EGR對不同生物柴油/柴油摻混比下碳煙前驅體形成的影響

吳旭東, 王 忠, 劉 帥, 李瑞娜, 瞿 磊

(1. 江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013; 2. 南通職業大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 南通 226007)

隨著石油資源的不斷消耗,排放法規的日益嚴格,尋找清潔的替代燃料是內燃機研究的一個重點.生物柴油可再生,不含硫,可與柴油以不同的摻混比進行混合燃燒,是一種理想的柴油發動機燃料.采用廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)是一種降低柴油發動機NOx排放的有效方法,進入氣缸的廢氣對柴油發動機燃料燃燒的碳煙前驅體有很大影響,多環芳香烴(PAHs)是形成碳煙的主要前驅體物質,直接影響柴油發動機排氣中的顆粒數量和質量[1].碳煙是燃油的不完全燃燒產物.燃油在高溫缺氧條件下裂解生成乙炔(C2H2)、甲基(CH3)和丙炔基(C3H3)等小分子燃燒中間產物,苯和苯基通過C2H2和C4Hx的環化反應和C3H3之間的相互化合作用形成.其中,C2H2是燃油裂解、生成碳煙前驅體的關鍵部分[2],苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)和芘(A4)在碳煙前驅體中具有代表性,第1個苯環的形成對芳香烴生長和后期碳煙成核具有關鍵作用[3].

針對柴油發動機碳煙前驅體的生成機理,國內外學者進行了大量的研究.鞠洪玲等[4]采用正十四烷的化學反應機理和Belardini碳煙模型,對柴油發動機燃燒中多環芳香烴及碳煙的形成與演化進行了研究,結果表明:PAHs的質量在燃燒初期急速增加,在急燃期后,由于成長和氧化反應逐漸降低,其中乙炔、苯、萘、菲和芘的生成對碳煙排放影響較大.A. T. WIJAYANTA等[5]依據包含2 158種常規氣相反應和1 635種表面相反應機理的塞流式反應器模型,研究了CO2和O2的濃度及燃燒溫度對生物柴油燃燒過程中芳香烴形成的影響,結果表明:溫度低于1 473 K時,增加O2濃度可以顯著降低PAHs的生成,溫度高于1 473 K時,CO2濃度增加可以降低PAHs的生成.黃豪中等[6]簡化正庚烷-正丁醇-多環芳香烴-甲苯燃燒機理作為正丁醇/柴油混合燃料的燃燒替代機理,采用AVL-Fire軟件耦合化學反應動力學軟件Chemkin的方法,研究了EGR率和正丁醇摻混比等因素對正丁醇/柴油混合燃料低溫燃燒過程中碳煙前驅體生成的影響.目前研究大多集中于有關苯、萘、菲和芘等芳香烴對碳煙的生成及排放的影響方面,關于EGR對生物柴油/柴油混合燃料燃燒碳煙前驅體生成影響方面的研究報道較少.燃用生物柴油/柴油混合燃料,并采用EGR技術,改變碳煙前驅體的生成路徑和反應時間,對碳煙的形成產生重要的影響.

為此,課題組以186F非道路柴油發動機為試驗機,燃燒生物柴油/柴油混合燃料,測量示功圖;采用三維CFD仿真軟件AVL-Fire耦合化學反應動力學軟件Chemkin,以氣缸壓力數據進行模型驗證.通過添加多環芳香烴和碳煙形成的主要基元反應,構建生物柴油/柴油化學反應動力學模型,分析生物柴油/柴油不同摻混比、不同EGR率時,燃燒中間自由基、碳煙前驅體的生成與衍化規律,研究生物柴油/柴油摻混比、EGR率對缸內碳煙前驅體生成過程的影響.

1 模型的構建與驗證

1.1 生物柴油/柴油化學反應動力學機理的構建

生物柴油是長鏈脂肪酸甲酯的多組分混合物,其碳鏈長度、含氧量和不飽和度等理化性質對生物柴油燃燒有重要影響,多種物質化學反應機理混合使用能夠準確地替代生物柴油化學反應機理,從而更加準確地反映生物柴油的燃燒過程.

