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柴油機(jī)摻燒生物柴油的燃燒模擬仿真
摘 要 應(yīng)用三維CFD軟件AVL FIRE2010，對(duì)CA6DF2D-21柴油機(jī)在同一工況下分別燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，得出不同摻燒比下柴油機(jī)的扭矩、燃油消耗率、NOX排放量和Soot排放量，建立了評(píng)價(jià)柴油機(jī)綜合燃燒性能的綜合加權(quán)評(píng)分法，通過(guò)量化計(jì)算，得到標(biāo)定工況下，使柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等綜合性能達(dá)到最優(yōu)的生物柴油摻燒比為B10。本文的研究為生物柴油在柴油機(jī)上的廣泛應(yīng)用提供了有力的理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞 FIRE；生物柴油；燃燒模擬；摻燒比 中圖分類號(hào)：TK464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）18-0031-03 柴油機(jī)燃用一定摻燒比的生物柴油是必然趨勢(shì)，它不僅可緩解石油能源危機(jī)，還可改善大氣環(huán)境。目前，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出許多生物柴油使用方面的研究成果，主要集中在生物柴油的燃燒與噴霧特性方面，但對(duì)重型柴油機(jī)摻燒生物柴油開(kāi)展多維數(shù)值模擬的研究還較少。本文利用FIRE軟件對(duì)CA6DF2D-21柴油機(jī)在同一工況下燃用B0、B10、B20和B50進(jìn)行仿真研究，對(duì)不同摻燒比下柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性進(jìn)行仿真分析，建立了評(píng)價(jià)柴油機(jī)綜合燃燒性能的計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析得出綜合性能最優(yōu)的摻燒比，為生物柴油在柴油機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用提供有力的參考依據(jù)。 1 模擬計(jì)算條件 本文以6缸、直列、直噴、增壓中冷式柴油機(jī)CA6DF2D-21為研究對(duì)象，摻加的生物柴油是由唐山金利海生物柴油股份有限公司生產(chǎn)的地溝油制生物柴油。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)見(jiàn)表1。 利用Masher工具創(chuàng)建燃燒室的2D網(wǎng)格和3D網(wǎng)格。CA6DF2D-21柴油機(jī)使用6孔噴油器，圓周方向均勻分布，孔徑大小相同，流量一樣，為了減小計(jì)算量，只取氣缸圓周的1/6進(jìn)行建模，網(wǎng)格模型建好后，對(duì)其進(jìn)行了必要的網(wǎng)格質(zhì)量檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)負(fù)面網(wǎng)格和扭曲網(wǎng)格等。燃燒室的2D和3D網(wǎng)格分別如圖2、圖3所示。 3 混合燃料燃燒過(guò)程的模擬仿真 在同一工況和負(fù)荷下，利用FIRE軟件分別對(duì)CA6DF2D-21柴油機(jī)燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，得出反映柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的典型指標(biāo)——扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot排放量。 3.1 模型校正 對(duì)缸內(nèi)燃燒仿真時(shí)，常將計(jì)算所得的示功圖與試驗(yàn)所測(cè)的示功圖進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。圖4所示為試驗(yàn)測(cè)得的示功圖與模擬計(jì)算的示功圖曲線，從圖中可以看出，二者變化趨勢(shì)吻合良好，說(shuō)明所選模型和模型的邊界條件等參數(shù)合理。 3.2 模擬計(jì)算結(jié)果 模擬計(jì)算前，建立了湍流模型（采用修正方程）、燃燒模型（采用渦破碎模型（Eddy breakup model））、NOX生成排放模型（采用擴(kuò)展的澤爾多維奇（Extended zeldovich）模型）、Soot生成模型（采用Hiroyasu的碳煙生成模型）。模擬計(jì)算結(jié)果匯總成表3。 3.3 指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，確定最佳摻燒比 扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot值等單項(xiàng)指標(biāo)不能反映使用燃料的整體性能，運(yùn)用加權(quán)綜合評(píng)分法求綜合指標(biāo)，加權(quán)綜合評(píng)分值Yi的計(jì)算公式為： �。