噴油策略及EGR對生物柴油發動機污染物排放的仿真研究

王文慧 宮濤 嚴才秀 羅美琴 吳沉

摘要：選取4100QBZL柴油機，燃燒B20生物柴油混合燃料，以預主噴間隔、預噴持續期、EGR質量分數為研究對象，采用AVL-FIRE軟件進行仿真模擬，用正交試驗找出最佳優化組合。結果表明：三個因素對NOX和Soot排放的影響主次順序為：EGR質量分數、預噴持續期、預主噴間隔;將三個因素進行優化組合并改進可以達到同時降低NOX和Soot的目的。

Abstract： Aiming at 4100 QBZL automotive diesel engine， B20 as fuel， the pre-main injection interval angle， Pre-injection duration angle， and EGR mass fraction as research subjects， and through AVL-FIRE and orthogonal experiment method proceeding simulation calculation. the result shows that the Primary and secondary order of three factors on diesel is： EGR mass fraction， Pre-injection duration angle，pre-main injection interval angle. Finally the optimal combination of all the parameters is found in this article which could reduce emissions.

關鍵詞：生物柴油;正交試驗;多次噴射; EGR質量分數

Key words： biodiesel;orthogonal test method;multiple injection;EGR mass fraction

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0017-03

0? 引言

生物柴油是可再生資源，并可與柴油任意比例調和，在柴油機上直接使用。本文采用由地溝油提煉而成的生物柴油以20%比例和柴油混合（B20）[1]，本文使用正交試驗法確定多次噴射的參數搭配及試驗次數，AVL-FIRE軟件進行仿真模擬計算，從而得到參數的優化選擇，并使NOX和Soot[2][3]的排放量同時降低。

1? 發動機模型的建立

本文選取4100BZL型柴油機來建立試驗模型，其基本參數及邊界條件見表1。

缸內氣體流動模擬根據質量守恒、動量守恒和能量守恒定律來求解平均運輸方程。為使方程組封閉，必須建立模型。研究中采用標準方程，湍流模型采用K-zeta-f，湍流擴散模型采用Enable，蒸發模型采用Mult-component，破碎模型選用Wave，燃燒模型采用ECFM3Z，NOX模型選用Extend Zeldovich，Soot模型選用Frolov Kinetic[4]-[5]。

2? 模型優化參數的選取

本文選取預主噴間隔（A）、預噴持續期（B）、EGR質量分數（C）作為多次噴射試驗的研究對象。將A、B、C的四個水平隨機排列，得表2。在仿真試驗中，固定參數有預噴量為10%，主噴起始點為710℃A，主噴完結點為733℃A。

根據因素和水平數，選擇L64（421）來設計試驗方案[6]。表3為正交試驗方案的表頭設計，其中A×B、B×A和AB，A×C、C×A和AC，B×C、C×B和BC分別表示A與B、A與C、B與C之間的交互作用。

運用Fire軟件對正交試驗方案的64組試驗逐個進行仿真模擬計算。表4為計算結果。

3? 單指標分析

3.1 NOX排放性分析

將表4中的NOX排放量進行方差分析，得到NOX方差分析表5。從表5看出，因素A、B、C及B×C對NOX排放量的影響特別顯著，A×B影響顯著。由于B×C的均方值比B和C的均方值都小[6]，故各因素對NOX排放量的影響的主次順序為：C>B>A>B×C >A×B。

圖1為各因素水平數所對應的NOX排放量。從圖1中看出，若只考慮單因素，則選取水平值為A3、B2、C4的時候NOX的排放量最少，此時優化方案為A3B2C4，為第40組方案，其排放量為0.736×10-5。通過B×C二元表，可得當B1×C4的時候，NOX的排放量最少。此時優化方案為A3B1C4，為第36組方案，排放量0.7131×10-5。此時NOX排放量是所有仿真數據中最低。

A×B影響對NOX排放量影響最低，故不考慮A×B對NOX排放量的影響。

通過以上分析，可知在因素B的實際取值過程中，要考慮B×C的交互作用。不能直接忽略。

3.2 Soot的排放分析

將表5中的Soot排放量進行方差分析，得到Soot排放方差分析表6。可得因素A、B、C和A×B是影響Soot排放性的高度顯著因素，其他皆為非顯著因素。由于A×B的均方值比A和B的均方值都小，各因素對Soot排放量的影響的主次順序為：B>A>C>A×B。

