR條件下4種燃料最終碳煙排放量變化規(guī)律，從圖中可以看出，混合燃料的碳煙排放都處于一個較低的水平(＜0.04g/(kW·h))，在EGR率為0時最低可達0.0075g/(kW·h)(BP40)，在EGR率為30%時最高可增加至0.028g/(kW·h)(B100)．這是因為正戊醇和生物柴油都是含氧燃料，混合燃料中含有較低的芳香烴物質(zhì)，有利于減少碳煙前驅(qū)物的生成，同時混合燃料具有的高含氧優(yōu)點也可以促進碳煙的氧化，所以其碳煙排放水平較低．在同一EGR水平下，隨著正戊醇的摻混比例增加，碳煙的排放量逐漸下降，以EGR率30%為例，與B100相比，BP10、BP20、BP40碳煙排放量分別降低了2.6%、3.5%、5.8%．這是由于正戊醇的揮發(fā)性和含氧量都優(yōu)于生物柴油，較好的揮發(fā)性有利于燃油和空氣進行混合，減少局部過濃區(qū)的出現(xiàn)，加之較高的含氧量，使得混合燃料碳煙排放變得更低．

圖13?4種燃料碳煙排放隨EGR的變化

圖14是4種燃料在曲軸轉(zhuǎn)角為20°CA ATDC時不同EGR條件下缸內(nèi)的碳煙的分布，由分布切片圖可以看出，碳煙的生成量和生成區(qū)域隨著EGR和戊醇摻混比變化都有所改變．隨著EGR的增大，圖中的高亮區(qū)域逐漸增大，反映出碳煙生成逐漸增加的趨勢，而隨著正戊醇摻混比例的增加，圖中的高亮區(qū)域略有減少，反映出了正戊醇燃料的加入導(dǎo)致缸內(nèi)氧濃度的上升，促進了碳煙的氧化反應(yīng)，碳煙有所下降.

圖14?20°CA ATDC時缸內(nèi)碳煙分布

4?結(jié)?論

(1) 構(gòu)建了正戊醇的簡化機理，在此基礎(chǔ)上耦合生物柴油簡化機理，得到了正戊醇生物柴油混合燃料的組合機理．該機理模擬所得到的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線與實驗值吻合較好，同時對NO和碳煙的排放也能進行較好地預(yù)測．因此，所構(gòu)建的組合機理可以用作燃用正戊醇生物柴油時發(fā)動機的燃燒及排放特性分析．

(2) 隨著EGR率的增大，正戊醇生物柴油混合燃料缸內(nèi)壓力和放熱率峰值降低，滯燃期和燃燒持續(xù)期增加．同一EGR條件下，正戊醇的高蒸發(fā)潛熱使得混合燃料滯燃期有所延長，良好的揮發(fā)性能改善了燃料的霧化特性，使得燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值升高.

(3) 運用EGR手段可顯著降低混合燃料的NO排放，NO生成量最大降幅可達64%(EGR率30%)，添加正戊醇后，缸內(nèi)燃燒溫度降低，也削弱了NO的生成條件．

(4) 混合燃料具有較大的的碳煙氧化潛力，碳煙排放處于一個較低的水平．在較小的EGR率(10%)下，碳煙生成雖然有所增加但不明顯，EGR率增加到30%時，燃燒室內(nèi)含氧量不斷降低，缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒惡化，碳煙的氧化受到了抑制，此時碳煙排放大幅度增加．

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Study on Influences of EGR on the Combustion and Emission Performance of n-Pentanol/Biodiesel Blends

Yu Jinshan1, 2，Li Wenhao1, 2，Yan Fuwu1, 2

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

A new reduced mechanism of n-pentanol containing 79 components and 234 reactions was established，which was coupled with the existing reduced mechanism of biodiesel to form the reduced mechanism of n-pentanol/biodiesel. This mechanism was verified by the ignition delay period as well as the cylinder pressure，heat release rate，and emissions of an engine，which can be used to analyze the combustion and emission characteristics of an engine fueled with n-pentanol /biodiesel. In a high-pressure common rail diesel engine，the influences of EGR on the combustion and emission characteristics of n-pentanol/biodiesel blends were studied using the simulation software CONVERGE. Results show that under different blending ratios of n-pentanol，with the increase of EGR，the peak values of both the cylinder pressure and heat release rate of n-pentanol/ biodiesel blends decrease，while the ignition delay and combustion duration increase. Under the same EGR condition，with the increase in the blending ratio of n-pentanol，the atomization characteristics of blends are improved，the combustion duration is shortened，and the peak heat release rate increases. Adding n-pentanol and increasing EGR can significantly reduce the NOemissions of blends. At EGR of 30% and the blending ratio of 40%，the lowest emission of NOis 0.08g/(kW·h)，which is 71% lower than that at EGR of 0. The blends have a great potential for soot oxidation，and the soot emissions are all at a low level. At a small EGR rate (＜20%)，the soot emissions do not increase significantly. When the EGR rate increases to 30%，the combustion deteriorates，the soot oxidation is restrained，and the soot emissions increase significantly.

EGR；n-pentanol；biodiesel；combustion；emission

TK16

A

1006-8740(2021)03-0279-10

10.11715/rskxjs.R202006019

2020-06-29．

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFC0211201).

余金山（1995—??），男，碩士研究生，yujinshan17@163.com.

李文浩，男，博士，講師，liwh@whut.edu.cn.

(責(zé)任編輯：武立有)