�1） 式中：為試驗(yàn)序號(hào)；表示第項(xiàng)考察指標(biāo)；為權(quán)因子系數(shù)，，為第項(xiàng)指標(biāo)所占分值，根據(jù)汽車的使用工況確定為：扭矩分值=30，油耗分值=19，NOX排放分值=32，Soot排放分值=19；為第項(xiàng)指標(biāo)的變化范圍，由表3可計(jì)算值分別為：扭矩=61.2，油耗=0.2322，NOX排放量=0.001752，Soot排放量=0.000719。為次試驗(yàn)時(shí)第項(xiàng)指標(biāo)的具體模擬值。 因扭矩指標(biāo)值越大越好，而油耗和氣體排放量越小越好，為了統(tǒng)一求得綜合指標(biāo)的最小值，將扭矩項(xiàng)設(shè)為負(fù)值，用式（1）求得所用各種燃料的綜合加權(quán)評(píng)分值為：=159.315065，=158.460135，=181.821356，=166.045557。這里最小，說(shuō)明在標(biāo)定工況下，最優(yōu)燃料為B10，即摻加10%生物柴油的混合燃料具有最佳綜合燃燒性能。 4 NOX和Soot的排放分析 為了更直觀深入的觀測(cè)和分析燃燒過(guò)程，利用FIRE三維圖功能對(duì)NOX和Soot排放物的生成做進(jìn)一步分析。受篇幅所限，本文只列出摻燒10%生物柴油（B10）時(shí)，上止點(diǎn)時(shí)刻柴油機(jī)Soot的排放和上止點(diǎn)后20°CA時(shí)刻N(yùn)OX的排放情況，并進(jìn)行具體分析。 從圖5中的燃油濃度場(chǎng)和圖7的Soot濃度場(chǎng)對(duì)比可知，Soot的生成區(qū)域燃油的濃度較高，其燃空當(dāng)量比大于1.67。從圖6、圖7中的溫度場(chǎng)和Soot濃度場(chǎng)對(duì)比可知，Soot生成區(qū)域溫度較高，Soot中包含的碳煙的產(chǎn)生溫度主要在1500 K-2400 K的溫度區(qū)域，溫度過(guò)低則不利于碳煙生成，但溫度過(guò)高會(huì)促使已生成的碳煙氧化，所以計(jì)算所得的Soot生成區(qū)域符合規(guī)律。 對(duì)比圖8～10可以看出，NOX的生成與溫度有很大關(guān)系，從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分析，當(dāng)反應(yīng)物溫度從2500 K升高到2600 K時(shí)，NOX的生成速率要翻一倍。在燃油濃度比較大的區(qū)域，溫度雖然很高，但是NOX的生成速率并不高，這和NOX的高溫富氧形成條件是一致的。 5 結(jié)束語(yǔ) 1）本文利用AVL FIRE2010對(duì)CA6DF2D-21直噴式柴油機(jī)在同一工況和負(fù)荷時(shí)燃用B0、B10、B20和B50進(jìn)行仿真計(jì)算，得到反映柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的各項(xiàng)指標(biāo)：扭矩、燃油消耗率、NOX排放量和Soot排放量，并利用所建立的綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行綜合量化，得出最佳摻燒比為B10。 2）綜合分析NOX和Soot空間分布圖可知，NOX生成主要在高溫富氧區(qū)，而Soot在高溫富油區(qū)，另外Soot的生成溫度比NOX要低，所以Soot的生成要先于NOX，在燃燒后期，生成的Soot會(huì)部分被氧化，所以排氣中的Soot量比缸內(nèi)生成的Soot量要少。 參考文獻(xiàn) [1]湯東，李昌遠(yuǎn)，等.柴油機(jī)摻燒生物柴油NOx和碳煙排放數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（7）：1-4. [2]V. Nagaraju and N. Henein. A. Quader and M. Wu. Effect of Biodiesel （B20） on Performance and Emission in a Single Cylinder HSDI Diesel Engine[J]. SAE PAPER， 2008-01-1401. [3]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004. [4]Zhang X，Gao G，Li L，Wu Z，Hu Z，Deng J. Characteristics of Combustion and Emissions in a DI Engine Fueled with Biodiesel Blends from Soybean Oil.SAE technical paper，2008-01-1832. [5]吳健，徐斌，等.基于FIRE的柴油機(jī)燃燒過(guò)程模擬分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2010，39（3）：3-4.
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