0 引　言

随着世界经济飞速的发展，航空、船舶等运输工业发展迅猛，导致能源消耗日益增长，我国是世界最大的发展中国家同时也是世界最大的原油进口国，我国燃油的消耗与开发储备严重失衡^[1]。世界各国排放法规的要求越来越高，对柴油机的排放管控越来越严峻。因此发展可再生的新型燃料和提高燃烧技术十分重要^[2-3]。生物柴油原料来源广、燃烧和排放性能较好以及优越的可再生性和安全性等优势被世界各国所青睐，认为是优质的柴油代替品^[4]。生物柴油中十六烷烃值高，掺混生物柴油能降低缸内含碳量提高含氧量，CO排放量降低，SOOT排放也有显著的改善。但生物柴油富氧性促进NO_X生成^[5]。

掺水燃烧主要分为乳化油技术和进气道加湿技术2种^[6]。乳化油燃烧可以改善柴油机的排放性，提高燃烧效率，但是乳化油的配置分层会使柴油机零部件表面发生腐蚀，乳化油的粘度大容易影响供油系统的正常工作等限制了掺水乳化油技术的应用，而且乳化剂的价格昂贵，因此采用进气道加湿技术进行研究^[7-9]；进气道加湿技术是在空气进入进气道时喷出水雾或水蒸气，将其湿润的空气通入气缸内。水的物理变化过程会吸收热量，降低缸内温度，从而减少NO的生成^[10]，而且进气道加湿技术对柴油机结构影响较小。

喷油提前角是指曲轴上止点时刻与燃油开始喷入气缸时刻的差值，是调节柴油机平稳运行的重要参数^[11-12]。喷油时刻延迟，油气混合阶段的时间就被相应的减少，滞燃期缩短，燃烧远离上止点，动力性下降明显；若喷油提前角提前，油气混合时间增加，动力性明显提高的同时排放也随之增加^[13-15]。故可以调整喷油提前角来弥补掺烧生物柴油及进气道加湿技术带来的缸内燃烧压力下降的影响。

本文通过仿真研究柴油机掺烧生物柴油结合进气道加湿技术及喷油提前角优化对燃烧及排放性能的影响。

1 研究方案 1.1 研究对象

本文采用TBD234型V列、6缸、四冲程柴油机为原型机建立AVL-Fire的仿真模型，柴油机基本性能参数如表1所示。

1.2 仿真研究方案

运用AVL-fire软件对建成后的柴油机模型进行掺混生物柴油燃烧结合进气道加湿技术仿真。由于柴油机在低负荷和中、高负荷时，掺混生物柴油燃烧对柴油机影响程度有差异，因而选取柴油机在75%中高负荷工作时，生物柴油掺混比为40%通过设置0.5～2.5共5组不同水油比，研究柴油机掺混生物柴油燃烧耦合进气道加湿对燃烧及排放性能的影响。表2为掺混生物柴油燃烧耦合进气道加湿仿真方案。

1.3 参数定义

进气道加湿技术是在空气进入进气道时喷出水雾或水蒸气，将其湿润的空气通入气缸内参与燃烧。本文假设进气道内的水雾在进气过程中全部汽化，降低燃烧室内初始温度并造成一定程度的初始负压，由于水的雾化作用使得压力升高，因此保持初始压力设定值不变，进气组份的质量分数也发生变化，其中，H₂O，O₂、N₂质量百分数的计算过程如下式

$ {m_w} = {k_{wf}} \times {m_f} \text{，}$

(1)

$ {m_a} = 14.36 \times \alpha \times {m_f} \text{，}$

(2)

$ Q \times {m_w} = {C_{pa}} \times {m_a} \times \Delta {T_1} \text{，}$

(3)

$ \Delta {T_1} = {t_{a0}} - {t_{a1}} \text{，}$

(4)

$ {m_a} \cdot {C_{pa}} \cdot ({t_{a1}} - {t_i}) = {m_w} \cdot {C_{pw}} \cdot ({t_i} - {t_{w0}}) \text{。}$

(5)

