乙醇柴油发动机性能优化的模拟分析

摘要

近年来，我国交通运输业快速发展，对石油的需求迅速增加。乙醇作为一种可再生资源，在发动机上使用柴油掺烧乙醇具有重要意义。本文在对现有ZS195型单缸直喷柴油机结构不做任何改变的前提下，首先通过试验确定使发动机获得较好性能的最佳乙醇柴油混合比例，其次采用STAR-CD软件进行了发动机燃用混合燃料时不同EGR率、压缩比、涡流比和循环方式的模拟研究，分析比较其燃烧状态和排放历程的宏、微观场，为优化乙醇柴油发动机性能提供理论指导。研究结果如下：
　　 (1)台架试验结果表明，在最大扭矩和标定工况转速下，发动机燃用E0、E10、E20、E30四种燃料时，随着乙醇掺混比例增加油耗率增加，小负荷时增加量较多，中高负荷时增加量较少，其中E20当量燃油消耗率低于其它三种燃料，热效率最高。排放测试结果表明，只有当乙醇的比例合适，才能明显减少NOx排放，以E20为最佳；在中高负荷运行工况范围内，混合燃料的SOOT排放均比纯柴油的SOOT排放有大幅降低，随着乙醇比例增加，SOOT逐级下降。
　　 (2)对发动机标定转速2000r/min和标定功率8.8kW运行工况下进行发动机燃用四种燃料的动力性、经济性及排放性能的模拟值与试验值比较，模拟和试验结果基本一致，验证了模拟平台的可行性。模拟结果表明，随着柴油掺烧乙醇量的增加，NO和SOOT的生成量均明显下降，但如果乙醇掺混比例过高（如E30），NO生成量反而接近纯柴油的NO排放水平。综合分析认为，可选择E20作为分析乙醇柴油发动机性能优化的适用燃料。
　　 (3)在标定工况下进行了发动机燃用E20混合燃料时不同EGR率、压缩比、涡流比和循环方式的性能影响模拟研究。结果表明，随着EGR率的变大，缸内压力下降，最高燃烧温度增加，NO和SOOT可同时减少，其中NO排放减少明显；随着压缩比的降低，缸内最高压力和最高燃烧温度明显降低，NO排放明显减少，但SOOT排放增加；随着涡流比的变大，缸内最高压力和最高燃烧温度依次变大，但NO排放和SOOT排放同时降低；对于进气门晚关的米勒循环，随着进气行程的缩短缸内压力和燃烧温度均降低，当进气行程合适(如IR=-O.85)，NO和SOOT排放同时减少，其中NO排放减少更为明显，当进气行程过小时，SOOT的生成没有进一步改善；进气门早关的米勒循环与进气门晚关的米勒循环相比，由于进气门早关多一个膨胀冷却的过程，这使得在相同的进气行程下（如-0.85和+0.85），采用进气门早关的米勒循环的缸内最高压力和最高燃烧温度更低，NO和SOOT排放也略低。几种措施的同一曲轴转角下温度和浓度场的微观分析表明，发动机燃用纯柴油时NO的生成与温度场分布密切相关，但掺烧乙醇后，NO生成区域与燃油浓度场区域的相关性更为明显；而发动机燃用纯柴油与乙醇柴油混合燃料对SOOT生成区域影响一致，都与燃油浓度场分布区域紧密相关。
　　 (4)在发动机性能影响模拟研究的基础上进行了优化模拟研究。结果表明，发动机同时采用进气门晚关（IR=-0.85）的米勒循环、初始涡流比为2.2和较小的EGR（EGR率为5％）的措施时，在基本保持原有发动机动力水平的基础上，排气温度略有下降，NO和SOOT排放有不同程度的降低，生成量相对于E20分别减少了3.7％和15.5％。