柴油機摻燒生物柴油的燃燒模擬仿真

摘 要 應用三維CFD軟件AVL FIRE2010，對CA6DF2D-21柴油機在同一工況下分別燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃燒過程進行了模擬仿真，得出不同摻燒比下柴油機的扭矩、燃油消耗率、NOX排放量和Soot排放量，建立了評價柴油機綜合燃燒性能的綜合加權(quán)評分法，通過量化計算，得到標定工況下，使柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性等綜合性能達到最優(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上的廣泛應用提供了有力的理論依據(jù)。 　　關鍵詞 FIRE；生物柴油；燃燒模擬；摻燒比 　　中圖分類號：TK464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）18-0031-03 　　柴油機燃用一定摻燒比的生物柴油是必然趨勢，它不僅可緩解石油能源危機，還可改善大氣環(huán)境。目前，國內(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，但對重型柴油機摻燒生物柴油開展多維數(shù)值模擬的研究還較少。本文利用FIRE軟件對CA6DF2D-21柴油機在同一工況下燃用B0、B10、B20和B50進行仿真研究，對不同摻燒比下柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性進行仿真分析，建立了評價柴油機綜合燃燒性能的計算方法，通過計算結(jié)果的對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上得到廣泛的應用提供有力的參考依據(jù)。 　　1 模擬計算條件 　　本文以6缸、直列、直噴、增壓中冷式柴油機CA6DF2D-21為研究對象，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)動機的具體參數(shù)見表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，為了減小計算量，只取氣缸圓周的1/6進行建模，網(wǎng)格模型建好后，對其進行了必要的網(wǎng)格質(zhì)量檢查，沒有發(fā)現(xiàn)負面網(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 混合燃料燃燒過程的模擬仿真 　　在同一工況和負荷下，利用FIRE軟件分別對CA6DF2D-21柴油機燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃燒過程進行仿真計算，得出反映柴油機動力性、經(jīng)濟性和排放性的典型指標——扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot排放量。 　　3.1 模型校正 　　對缸內(nèi)燃燒仿真時，常將計算所得的示功圖與試驗所測的示功圖進行對比，來驗證計算模型的準確性。圖4所示為試驗測得的示功圖與模擬計算的示功圖曲線，從圖中可以看出，二者變化趨勢吻合良好，說明所選模型和模型的邊界條件等參數(shù)合理。 　　3.2 模擬計算結(jié)果 　　模擬計算前，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）。模擬計算結(jié)果匯總成表3。 　　3.3 指標綜合評價，確定最佳摻燒比 　　扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot值等單項指標不能反映使用燃料的整體性能，運用加權(quán)綜合評分法求綜合指標，加權(quán)綜合評分值Yi的計算公式為： 　�。�1） 　　式中：為試驗序號；表示第項考察指標；為權(quán)因子系數(shù)，，為第項指標所占分值，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；為第項指標的變化范圍，由表3可計算值分別為：扭矩=61.2，油耗=0.2322，NOX排放量=0.001752，Soot排放量=0.000719。為次試驗時第項指標的具體模擬值。 　　因扭矩指標值越大越好，而油耗和氣體排放量越小越好，為了統(tǒng)一求得綜合指標的最小值，將扭矩項設為負值，用式（1）求得所用各種燃料的綜合加權(quán)評分值為：=159.315065，=158.460135，=181.821356，=166.045557。這里最小，說明在標定工況下，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和分析燃燒過程，利用FIRE三維圖功能對NOX和Soot排放物的生成做進一步分析。受篇幅所限，本文只列出摻燒10%生物柴油（B10）時，上止點時刻柴油機Soot的排放和上止點后20°CA時刻NOX的排放情況，并進行具體分析。 　　從圖5中的燃油濃度場和圖7的Soot濃度場對比可知，Soot的生成區(qū)域燃油的濃度較高，其燃空當量比大于1.67。從圖6、圖7中的溫度場和Soot濃度場對比可知，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，溫度過低則不利于碳煙生成，但溫度過高會促使已生成的碳煙氧化，所以計算所得的Soot生成區(qū)域符合規(guī)律。 　　對比圖8～10可以看出，NOX的生成與溫度有很大關系，從化學動力學角度分析，當反應物溫度從2500 K升高到2600 K時，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 　　1）本文利用AVL FIRE2010對CA6DF2D-21直噴式柴油機在同一工況和負荷時燃用B0、B10、B20和B50進行仿真計算，得到反映柴油機動力性、經(jīng)濟性和排放性能的各項指標：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)評分法對仿真結(jié)果進行綜合量化，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 　　[1]湯東，李昌遠，等.柴油機摻燒生物柴油NOx和碳煙排放數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學報，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.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，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的柴油機燃燒過程模擬分析[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2010，39（3）：3-4.

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