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活塞燃烧室几何形状对生物柴油式柴油机燃烧和排放特性的影响

1. Li，WM YanguArr;H. An，A. Maghbouli，SK Chou

摘 要：

本文介绍了活塞燃烧室几何结构对生物柴油在中等负载条件下燃烧的柴油机燃烧和排放特性影响的数值研究。 三种不同的燃烧室的几何形状，即：半球形燃烧室（HCC），浅深度燃烧室（SCC）和基准omega;燃烧室（OCC）是以相同的压缩比18.5创建的。 为了模拟燃烧过程，进行了基于KIVA-4编码的计算流体动力学（CFD）建模。 此外，CHEMKIN II代码作为化学解算器集成到KIVA-4代码中，将生物柴油燃烧的69种和204种反应组成详细的化学动力学机制，从而提高了模拟的准确性。燃烧室的狭窄入口能产生强烈的挤流，特别是在发动机转速较高的情况下，从而加强了空气和燃油的混合。此外，仿真结果表明，在性能方面SCC在低发动机转速时是有利的; 而在高发动机转速下，OCC更好。 因此，在低发动机转速条件下，与其他两个活塞燃烧室设计相比，SCC将产生相对较高的NO。 同样，OCC燃烧室几何形状的高性能可能导致高发动机转速条件下的高NO排放。

关键词：燃烧室几何形状；生物柴油；详细的化学反应模型KIVA4代码

正文：

1. 介绍

由于与汽油发动机相比，柴油发动机的效率更高，因此柴油发动机的应用正在不断增加。 然而，它们通过排放颗粒物（PM）和氮氧化物（NO_x）等，也会带来显著的环境污染。为了满足日益严格的排放法规，研究人员寻求技术解决方案或替代燃料以减少发动机排放。 此外，对化石燃料的需求增加和高油价加剧了寻求可再生燃料作为柴油发动机替代品的迫切性[1,2]。 最近，生物柴油已被认为是替代柴油的有前景的燃料。 生物柴油的优点包括生物降解性，可更新性，较低的硫和芳烃，较高的灰分和较高的十六烷值[3–6]。 生物柴油可以在国内生产，减少了对进口石油的依赖[3]。

此外，大多数调查显示一氧化碳（CO），未燃烃（UHC）和PM排放量减少[7–12]，而生物柴油燃料柴油发动机的NO_x和燃料消耗略有增加[11–14].

柴油发动机中的燃烧和排放物形成过程与活塞燃烧室的几何形状密切相关，其在燃烧开始之前可强烈影响空气燃料混合[15–20]。 最近，有学者已经进行了一些关于不同燃烧室几何形状对生物柴油发动机的影响的实验研究。 Jaichandar和Annamalai[21] 研究了在用生物柴油作为燃料的柴油机上，燃烧室几何形状对发动机性能的影响。在他们的研究中，研究了三种几何形状，即HCC（半球形燃烧室），TCC（环形燃烧室）和SCC（浅层燃烧室）。实验中使用的生物柴油是20％体积的海牛油甲酯与80％超低硫柴油的混合物。可以发现，

与HCC和SCC燃烧室形状几何相比，尽管在TCC中检测到稍高的NO_x，但CO、UHC和PM排放降低。此外，TCC的制动热效率（机械功对燃料能量输入的比率）高于HCC和SCC燃烧室的几何形状。 最近，Jaichandar等人。

[17] 研究了喷射正时和燃烧室几何形状对生物柴油式柴油机燃烧和性能特征的影响。 在这项工作中，考虑了两种结构（HCC和TCC）的燃烧室几何结构，所用的燃料与之前的研究相同。 试验在不同负荷（0％，25％，50％，75％和100％）和不同喷油时刻（20°，21°，22°，23°和24°CA BTDC）下进行。 结果表明，与HCC相比，TCC的制动热效率提高了5.64％，TCC的制动比油耗降低了4.6％。 此外，随着喷射时间延迟，性能先增加后下降，而CO，UHC和烟雾增加。 此外，NO_x增加了11％，这被认为是由生物柴油燃料造成的。