式中：喷水量m_w为柴油机进气道每循环喷油量m_f×水油比k_wf，kg；α为柴油机过量空气系数，ΔT₁为进气温度与水恒温汽化吸热后进气温度的差值，表示水恒温汽化后空气的降温，K；t_w0为喷水温度，K；t_i经计算得到；Q为水的汽化吸热，kJ/kg；C_pa、C_pw分别为进气与水蒸气比热，kJ/kg·K。

1.4 仿真模型校核

应用AVL-fire仿真软件，依据柴油机相关参数搭建三维仿真模型。图1为柴油机推进特性在75%负荷工作时，缸内压力的曲线变化。由图可知，柴油机最高燃烧压力的整体趋势，其仿真值和实验值吻合良好。校核结果：TBD234V6型原常规增压柴油机的仿真模型建立较为正确，各项系数设置较为合理，为后续仿真分析提供准确性。

2 不同水油比对燃烧及排放性能的影响

与柴油相比，生物柴油运动粘度大以及十六烷值数远大于柴油且富含氧元素，掺混生物柴油降低燃烧室内含碳量提高含氧量，大幅改善CO和SOOT排放，但生物柴油富氧性促进了NO_X的产生。进气道加湿技术将其湿润的空气通入气缸内，水的物理变化过程会吸收热量，大量水汽蒸发造成燃烧室内缺氧，缸内温度逐渐下降，NO_X排放下降。

2.1 不同水油比对柴油机燃烧性能的影响

如图2(a)所示，在生物柴油掺混比为40%时，随着水油比增大缸内压力降低，生物柴油掺混比40%（B40）水油比为2.5时比生物柴油掺混比为40%（B40）水油比为0时所对应的缸压峰值低出3.3%。随着水油比增大缸内压力峰值小幅下降，着火始点延后，滞燃期延长。主要由于喷水雾化使进气道温度降低，随着低温气流的导入，较低的缸内温度抑制燃烧反应的进行、滞燃期延长、缸内压力下降。在生物柴油掺混比为40%时，随着水油比的增加，放热率峰值延后且呈上升的趋势；主要因为，水的汽化吸热和大比热容使缸内温度下降，滞燃期延长；少量水分子的微爆作用会改善燃油的雾化，水的雾化促进燃烧反应的发生，因此放热率峰值会随着水油比的增加略微升高，且峰值对应的曲轴转角延后。

如图2(b)所示，在生物柴油掺混比为40%时，随着水油比增大缸内温度下降，生物柴油掺混比40%（B40）水油比为2.5时比生物柴油掺混比为40%（B40）水油比为0时所对应的缸内温度峰值低出41.7K。随着水油比的增加，燃烧室温度逐渐下降，但峰值对应的曲轴转角位置基本不变，主要由于水的大比热容和汽化吸热使缸内温度降低，排气温度下降。

2.2 不同水油比对柴油机排放性能的影响

如图3(a)所示，在生物柴油掺混比为40%时，随着水油比增大CO生成及排放量呈上升趋势，生物柴油掺混比40%（B40）水油比为2.5时比生物柴油掺混比为40%（B40）水油比为0时所对应的CO排放量高出19.2%。随水油比的增加缸内温度逐渐降低，大量水汽蒸发造成燃烧室内缺氧，而缺氧条件又促进了水煤气反应的发生，大量的游离碳被消耗；同时水油比的增加使缸内温度降低，抑制燃烧反应的发生，CO排放量随之增加。

如图3(b)所示，在生物柴油掺混比为40%时，随着水油比增大SOOT生成及排放量呈上升趋势。生物柴油掺混比40%（B40）水油比为2.5时比生物柴油掺混比为0（B0）水油比为0时所对应的SOOT排放量高出150.8%，但与原机相比SOOT排放量仍低出81.9%。随水油比增加缸内温度逐渐降低，大量水汽蒸发造成燃烧室内缺氧，抑制燃烧反应的发生，氧气浓度减少，SOOT排放量随之增加。

