基于Converge的F-T煤制油燃燒與排放特性數值模擬研究

強艷飛，吳雙群，張磊磊

(內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010000)

隨著我國汽車市場消費潛力的挖掘，汽車保有量持續增長。汽車數量的增長帶來一系列環境以及能源問題。在眾多新型清潔能源中，煤制油因具有提高內燃機性能、降低排放污染的特點，成為了一種非常有潛力的替代能源。按照我國能源結構的分布，在我國化石能源總儲存量中，占比達到94.6%的煤炭資源依然是我國一次能源消耗的主要燃料，并且短時間內無法改變[1]。根據“十四五規劃”，生產低硫、低烯烴、低芳烴的超清潔油品以及高密度、高熱值、超低凝點的特種油品已經成為提升石油自主多元供應能力、保障國家能源安全的產能和技術儲備的主要方式[2]。經過長期的發展，截止到2020年，我國的煤制油合計產能已超過923萬t，在技術上完全實現了自主創新。國內外對煤制柴油特性研究開始于二十世紀二三十年代，我國于二十世紀九十年代中期開始進入跨越式發展階段，由實驗室走向工業化生產。黃勇成等[3]在1臺單缸四沖程直噴式柴油機臺架上探究F-T煤制油對燃燒和排放的影響，發現燃用煤制油滯燃期較短，最高燃燒壓力和最大壓力升高率降低，排放物減少。王鐵等[4]在1臺渦輪增壓柴油機上燃燒F-T煤制油，并與0號柴油進行對比，發現柴油機燃燒F-T煤制油時燃燒更柔和，放熱速度更慢，壓力上升速度更慢，振動噪聲更小。Nabi等[5]的試驗結果表明：在不影響發動機性能的情況下，燃用F-T煤制油的CO,HC,NOx,PM排放量和煙度均低于燃用柴油。炭煙排放減少主要是由于F-T煤制油在生產過程中將硫成分分離出來，而芳香族化合物的含量又極低，所以炭煙產生影響較少。Samavati 等[6]使用便攜式排放測量儀(PEMS)對輕型車輛在不同車速下的CO,CO2,NOx,THC排放和燃油消耗進行了研究，分別燃用F-T煤制油、普通柴油以及普通柴油與F-T煤制油混合燃料進行測試，試驗結果表明：相較于燃用普通柴油，燃用F-T煤制油CO，NOx，CO2的減排比例為23%，30%和20%，燃用混合燃料的減排比例為5%,24%和20%，但燃用F-T煤制油和混合燃料的THC排放略高；燃用F-T煤制油和混合燃料的體積油耗相較于燃用普通柴油分別降低12%和17%。吉林大學孫萬臣等[7]通過研究發現：與燃用國V柴油相比，燃用F-T煤制油有效功率降低，燃燒時最高溫度、最大壓力均降低；十三工況排放試驗中,CO,HC和NOx的加權比排放量分別降低了51.42%，45.62%和14.35%；不同負荷工況下微粒總數量濃度、超細微粒和核態微粒的比例均有所下降。有鑒于此，本研究基于某款高壓共軌柴油機，結合三維CFD仿真模擬軟件Converge，在同一發動機相同的噴油規律下，通過設置不同模型參數，對煤制油和柴油的動力特性、燃燒特性與排放特性等進行對比分析，從而探究煤制油應用于發動機的動力性、燃燒性以及排放性。

1 研究對象

本研究運用Converge仿真軟件，基于直列、四沖程、水冷、直噴、增壓中冷高壓共軌柴油機，對燃用煤間接液化柴油(F-T)進行數值模擬計算，研究其動力性能、燃燒和排放特性。發動機主要技術參數見表1。

目前我國煤制油轉化途徑主要有以下兩種：第一種是煤直接液化技術(Diesel of Direct Coal Liquefaction)，第二種為煤間接液化技術(Fischer-Tropsch Diesel)。而F-T煤制油具有較高的十六烷值，燃燒比較柔和。所含重餾成分較少，蒸發速度較快，可以以任意比例與柴油融合。同時，F-T煤制油具有氮、硫、芳香烴含量較低，熱值較高，凝點、密度低的優點，因此F-T煤制油具有更高的揮發性和更高的燃料反應性及燃燒穩定性[8-9]。其主要的理化性質見表2。