在仿真研究中，结合遗传算法和KIVA-CHEMKIN的优化方法已应用于一系列关于转子几何形状的研究，以最大限度地减少污染物排放和特定的总体指示燃料消耗量。 Shi和Reitz[20] 在低负荷和高负荷条件下，通过优化方法在转子几何形状，喷雾瞄准和涡流比之间做出折中，以实现低排放并提高重型柴油发动机的燃料经济性。 Dolak和Reitz[15] 通过考虑诸如喷油时刻，每次喷油的燃料的分数量和涡流比等变量，优化了双喷射角度喷嘴的轻型柴油发动机的燃烧室几何形状。 最后，为两个喷射角度喷嘴研究选择了阶梯式燃烧室的几何形状。 然而，这些优化研究都集中在传统的柴油燃料上。 最近，Park[18] 对以二甲醚（DME）为燃料的柴油机进行了优化研究。由于二甲醚的特性与柴油的特性不同，二甲醚发动机的燃烧和排放物的形成与柴油发动机的燃烧和排放形成明显不同。 最后，将DME发动机优化结果与原装柴油发动机进行比较，就可以得出显著的改善。

从上面可以看出，人们很少对柴油机中生物柴油的燃烧特性进行研究以揭示其特性。也没有进行关于燃烧室形几何结构对生物柴油发动机燃烧过程和排放形成影响的数值研究。为弥补差距，我们非常有必要对具有不同的燃烧室几何形状的生物柴油发动机的燃烧过程进行数值研究。

在本文中，使用与CHEMKIN耦合的KIVA-4代码来模拟发动机燃烧过程。 首先，OCC（欧米茄燃烧室）基准发动机的验证是在发动机转速分别为1200,2400和3600rpm时，在50％负载下进行的。 随后，对具有三种不同燃烧室形几何形状，即HCC，SCC和基线OCC，的生物柴油发动机的性能和排放特性在相同的条件下进行数值研究和比较。

ATDC 在上止点后 BTDC 在上止点前

CFD 计算流体动力学 CO 一氧化碳

DME 二甲醚 EOI 喷油结束

HCC 半球形燃烧室 HRR 放热率

IVC 进气门关闭 MD 甲基癸烯酸

MD9D 甲基-9-癸烯酸酯 NO 一氧化氮

NOx 氮氧化物 OCC omega;燃烧室

PM 颗粒物 SCC 浅层燃烧室

SOI 开始喷油 TCC 环形燃烧室

UHC 未燃烧的碳氢化合物

1. 实验设置

实验研究是在四缸四冲程共轨燃油喷射柴油发动机上用生物柴油燃料进行的。 生物柴油由主要成分为棕榈油的废食用油制成。 发动机技术参数已列入表格1。 发动机试验台和实验程序的详细描述可以在我们以前的实验研究中找到[8,22,23]. 表2显示实验条件。 燃料成分已列入表3.

表格一：

发动机规格。

表格二：

在50％负载下发动机转速为1200,2400和3600rpm的实验条件。

表格三：

燃料成分。

1. 计算工具
2. 生物柴油的详细化学反应机理
3. 使用与CHEMKIN II求解器耦合的KIVA-4代码进行数值模拟以进行详细的化学计算。 通过偶联KIVA-4和CHEMKIN II，初始物质浓度，压力和温度由KIVA-4提供给CHEM-KIN II。 随后，CHEMKIN II返回了计算的物种浓度变化以及释放到KIVA-4的热量。 在这项研究中，生物柴油燃料化学是由多组分化学反应机制呈现的，其中包括69个物种和204个反应[24]。 对于纯生物柴油模拟，假设生物柴油是由50％正庚烷，25％甲基癸烯酸酯（MD）和25％甲基-9-癸烯酸酯（MD9D）以摩尔计制成的燃料混合物。 另外，使用由作者团队开发的预测方法计算棕榈酸甲酯和油酸甲酯的物理性质[25]，并分别赋值给KIVA-4燃料库中的MD和MD9D。
4. 子模型

KIVA-4编码基于有限体积方案，解决质量，动量和能量的守恒方程。 该原始的KIVA-4子模型模拟燃料喷射，液滴相互作用和蒸发，点火，燃烧和污染物形成过程。 在这项研究中，为了更好地模拟燃料分解过程，原来的泰勒类比分离模型被Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor混合模型所取代，埃尔使用的湍流模型是RNG k-ε模型。

1. 网格生成
2. 网格独立测试

首先，对OCC燃烧室几何配置进行网格独立性测试。两套具有不同网格大小的网格，即中等网格和细网格如图1所示。 为了表现出网格的独立性，将两套网格在50％负载、2400rpm的发动机转速下进行模拟，并且将预测的气缸压力曲线进行比较，如lt;

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