LUO Z. Y.等[7]根據生物柴油的構成組分,以正庚烷-癸酸甲酯-9-癸烯酸甲酯簡化化學反應機理替代生物柴油化學反應機理,包含123個組分和394個基元反應,具有較好的準確性.癸酸甲酯是生物柴油替代燃料的主要組分之一,通過癸酸甲酯燃燒機理耦合正庚烷和9-癸烯酸甲酯的燃燒機理作為生物柴油替代機理，能夠較為準確地反映生物柴油的理化性質,能夠更加精確地反映生物柴油在燃燒中的碳煙前驅體生成過程.正庚烷的十六烷值與柴油比較接近,常選擇正庚烷來代替柴油進行計算研究[8-10].

模型選取正庚烷、癸酸甲酯和9-癸烯酸甲酯混合燃料替代生物柴油/柴油混合燃料,通過調節癸酸甲酯、正庚烷和9-癸烯酸甲酯的比例來模擬不同摻混比的生物柴油/柴油混合燃料.本研究中采用生物柴油/柴油摻混比分別為15%和30%的混合燃料,研究在不同EGR率下燃燒混合燃料B15和B30碳煙前驅體的生成規律.柴油(B0)、混合燃料(B15，B30)和生物柴油(B100)的替代燃料中正庚烷、癸酸甲酯、9-癸烯酸甲酯的體積分數如表1所示.

表1 不同混合燃料組分的體積分數

1.2 PAHs形成機理的簡化與建立

WANG H.等[11]提出了包含PAHs形成、生長和氧化等過程的化學反應機理,主要反應過程為HACA(脫氫加乙炔)反應,該過程為乙炔與不飽和烷烴進行環化反應.同時將CH2,C2H2,C3H3和C4H4等小分子產物對芳香烴形成的影響添加到PAHs的生成和氧化機理中去,通過敏感性分析和反應速率分析法對動力學機理進行簡化,得出包含3 299個組分和10 806個基元反應機理.主要基元反應如表2所示，其中P2為化學物質苊.

表2 PAHs的主要基元反應

1.3 耦合模型與邊界條件

仿真模型以186F柴油發動機為依據,該柴油發動機為四沖程、自然吸氣、風冷直噴式非道路用柴油發動機.主要參數如下:缸徑為86 mm,沖程為7 mm,壓縮比為19,排量為0.406 L,標定轉速為3 000 r·min-1,標定功率為5.7 kW,噴油提前角為-12°.由于采用的燃燒室是對稱的,噴油器為4孔噴油器,從簡化模型的角度出發,選擇1/4燃燒室建立模型,使用Fire軟件ESE Diesel模塊中的Mesher創建燃燒室網格模型,網格徑向尺寸為0.1 mm,對部分區域網格進行了加密處理,下止點時計算網格總數量為66 547個.燃燒室網格模型如圖1所示.

圖1 燃燒室網格模型

應用Fire耦合Chemkin軟件進行計算,在Chemkin的General gas phase reaction 模型中選擇生物柴油/柴油反應機理文件;Fire對Chemkin導入的熱力學和化學動力學文件進行編譯,設定計算網格和邊界條件;Fire求解器直接調用燃油的機理文件,結合缸內的湍流運動方程計算燃燒過程;計算完成后輸出數據,完成Fire和Chemkin耦合計算.選擇k-zeta-f湍流模型、Walljet油滴碰壁模型、Wave油滴破碎模型、Multi-component蒸發模型和Han-reits model壁面傳熱模型進行計算.在Initial conditions模塊中設置初始壓力、初始溫度、噴油時刻等參數.仿真計算的初始參數如表3所示.

表3 仿真計算的初始參數

對柴油發動機轉速為2 000 r·min-1、75%負荷及不同EGR率工況下的生物柴油/柴油燃燒的碳煙前驅體參數進行了仿真,并以進氣門關閉時對應的曲軸轉角(-135.5°)為起點,以排氣門開啟時對應的曲軸轉角(124.5°)為終點.