如图3(c)所示，在生物柴油掺混比为40%时，随着水油比增大NO排放大幅下降；生物柴油掺混比40%（B40）水油比为2.5时比生物柴油掺混比为40（B40）水油比为0时所对应的NO排放量低出89.7%。主要由于，随着水油比的增加，大量水汽蒸发造成燃烧室内缺氧，缸内温度逐渐下降，滞燃期延长，抑制燃烧反应的发生，氧气浓度减少，使NO排放降低。

3 喷油提前角对柴油机燃烧机排放性能的影响

引入进气道加湿技术可以有效解决掺混生物柴油燃烧时带来NO排放量增加，生物柴油的富氧性对Soot及CO生成起到抑制作用，掺烧生物柴油耦合进气道加湿技术能实现绿色可再生能源的应用与降低NO排放量的目的，但一定程度上牺牲了动力性；通过对喷油提前角进行优化，来弥补掺烧生物柴油及引入进气道加湿技术带来的缸内燃烧压力和燃烧温度下降的影响。

在生物柴油掺混比40（B40）水油比为2.5基础上，原机喷油提前角为25°CA，增加23°CA，27°CA，29°CA，31°CA四个变量，研究喷油提前角对柴油机燃烧及排放性能的影响。

3.1 喷油提前角对柴油机燃烧性能的影响

如图4(a)所示，随着喷油提前角的增加，缸内压力峰值逐渐上升且峰值对应的曲轴转角提前，发动机着火时刻提前，喷油提前角每提前2°CA，缸内压力依次提升4.3%，4.0%，4.2%，4.4%。从图4(b)缸温变化曲线来看，缸内温度的峰值随着喷油提前角的增加而增加峰值对应的曲轴转角提前。主要原因为随着喷油时刻提前，燃油喷入燃烧室时刻提前，油气预混时间增加，燃烧更剧烈，放热率明显增加，缸内压力曲线也随之变陡峰值提前，缸内温度明显升高。喷油提前角增加有助于提升发动机的动力性，与之相反，NO 排放明显升高；因此需要综合考虑柴油机的性能和排放，选择合适的喷油提前角。

3.2 喷油提前角对柴油机排放性能的影响

如图5(a)所示，随着喷油提前角的增大，CO生成曲线整体下降但降幅微小。主要因为：增大喷油提前角，燃油与空气预混时间延长、燃烧反应迅速进行、缸内温度升高，缸内氧浓度降低，形成了高温缺氧环境，抑制了CO生成，从而使CO排放降低。从图5(b)来看，喷油提前角的增大，Soot 生成曲线整体变化不大。增大喷油提前角，燃油与空气预混时间延长，促进燃烧反应剧烈进行，同时缸内整体温度升高，放热率升高，高温持续时间增加，高温环境抑制Soot 进一步生成。

如图5(c)所示，随着喷油提前角的增大，NO质量分数大幅升高且生成时刻提前。主要因为：增大喷油提前角，燃油与空气预混时间延长、燃烧反应迅速进行、缸内温度升高放热率升高，为 NO 生成提供了高温环境，使NO排放增大，发动机着火角度提前，高温持续时间增加也进一步促进NO生成。

4 结　语

1）在生物柴油掺混比为40%时，随着水油比增大，大量水汽蒸发造成燃烧室内缺氧，水的物理变化过程吸收热量缸内温度逐渐下降，滞燃期延长，氧气浓度减少，NO排放量下降，Soot及CO的排放量增加，缸内压力下降但降幅较小。

2）进气加湿技术的加入大幅降低了NO排放，生物柴油的富氧性对Soot及CO生成起到抑制作用；掺混生物柴油燃烧结合进气道加湿技术能实现绿色可再生能源的应用与降低NO排放量的目的，但一定程度上牺牲了柴油机动力性。

3）优化结果表明，通过增大喷油提前角，有助于提高发动机动力性，降低Soot及CO排放，但会促进NO生成；生物柴油掺混比40（B40）水油比为2.5喷油提前角由25°CA改为31°CA时其动力性上升13.1%，NO排放低于原机，整体排放依旧更优。