表2 F-T煤制油的主要理化性質

續表

2 模型設置及驗證

2.1 模型構建

利用表1的發動機性能參數，構建CAD燃燒模型(見圖1)。根據噴油孔的對稱性選擇1/6模型，在保證計算精度的前提下節省計算時間。在此三維模型的表面生成1.4 mm的基礎正交化網格，在噴油嘴下方實現對速度、溫度的自適應網格加密。對噴油嘴、活塞施加不同等級的網格加密，以適應不同的梯度變化，提高模擬計算的精確性。

圖1 柴油機燃燒室模型

2.2 模型選擇及初始條件設置

Converge軟件具有豐富的噴霧模型、破碎模型、Kelvin-Helmholtz模型、Rayleigh-Taylor模型、LISA模型、TAB模型、霧滴碰撞和聚合模型、O’ Rourke模型等，包括了油滴在噴射過程中的飛濺、破碎、蒸發、沸騰等過程。詳細的化學燃燒模型無需指定經驗的火焰速度關系，采用簡化的化學反應機理和多區并行運算，在保證仿真精度的前提下，使詳細的化學反應計算速度顯著提升。本研究仿真模擬計算選擇的模型見表3。

表3 物理模型

主要試驗設備有柴油發動機、AVL電力測功機、轉角分辨率為0.1°的AVL燃燒分析儀以及分辨率為1×10-6的排放分析儀。試驗環境的大氣壓力為101.9 kPa，溫度為18 ℃，濕度為18%，燃油溫度為300 K，選擇節氣門開度為100%的全負荷工況。在仿真模型中，對活塞、缸內、缸壁等部件賦予瞬態壓力值和溫度值，其數值與試驗條件保持一致。邊界條件見表4。

表4 邊界及初始條件

2.3 模型驗證

將正十四烷烴機理與異辛烷機理通過Converge仿真軟件的機理耦合模塊進行相互耦合，最終生成81組組分、361個反應的F-T煤制油燃燒機理。為了驗證仿真模型以及機理的可行性，以耦合的F-T煤制油機理作為化學動力學燃燒模型機理文件，對F-T煤制油的工作過程進行仿真模擬。將不同轉速下全負荷工況有效功率的模擬計算結果與試驗臺架結果進行對比。當模擬值與試驗值之間的誤差值不超過5%，則認為所構建的模型對于燃料的工作性能具有較好的預測性。試驗與模擬功率對比見圖2。通過對比發現兩者之間誤差均在3%以內，認為構建的燃料骨架機理對于F-T煤制油物化性能有較好的預測性，此模型可用于本研究柴油機的模擬仿真分析。

圖2 有效功率對比

3 結果分析

密度和熱值主要由鏈烷烴決定，F-T煤制油主要由密度較小、熱值高的鏈烷烴組成，與普通柴油相比，密度與熱值的乘積與-10號柴油相差不大，所以使用兩種柴油時發動機無需作改動。在噴油提前角為-9°，噴油持續期為12°的條件下，對柴油、F-T煤制油缸內燃燒過程進行模擬分析。