1.4 模型驗證

為驗證模型的準確性,在發動機轉速為2 000 r·min-1、75%負荷及EGR率為0工況下,應用奧地利DEWETRON公司生產的EWE-5000DAQ缸內燃燒壓力采集系統,瑞士KISTLER公司生產的KSM071860壓力傳感器等儀器,實測了柴油發動機的示功圖,得出燃燒氣缸壓力.其中,氣缸壓力傳感器測量范圍為0～25 MPa,靈敏度為-2×10-10C·MPa-1.將燃用B15的缸內壓力計算值與臺架試驗值進行對比(見圖2),驗證模型的準確性.

圖2 燃用B15缸內壓力試驗值與計算值對比

由圖2可知:燃用B15時的缸內壓力計算值與試驗值曲線基本吻合,由于環境因素等原因導致的誤差小于5%,具有很好的準確性,可以使用該模型進行數值計算.

2 計算結果與分析

2.1 EGR率及摻混比對乙炔生成規律的影響

圖3為不同EGR率下柴油發動機分別燃用B15和B30時乙炔的生成規律.

圖3 不同EGR率下燃用兩種燃油時乙炔的質量分數

由圖3可知:隨著燃油中生物柴油的摻混比增加,乙炔的初始生成時刻前移,生成量峰值減少;相比于燃用B15,EGR率為0的情況下,燃用B30時的乙炔初始生成時刻前移了0.8°,生成量峰值降低了17.2%,EGR率為10%時降低了16.9%,EGR率為20%時降低了16.3%,EGR率為30%時降低了15.3%,減緩了苯環的形成及前驅體的生長.原因是隨著生物柴油/柴油摻混比增加,混合燃料中的十六烷值升高,滯燃期縮短,燃油裂解時刻提前,從而使乙炔的初始生成時刻前移.隨著生物柴油/柴油摻混比的增加,混合燃料中的氧含量也增加,促進了乙炔的氧化反應(C2H2+OH=CH2CO+H),使乙炔的生成量峰值減少.隨著曲軸轉角的增大,乙炔的生成量先增加后減少.這是因為預混燃燒初期,燃油高溫裂解生成大量乙炔,乙炔的生成量迅速增加.隨著燃燒的進行,乙炔通過環化反應形成芳香烴苯或被氧化,導致乙炔的生成量逐漸減少.

由圖3還可知:在同一種生物柴油/柴油摻混比下,隨著EGR率的增加,乙炔初始生成時刻略微滯后,生成量峰值減少,生成量峰值時刻明顯滯后;隨曲軸轉角的增加,乙炔生成量呈先增加后減少的趨勢,最終生成量有所增加;與EGR率為0相比,燃用B15時, EGR率為10%,20%和30%的生成量峰值時刻分別后移了2.5°,4.0°和6.2°,生成量峰值分別降低了4.9%,10.1%和14.2%;燃用B30時分別后移了1.7°,2.9°和3.3°,生成量峰值分別降低了4.8%,9.8%和14.3%.主要因為乙炔是由燃油在缸內高溫裂解得到的,EGR率增加,降低了缸內燃燒溫度和氧濃度,導致達到前驅體生成所需溫度的時間變長,推遲了燃油的高溫裂解反應,乙炔的生成始點后移.此外,缸內燃燒溫度降低,降低了燃油裂解生成乙炔等小分子的反應速率,導致乙炔的生成量峰值降低,生成量峰值時刻滯后.EGR增大時,缸內溫度和氧濃度的降低也會減緩乙炔的氧化反應,乙炔的消耗速率降低,消耗量減少,所以最終生成量隨EGR率的增大有所增加.

不同EGR率下,乙炔生成量峰值出現在11°～18°,處于預混燃燒階段.缸內溫度迅速升高,燃油裂解速率加快,生成速率大大超過氧化速率,乙炔生成量也隨之快速增加.在擴散燃燒階段,前驅體的生成速率低于氧化速率,前驅體生成量逐漸減少.燃燒后期,乙炔的生成和氧化趨向穩定,生成量變化不大.

