0 引　言

为适应面对逐渐严格的船舶动力装置排放法规，船用柴油机节能、减排已成为热门研究方向^[1]。而生物柴油具有低热值、含氧量较高等特性，可以和柴油进行任意比例掺混而不需添加任何助溶剂，成为替代石化燃料的主要研究对象之一^[2]。Bhaskar 等^[3]在柴油中掺混生物柴油，研究其对发动机的性能影响。发现柴油中生物柴油的比例逐渐增大使得Soot排放质量分数显著下降，而NOx排放相较于柴油明显增加。废气再循环（EGR）可以实现柴油机低温燃烧，再通过结合生物柴油，可以达到改善低温燃烧的效果，有效避开NO_x和Soot排放高发区域^[4]。谷亚丽^[5]通过模拟和仿真调整EGR率，研究其对生物柴油燃烧与排放的影响，发现生物柴油较高的十六烷值和含氧量能够大大减少Soot排放，EGR率能够减少NO_x排放。本文通过掺混不同比例生物柴油结合不同EGR率对发动机燃烧和排放性能进行优化分析，在保证动力性能及防止燃烧恶化的基础上对排放进行优化，特别是减少NOx的排放。较高的十六烷值和含氧量能够大大减少Soot排放，EGR率能够减少NO_x排放。本文通过掺混不同比例生物柴油结合不同EGR率对发动机燃烧和排放性能进行优化分析，在保证动力性能及防止燃烧恶化的基础上对排放进行优化，特别是减少NO_x的排放。

1 模型建立、验证与试验方案 1.1 3D模型建立

本文选取的实验台架为4190中速柴油机，构建燃烧室的仿真软件为AVL-FIRE与CHEMKIN II软件，生物柴油的替代机理为正庚烷-脂肪酸甲酯-多环芳香烃。该反应机理包括475个化学反应和134个物种。4190型柴油机基本技术参数如表1所示。

本文通过AutoCAD软件按照1∶100比例根据实际测得参数画出活塞上止点燃烧室中心界面1/2的二维模型，如图1所示。将其导入相应模块替代模块软件中自带的燃烧室模型。4190型柴油机燃烧室形状为直口ω型，燃烧室及喷油器呈中心对称，为提高计算效率，根据喷油器数量将燃烧室平均划分为8个部分，系统根据燃烧室形状自动划分网格，仿真中为了保证压缩比不变，将会在活塞部分增加补偿容积，对应实际台架运行时进排气阀对余隙容积的影响。将平面网格图沿燃烧室对称中心顺时针旋转45°得到三维网格^[6]，如图2所示。

1.2 计算模型

本文研究内容涉及生物柴油掺混比、废气再循环（EGR）对双燃料发动机低温燃烧和排放特性以及缸内燃烧包括扩散和对流燃烧的影响，湍流流动模型选取k-ε双方程模型；混合燃料的液滴破碎模型选取KH-RT模型^{[7 − 8]}。液滴蒸发模型选择Multi-component模型；液滴相互碰撞模型选取O-Rourke模型；扩散模型选取Enable模型；液滴碰壁模型选Walljet1模型；NO_x排放物生成模型选取Zwldovich模型；Soot生成模型选取Frolov kinetic模型。双燃料化学反应机理参照文献[9 − 10]。采用缸内CO₂代替率来模拟EGR率，计算公式为：

$ \eta \left(EGR\right)=\frac{{\left({{\mathrm{CO}}}_{2}\right)}_{进气}}{{\left({{\mathrm{CO}}}_{2}\right)}_{排气}}\times 100\% \text{。}$

(1)

1.3 模型验证

在仿真模型中，生物柴油掺混比设置为0，与柴油机原机数据进行比较。结果显示：试验值与仿真值曲线基本一致，纯柴油原机试验值与仿真值误差在5%以内，模型基本正确，可用于仿真计算研究。仿真值与试验值对比如图3所示。

1.4 模拟方案

为了充分研究掺烧生物柴油后混合燃料的物化性质对燃料与空气混合燃烧的影响，需要了解柴油和生物柴油部分重要的物化性质。表2给出了生物柴油、柴油主要物化性质对比。

在额定转速不变条件下，具体研究方案如表3所示。可以看出，生物柴油体积掺混比变化范围为0～40%，EGR率变化范围为0～12.5%，其他参数保持不变。

2 生物柴油掺混比和EGR率对发动机燃烧性能的影响

图4为低EGR率范围下随着生物柴油掺混比增加而变化的缸内压力和放热率曲线。对比可知，生物柴油掺混比不变的条件下，随着EGR率的增加缸内压力明显降低，峰值延后，生物柴油掺混比0（B0）、EGR率0组合对应的缸压峰值比生物柴油掺混比为40（B40）、EGR率0组合升高6.5%以上。滞燃期延长造成峰值延后，EGR率增加降低了缸内空气的氧浓度，减少进入缸内新鲜气体的总质量，降低了实际空燃比，点火时刻后移，燃料燃烧质量随之下降，缸内压力峰值明显降低。

可以看出，如果EGR率不变，增加生物柴油掺混比将会使缸内压力逐渐降低，放热率曲线峰值整体后移，生物柴油十六烷值含量为56.1，远大于柴油，有利于点火发生，提高燃烧效率^[12]，相应滞燃期理应提前。而从实际图像可以看出，因为生物柴油的理化性质在运动粘度方面远大于柴油，所以燃油雾化较差，油气混合时间延长，导致滞燃期略微延长^[13]。生物柴油的低热值为38.5 MJ/kg占柴油的88.9%，随着生物柴油掺混比的增加每循环喷入燃料总热量逐渐降低，缸内最高压力也随之下降，值得注意的是，在EGR率7.5%，B20所对应缸压曲线与B0曲线比较接近，生物柴油分子中含氧量接近30%，可以有效弥补EGR率增加导致的氧浓度不足，有助于缸内燃料的充分燃烧。