3.1 動力性

由圖3可見，相比于普通柴油，燃燒F-T煤制油時發動機有效扭矩降低。這是因為F-T煤制油的密度低于柴油的密度，單位體積下F-T煤制油的質量小于柴油的質量，盡管柴油的低熱值略低于F-T煤制油，但柴油體積熱值更大，所以燃燒產生的熱量也更多。可通過調整噴油泵，增加循環供油量而在一定程度上增加發動機功率[10]。在1 400 r/min時，F-T煤制油有效扭矩為144 N·m，功率為21.1 kW,而同轉速下柴油扭矩為146.7 N·m，功率為21.5 kW，其功率下降1.8%。在2 200 r/min轉速下，F-T煤制油相比于柴油有效功率降低6.4%，當轉速升高至3 000 r/min時，F-T煤制油有效功率降低7.3%。因為F-T煤制油有較高的十六烷值，餾程溫度低，難以燃燒的重餾分子較少，所以燃燒擴散快、燃燒性能好。在進氣量較少的燃燒初始時刻，F-T煤制油完全燃燒優勢較為明顯，與普通柴油燃燒差異性較小。隨著轉速的升高，進氣量增多，普通柴油也可達到完全燃燒，由于單位體積下普通柴油的熱值高于F-T煤制油(見表2)，所以產生的能量以及有效功率、扭矩均高于F-T煤制油[11]。因此，在柴油機低轉速的工作情況下，F-T煤制油有效功率、扭矩降幅較小，隨著轉速的升高，普通柴油也可完全燃燒，F-T煤制油有效功率和扭矩降幅增大。

圖3 燃用不同燃料時有效扭矩對比

3.2 燃燒性

圖4示出發動機轉速為1 400 r/min、節氣門全開的工況下缸內壓力與點火放熱率的對比。由圖4可知，燃用F-T煤制油缸內壓力低于普通柴油,滯燃期較短，擴散燃燒階段放熱峰值較高。究其原因，F-T煤制油主要由直鏈烷烴組成，其滯燃期較短、著火性能較好，燃燒提前。同時較高的十六烷值會導致混合燃燒比例急劇下降。其次，較高的熱值、較短的噴油持續期促使速燃期增長、緩燃期縮短，導致擴散燃燒比例下降，缸內溫度降低，最終缸壓降低。而對于放熱率，由于F-T煤制油較高的十六烷值、較短的滯燃期導致其蒸發、擴散以及燃燒速率均較柴油大，因此其放熱時刻較早，預混階段噴油量較少促使預混放熱峰值較低[12-13]。在相同噴油量情況下，擴散燃燒階段參與燃燒的燃油較多，又因其較低的餾程溫度，燃油中較少的重餾成分均會促使蒸發、擴散的程度增大，同時單位質量放出的熱量高于柴油，因此F-T煤制油在擴散燃燒階段放熱峰值高于普通柴油。

圖4 燃用不同燃料時缸壓以及放熱率對比

由圖5、圖6可知，F-T煤制油的噴霧錐角以及噴霧貫穿距離與柴油差別較小，這是因為F-T煤制油雖然餾程溫度以及燃油的黏度均小于柴油，但是其相比于柴油較小的密度會促使液相貫穿距離變短，不會對燃燒性能有較大的影響。但是通過圖5與圖6對比可知，F-T煤制油的霧化性能以及油氣混合程度均優于柴油，其較低的餾程溫度加快了燃料蒸發霧化的速度，有利于氣相噴霧向前貫穿。而較低的黏度增大燃油噴霧出口的速度，縮短了燃油噴霧初次、二次的破碎時間。優良的蒸發性會使F-T煤制油噴霧過程在高溫高壓的工作環境下產生氣體環流，減少燃油噴霧液滴向前貫穿的阻力，使液滴貫穿速度衰減幅度降低，獲得較高的貫穿率[14]，使噴霧前鋒更加容易向前貫穿，從而獲得優良的霧化性能以及燃油混合特性。

圖5 不同燃料燃燒霧化性能對比

圖6 不同燃料的油氣混合分布對比

3.3 排放性

柴油機燃燒方式為擴散燃燒，與汽油機預混合的火焰傳播燃燒不同，因此排放有較大的區別。柴油機做功時，空氣被壓縮，在活塞上止點附近噴出高壓柴油進行擴散燃燒。當噴油嘴噴出柴油的瞬間，因燃料油滴附近沒有空氣無法進行燃燒，局部空燃比為0。隨著燃料液滴的霧化擴散，與空氣混合進行燃燒，較少的空氣、局部過量的燃料均會造成不完全燃燒，產生炭煙(Soot)。隨著燃料的完全燃燒，缸內溫度持續升高，噴霧外側相對較少的燃油造成氧氣過量，產生大量的NOx[15]。F-T煤制油相對于柴油不同的理化性質、燃燒過程均會導致在排放性能上產生差異。