2.2 EGR率及摻混比對苯生成規律的影響

圖4為不同EGR率下分別燃用B15和B30時苯的生成規律曲線.

圖4 不同EGR率下燃用兩種燃油時苯的質量分數

由圖4可知:苯的初始生成時刻隨著生物柴油/柴油摻混比增加提前了1.2°,表明生物柴油/柴油摻混比增加,乙炔的初始生成時刻前移,乙炔的氧化反應提前,從而使前驅體芳香烴苯的生成時刻提前;隨著生物柴油的摻混比增加,苯的生成量在各EGR率下均呈逐漸減少的趨勢.與燃用B15相比,在EGR率為0,10%,20%和30%的情況下,燃用B30時苯的生成量峰值分別降低了26.1%,24.4%,23.2%和22.7%.主要由于生物柴油/柴油摻混比增加使燃料的氧含量增加,提高苯的氧化速率,降低了苯的生成.隨著曲軸轉角的增大,苯的生成量質量分數先增加后減少.這是因為在預混燃燒初期,燃油高溫裂解生成乙炔等小分子物質,通過環化反應生成較多含有少量苯環的芳香烴苯,隨后繼續生長成多環芳香烴或被氧化,苯的質量分數減少[12].

從圖4可以看出,隨著EGR率的升高,苯的生成時刻后移.主要是因為苯的生成路徑是由燃油裂解生成的C2H2,C3H3等小分子物質決定的,EGR率增加導致乙炔的生成時刻后移,使苯的生成時刻滯后.苯的生成量峰值和最終生成量隨著EGR率的增大都有所增加.因為EGR率增大,缸內混合氣體的氧含量降低,導致苯被氧化的概率降低,降低了被氧化消耗的速率,所以苯的生成量峰值和最終生成量都有所升高.

2.3 EGR率及摻混比對萘生成規律的影響

圖5為不同EGR率下分別燃用B15和B30時萘的生成規律曲線.

圖5 不同EGR率下燃用兩種燃油時萘的質量分數

由圖5可知:萘的質量分數隨著曲軸轉角的增大呈先升高后降低的趨勢.這是因為隨著燃燒過程的持續進行,苯的生成速率加快,從而促進苯生成并轉化成萘的化學反應,所以萘的質量分數迅速增加.擴散燃燒階段苯的生成量減少,苯生成萘的反應速率不斷降低,萘的質量分數逐漸下降.隨著生物柴油/柴油摻混比的增加,萘的生成時刻提前了0.7°,生成量峰值和最終生成量都有所減少.原因是生物柴油/柴油摻混比增加后,一方面,混合燃料的氧含量增加,提高了萘的氧化速率;另一方面,苯的氧化速率提高,苯的質量分數降低也導致了萘的生成量減少.

同一摻混比燃油下,隨著EGR率的增大,萘的生成量峰值時刻滯后,原因是EGR率增加導致燃油裂解時刻推遲,使苯的生成時刻后移,從而使苯向萘轉化的反應滯后.萘的生成量峰值和最終生成量隨著EGR率的增大都有所增加.燃用B15時,EGR率為10%,20%和30%時的萘生成量峰值比EGR率為0時分別增加了4.3%,9.0%和21.6%,燃用B30時分別增加了8.6%,19.1%和30.2%.這是因為EGR率增大導致缸內的氧含量和最高燃燒溫度降低,萘的氧化消耗減少,從而使萘的生成量增加.但隨著曲軸轉角的增大,萘的生成量和苯一樣呈先升高后降低的趨勢.

