柴油机掺烧生物柴油的燃烧模拟仿真

摘 要 应用三维CFD软件AVL FIRE2010，对CA6DF2D-21柴油机在同一工况下分别燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃烧过程进行了模拟仿真，得出不同掺烧比下柴油机的扭矩、燃油消耗率、NOX排放量和Soot排放量，建立了评价柴油机综合燃烧性能的综合加权评分法，通过量化计算，得到标定工况下，使柴油机的动力性、经济性和排放性等综合性能达到最优的生物柴油掺烧比为B10。本文的研究为生物柴油在柴油机上的广泛应用提供了有力的理论依据。

关键词 FIRE；生物柴油；燃烧模拟；掺烧比

中图分类号：TK464 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0031-03

柴油机燃用一定掺烧比的生物柴油是必然趋势，它不仅可缓解石油能源危机，还可改善大气环境。目前，国内外涌现出许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烧与喷雾特性方面，但对重型柴油机掺烧生物柴油开展多维数值模拟的研究还较少。本文利用FIRE软件对CA6DF2D-21柴油机在同一工况下燃用B0、B10、B20和B50进行仿真研究，对不同掺烧比下柴油机的动力性、经济性和排放性进行仿真分析，建立了评价柴油机综合燃烧性能的计算方法，通过计算结果的对比分析得出综合性能最优的掺烧比，为生物柴油在柴油机上得到广泛的应用提供有力的参考依据。

1 模拟计算条件

本文以6缸、直列、直喷、增压中冷式柴油机CA6DF2D-21为研究对象，掺加的生物柴油是由唐山金利海生物柴油股份有限公司生产的地沟油制生物柴油。柴油发动机的具体参数见表1。

利用Masher工具创建燃烧室的2D网格和3D网格。CA6DF2D-21柴油机使用6孔喷油器，圆周方向均匀分布，孔径大小相同，流量一样，为了减小计算量，只取气缸圆周的1/6进行建模，网格模型建好后，对其进行了必要的网格质量检查，没有发现负面网格和扭曲网格等。燃烧室的2D和3D网格分别如图2、图3所示。

3 混合燃料燃烧过程的模拟仿真

在同一工况和负荷下，利用FIRE软件分别对CA6DF2D-21柴油机燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃烧过程进行仿真计算，得出反映柴油机动力性、经济性和排放性的典型指标——扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot排放量。

3.1 模型校正

对缸内燃烧仿真时，常将计算所得的示功图与试验所测的示功图进行对比，来验证计算模型的准确性。图4所示为试验测得的示功图与模拟计算的示功图曲线，从图中可以看出，二者变化趋势吻合良好，说明所选模型和模型的边界条件等参数合理。

3.2 模拟计算结果

模拟计算前，建立了湍流模型（采用修正方程）、燃烧模型（采用涡破碎模型（Eddy breakup model））、NOX生成排放模型（采用扩展的泽尔多维奇（Extended zeldovich）模型）、Soot生成模型（采用Hiroyasu的碳烟生成模型）。模拟计算结果汇总成表3。

3.3 指标综合评价，确定最佳掺烧比

扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot值等单项指标不能反映使用燃料的整体性能，运用加权综合评分法求综合指标，加权综合评分值Yi的计算公式为：

（1）

式中：为试验序号；表示第项考察指标；为权因子系数，，为第项指标所占分值，根据汽车的使用工况确定为：扭矩分值=30，油耗分值=19，NOX排放分值=32，Soot排放分值=19；为第项指标的变化范围，由表3可计算值分别为：扭矩=61.2，油耗=0.2322，NOX排放量=0.001752，Soot排放量=0.000719。为次试验时第项指标的具体模拟值。

因扭矩指标值越大越好，而油耗和气体排放量越小越好，为了统一求得综合指标的最小值，将扭矩项设为负值，用式（1）求得所用各种燃料的综合加权评分值为：=159.315065，=158.460135，=181.821356，=166.045557。这里最小，说明在标定工况下，最优燃料为B10，即掺加10%生物柴油的混合燃料具有最佳综合燃烧性能。

4 NOX和Soot的排放分析

为了更直观深入的观测和分析燃烧过程，利用FIRE三维图功能对NOX和Soot排放物的生成做进一步分析。受篇幅所限，本文只列出掺烧10%生物柴油（B10）时，上止点时刻柴油机Soot的排放和上止点后20°CA时刻NOX的排放情况，并进行具体分析。

从图5中的燃油浓度场和图7的Soot浓度场对比可知，Soot的生成区域燃油的浓度较高，其燃空当量比大于1.67。从图6、图7中的温度场和Soot浓度场对比可知，Soot生成区域温度较高，Soot中包含的碳烟的产生温度主要在1500 K-2400 K的温度区域，温度过低则不利于碳烟生成，但温度过高会促使已生成的碳烟氧化，所以计算所得的Soot生成区域符合规律。

对比图8～10可以看出，NOX的生成与温度有很大关系，从化学动力学角度分析，当反应物温度从2500 K升高到2600 K时，NOX的生成速率要翻一倍。在燃油浓度比较大的区域，温度虽然很高，但是NOX的生成速率并不高，这和NOX的高温富氧形成条件是一致的。

5 结束语

1）本文利用AVL FIRE2010对CA6DF2D-21直喷式柴油机在同一工况和负荷时燃用B0、B10、B20和B50进行仿真计算，得到反映柴油机动力性、经济性和排放性能的各项指标：扭矩、燃油消耗率、NOX排放量和Soot排放量，并利用所建立的综合加权评分法对仿真结果进行综合量化，得出最佳掺烧比为B10。

2）综合分析NOX和Soot空间分布图可知，NOX生成主要在高温富氧区，而Soot在高温富油区，另外Soot的生成温度比NOX要低，所以Soot的生成要先于NOX，在燃烧后期，生成的Soot会部分被氧化，所以排气中的Soot量比缸内生成的Soot量要少。

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