3.3.1 炭煙

高溫缺氧的條件下，炭煙裂解為乙烯和聚乙烯，隨之聚合為直徑為20～30 nm的炭煙基元，通過疊加形成PM。隨著燃燒過程的進行，空燃比增大，氧氣濃度升高，可以將局部因缺氧生成的炭煙氧化。但溫度降低時，炭煙不再氧化，排放趨于穩定。隨著排氣門的打開，溫度短時間內迅速下降，氧化反應趨于停止，炭煙排放出燃燒室。

圖7示出發動機轉速為1 400 r/min，節氣門全開的工況下，不同燃料的不同維度排放對比。由圖可知，F-T煤制油炭煙排放遠遠低于柴油。在17°附近，柴油炭煙峰值排放量為0.42 mg，而F-T煤制油炭煙排放峰值為0.24 mg，降低了42%。隨著曲軸轉角的增大，炭煙濃度大幅度降低，生成區域開始向氣缸內移動。從理化特性以及燃燒特性分析，F-T煤制油中硫和芳香烴含量極低，餾程溫度較低以及難以燃燒的重餾成分相對較少，加之其較短的滯燃期、較好的著火性以及揮發性，可以獲得優良的與空氣的混合特性，保證在上止點快速燃燒，炭煙排放因而降低[16]。

圖7 燃用不同燃料時炭煙排放對比

3.3.2 氮氧化物(NOx)

發動機排放物中氮氧化物的主要成分是NO，其生成機理見表5。其生成可分為高溫NO、激發NO以及燃料NO三部分。預混合燃燒形成的高溫環境會產生小部分的NOx，大部分NOx來自于擴散燃燒過程[18]。在燃燒后期，持續的高溫環境會將氧氣分解，加快NOx的生成。

表5 NO生成機理

由圖8可知，在發動機轉速為1 400 r/min，節氣門全開的工況下，在30°附近，兩種燃料NOx排放量達到了峰值，柴油NOx排放峰值約為0.67 mg,F-T煤制油NOx排放峰值約為0.46 mg,比柴油減少了31%。隨著曲軸轉角的變化，NOx到達峰值之后基本保持不變，這是因為在 30°附近，燃燒溫度最高，生成的NOx最多。隨著燃燒的結束，溫度以較快的速度下降，反應時間縮短，生成的NOx較少，基本可以忽略不計。由圖可知，燃燒F-T煤制油的NOx排放量遠遠小于柴油。從F-T燃料自身理化特性分析，其自身芳香烴含量極少，因此不會生成環狀烴隔絕高溫，燃燒室在較短的時間內有較高的散熱率，促使缸溫偏低，破壞NOx生成的條件，從而降低NOx的生成量[18]。從F-T煤制油燃燒特性分析，其較高的十六烷值、較短的滯燃期促使預混階段放熱較少，擴散燃燒放熱較多，降低了缸內壓力升高率，較低的缸溫、缸壓抑制了NOx的生成。

圖8 不同燃料的NOx排放對比

4 結論

a) 在柴油機低轉速的工作情況下，燃燒初始時刻進氣量較少，F-T煤制柴油完全燃燒優勢較為明顯，所以F-T煤制油有效功率與柴油相比降低較少；隨著轉速的升高，進氣量增多，此時F-T煤制油有效功率與柴油相比降低較多；

b) 在燃燒性方面，F-T煤制油較高的十六烷值、較低的滯燃期促使燃燒提前，因預混階段參與燃燒的燃油較少，所以放熱峰值偏低；燃油蒸發、霧化以及擴散速度較快，燃燒性能優良，擴散燃燒放熱峰值較高，所以F-T煤制油燃燒霧化性優于柴油；

c) 在排放性方面，F-T煤制油相對于柴油炭煙、NOx排放均有所下降；在發動機轉速為1 400 r/min，節氣門全開的工況下,F-T煤制油炭煙排放峰值較柴油下降42%，NOx排放下降31%。