2.4 EGR率及摻混比對菲生成規律的影響

圖6為不同EGR率下分別燃用B15和B30時菲的生成規律曲線.由圖6可知:隨著生物柴油/柴油摻混比的增加,菲的生成時刻提前,是因為菲的生成反應過程是由苯和萘決定的,使菲的生成時刻隨生物柴油/柴油摻混比增加而前移,和苯、萘的變化規律一致.生物柴油/柴油摻混比由15%增加到30%,菲的生成時刻前移了0.8°;隨著生物柴油的摻混比增加,菲的生成量峰值和最終生成量均呈逐漸減少的趨勢,原因類似于苯和萘.

圖6 不同EGR率下燃用兩種燃油時菲的質量分數

由圖6還可知:菲的生成時刻隨EGR率的增大而滯后；在燃料為B15時,菲的生成量峰值時刻從EGR率為0增大到30%,依次延遲了1.34°,1.92°和2.85°，燃用B30時依次延遲了1.16°,1.86°和1.45°.因為EGR率增加導致苯和萘的生成時刻后移,使得進一步的環化反應延遲,菲的生成時刻滯后.在預混燃燒階段,隨著EGR率的增大,菲的生成量峰值逐漸增大,最終生成量也逐漸升高.因為缸內氧含量和燃燒溫度的降低,菲的氧化速率減緩,氧化消耗量減少,使菲的最終生成量增加.在擴散燃燒階段,菲的生成速率低于其氧化消耗速率,生成量隨著曲軸轉角的增加逐漸減少,最終趨于穩定.

2.5 EGR率及摻混比對芘生成規律的影響

圖7為不同EGR率下分別燃用B15和B30時芘的生成規律曲線.從圖7可以看出,燃用B15和B30時,隨著曲軸轉角的增加,芘的質量分數在各EGR率下都隨著生物柴油/柴油摻混比的增加呈逐漸降低趨勢.這表明燃燒初期,生物柴油/柴油摻混比的增加使燃料的氧含量增加,燃油高溫裂解生成的氫氧自由基和乙炔促進了芘的氧化,加速了芘的消耗.隨著生物柴油/柴油摻混比的增加,燃油裂解時刻的提前導致芘的初始生成時刻略微前移,燃用B15和B30時,隨著曲軸轉角的增加芘的質量分數呈先升高后降低趨勢.

圖7 不同EGR率下燃用兩種燃油時芘的質量分數

燃用B15和B30時,隨著EGR率增加,芘的生成時刻后移,生成量峰值和最終生成量都顯著增加.燃用B15時,與EGR率為0相比,EGR率為10%,20%和30%時芘生成量峰值分別增加了4.8%,19.4%和37.1%,對應的曲軸轉角分別后移了1.9°,3.7°和7.1°.燃用B30時,芘生成量峰值分別降低7.2%,21.1%和34.9%,對應的時刻分別后移了1.2°,3.3°和4.5°.采用EGR后,缸內燃燒溫度和混合氣體中的氧含量都得到降低,導致芘的氧化消耗減少,且EGR率升高,對氧化速率的抑制也隨之增加,所以芘的生成量增加.通過采用EGR,可以看出在擴散燃燒階段,芘的減少主要是由于氧化反應消耗造成的.在燃燒后期,乙炔、苯、萘、菲和芘等前驅體繼續發生環化反應和氧化反應,形成基本粒子,完成碳煙顆粒的成核過程.隨著燃燒的進行,顆粒之間發生碰撞凝并,形成大尺寸的顆粒,并吸附PAHs等小分子物質,最終排出缸外.

3 結 論

1) EGR率不變時,隨著生物柴油/柴油摻混比的增大,乙炔、苯、萘、菲和芘的初始生成時刻提前,生成量峰值和最終生成量都有所降低.

2) 生物柴油/柴油摻混比一定時,隨著EGR率的增加,生成量峰值時刻都有所滯后,乙炔的生成量峰值降低,最終生成量逐漸升高.苯、萘、菲和芘的生成量峰值升高,最終生成量有所增加.

3) 采用EGR后,生物柴油/柴油混合燃料的碳煙前驅體主要生成于預混燃燒階段.隨著曲軸轉角的增加,乙炔、苯、萘、菲和芘的生成量呈先升高后降低的趨勢.