柴油機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(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：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(yīng)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(shè)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(guān)系，從化學(xué)動力學(xué)角度分析，當反應(yīng)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(xué)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(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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