圖2為各因素水平數所對應的Soot排放量。可看出，當選擇A3、B1和C4時Soot排放量最低，優化方案是A3B1C4，為第36組方案，排放量4.4001×10-4。為所有仿真數據中最低。

4? 優化方案的選取和驗證

4.1 優化方案選取

本文模擬工況為負荷率50%、轉速為2200rpm。相對于滿負荷而言，本文工況過量空氣系數較大，B20在燃燒過程中，NOX比Soot容易生成，且兩者的加權比約為3：1[7]。使用綜合評分法，分別設置NOX和Soot的權重為0.75、 0.25。對所得新數值進行方差分析，得到三個因素對生物柴油機NOX和Soot排放量影響的主次順序為：C>B>A，優化方案為A3B1C4，與之前取得NOX和Soot排放量最低值時的最優方案相同，都是仿真模擬第36組試驗。即預主噴間隔取6°CA，預噴持續期取8°CA，EGR質量分數為0.4。

4.2 優化方案驗證

將上述分析得到的優化方案A3B1C4，與燃燒B20單次噴射且EGR質量份數為0情況下所得到性能指標相比，得到表7。可知NOX排放量下降82.12%，Soot卻上升8.52%，NOX減排效果顯著，但是Soot沒有達到減排目標。

通過以上分析可知，EGR質量分數時對NOX和Soot排放量影響最顯著的因素，而且從水平圖中可看出，隨著EGR質量分數的增大，Soot的排放量在降低，故在使其他因素都不變的情況下，將EGR質量分數增加到0.5，在進行一次仿真模擬。即預主噴間隔取6°CA，預噴持續期取8°CA，EGR質量分數為0.5。其實驗結果為NOX排放量為0.29087×10-5，Soot排放量為4.0242×10-4，均小于無優化方案中NOX和Soot排放量。

5? 結論

①針對4100QBZL柴油機，EGR質量分數對NOX和Soot排放量影響最顯著;預噴持續期次之;預主噴間隔最次。都是特別顯著因素。

②運用方差分析法及實際驗證可知，B與C的交互作用對NOX排放量的影響具有特別顯著作用，在實際應用中需要重點考慮;各因素之間的交互作用對Soot排放量的影響不如單因素影響顯著，可以不用考慮。

③選定的預主噴多參數優化方案為A3B1C4，但此方案并沒有同時降低NOX和Soot的排放量，所以對方案進行改進：A和B兩因素仍然取A3和B1兩個水平，但C因素取為0.5。如此，即可達到同時降低NOX和Soot的排放量的目的。

④本論文尚有不足之處，如過高的EGR質量分數有可能對生物柴油機動力性產生影響;實驗限制沒有對更多的因素進行仿真模擬等。

參考文獻：

[1]杜家益.EGR對生物柴油顆粒物微觀結構及官能團的影響[J].內燃機學報，2020，38（02）.

[2]Hu Wang， Experimental Study of the Influence of Multi-injection Coupled with EGR on Diesel Perforimance and Emssion. Transaction of CSICE， vol 28，pp.26-32，2008（In Chinese）.

[3]Diesel Engine Soot and NOX Emissions [J].SAE Paper， 9406Nehmer D A， Reitz R D. Measurement of the Effect of Injection Rate and Split Injection o68.

[4]AVL-FIRE.FIRE 2009 Basic Training Beijing and Wuhan[DB/OL].（2011-12-18）[2012-04-12]. http：//www.doc88.com/p-41499265613.html.

[5]Yuanjing Jiao， Multi-dimensional Simulation and Analysis of Combustion Process in DI Diesel. in DI Diesel. Tianjin，Tianjin University，2009（In Chinese）.

[6]何為.優化試驗設計方法及數據分析[M].北京：化學工業出版社，2016.

[7]張琦.生物柴油添加比例對輕型柴油機性能及排放影響的研究[D].吉林在學，2009.