从放热率曲线可以看出，在相同生物柴油掺混比下，随着EGR率的增加，放热率峰值明显升高，惰性气体的增加使得滞燃期延长，滞燃期内油气混合时间更加充足，使得速燃期内燃烧更加充分，提高了放热率^[14]；同一EGR率下，随着生物柴油掺混比的增加，放热率峰值也随之升高，主要原因为生物柴油粘度过大导致的滞燃期延长。

3 生物柴油掺混比和EGR率对发动机排放的影响 3.1 温度

发动机NO、Soot等排放与缸内温度有着紧密的联系，因此在研究发动机排放的同时，有必要对温度变化进行分析。图5为EGR率为0～12.5%条件下，双燃料发动机缸内燃烧平均温度曲线图。可以看出，随着EGR率的增加，B0、EGR率12.5%对应缸内平均温度峰值为1510 K，比B0、EGR率0对应缸内平均温度下降8%左右；在EGR率不变的条件下，随着生物柴油掺混比的增加，B40、EGR率0对应缸内平均温度峰值为1480 K，比B0、EGR率0对应缸内平均温度下降10%以上。

3.2 NO 排放

图6为生物柴油掺混比和EGR率对NO生成质量分数的影响曲线图。可以看出发动机NO_x排放中，NO含量占主要部分，因此对NO生成含量的分析可以表示整个NO_x生成情况^[15]。

同一生物柴油掺混比下，增加EGR率能显著降低NO质量分数。EGR率的提高，引入惰性气体增加，在燃料热值和氧浓度不变的条件下，燃烧效果变差，燃料无法充分燃烧，同时滞燃期的延长提高了放热率峰值，B0、EGR率为12.5%，平均温度低于1600 K，实现低温燃烧，缸内温度曲线在NO生成区域经过时间少，产生NO的时间短，因此生成的NO质量分数降低。

在EGR率不变的条件下，随着生物柴油掺混比的增加，NO生成质量分数明显上升，在低EGR率时，NO生成质量分数上升明显，B40、EGR0组合NO排放比原机升高47.14%，而EGR率为12.5%时，NO随着掺混比增加先升高后降低。对比温度曲线，理论上当EGR率不变时，增加生物柴油掺混比会降低缸内温度，从而降低NO质量分数的排放。但实际上，生成的NO质量分数却是先升后降，一方面，生物柴油十六烷值高于柴油，有助于缸内燃料的均匀燃烧，另一方面，随着生物柴油掺混比的增加，燃料含氧量增多，不仅使燃料燃烧充分也提供更多富氧环境，在低EGR率时生物柴油的含氧特性以及高温起主导作用，而在EGR率高于7.5%时，燃料热值及温度对NO生成占据主导作用，因此NO生成质量分数随着生物柴油掺混比的增加呈现出先上升后下降的趋势。可以发现，增加生物柴油掺混比，极大地促进了NO的生成，但通过EGR的引入能够有效地降低NO生成，在B40、EGR率为12.5%条件下，比B40、EGR率0对应NO生成质量分数降低66%，比原机NO生成质量分数降低47.7%。

3.3 Soot 排放

如图7所示，在生物柴油掺混比不变的条件下，随着EGR率的增加，特别是在7.5%的低EGR率范围，Soot生成质量分数明显降低，B0、EGR率7.5%组合对应的Soot生成峰值比 B0、EGR 率0组合降低34.7%。EGR率对Soot生成影响：增加EGR率会导致缸内引入更多惰性气体，虽然创造了缺氧环境，但同时明显降低了缸内燃烧温度。在较低的EGR率下，缸内温度起着决定性的作用^[16]。

EGR率不改变时，增加生物柴油的掺混比，最终生成的Soot质量分数会显著降低。与生物柴油掺混比为40%，EGR率为0时对比，最终生成的Soot质量分数降低了98.13%。生物柴油的混合比对双燃料发动机的Soot生成具有重要影响，增加生物柴油的比例可以极大地降低缸内燃烧温度，并且生物柴油本身携带的氧元素有效地缓解了EGR所造成的缺氧环境，从而大幅度减少了Soot的生成量。

4 结　语

1）在4190台架基础上利用CHEMKIN软件生成柴油-生物柴油-多环脂肪烃反应机理，结合AVL_FIRE软件建立双燃料CFD模型，极大提高了模型的准确性。

2）生物柴油掺混的增加，虽然能够明显降低Soot的生成和排放，但对NO排放有促进作用，B40、EGR0组合NO排放比B0、EGR0升高47.14%。

3）EGR率的增加能够明显降低NO排放，B40、EGR率为12.5%条件下，生成NO质量分数比B40、EGR率0降低66%，但同时氧浓度的降低造成滞燃期延长，急燃期中放热率峰值急剧升高，燃烧出现恶化，Soot排放明显升高，动力性明显下降。

4）生物柴油结合EGR能够实现低温燃烧，极大地降低NO排放，同时对Soot生成也有较好的抑制效果，B40、EGR率12.5%组合在保证动力性能及实现低温燃烧的同时，Soot排放质量分数均比原机有较大幅度降低，可以作为最终优化结果。但因掺烧生物柴油导致的粘度过大问题及运行参数调整和燃烧性能改善等仍有进一步研究价值。