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摘 要：为了研究正丁醇/柴油混合燃料对电控柴油机综合性能的影响，采取在低温燃烧模式下使用不同比例混合燃料的方法，建立4190型柴油机FIRE模型进行仿真研究，利用试验台架与仿真的结果对比，验证了模型的准确性。设置4组正丁醇掺混比（blending ratio of n-butanol，BROB）及4组废气再循环率（exhaust gas recirculation rate，rEGR）进行仿真分析。结果表明：BROB增大，滞燃期延长，放热率更高，燃烧性能得到改善;在高BROB（B30）和rEGR（12.5%）下，燃烧恶化，指示燃油消耗率明显增大;B00、B10在低rEGR（0～7.5%）时动力性和经济性较好。rEGR对于降低NO排放方面较正丁醇明显;正丁醇产生“低温富氧”的环境，能有效抑制碳烟（soot）的生成;在低rEGR（0～7.5%），soot生成增多;在高rEGR（10%～12.5%），soot生成减少。
关键词：正丁醇掺混比;EGR率;低温燃烧;仿真;性能分析
中图分类号：U664.121;TK421
文献标志码：A
传统柴油机的NO与PM排放存在“此消彼长（trade-off）”的问题。探索新型的替代燃料成为减少大气污染物排放、实现清洁高效燃烧的一条有效途径[1]。丁醇作为一种新型的生物燃料和替代燃料，具有生产成本低、含氧、与柴油调和互溶性好、雾化性能好以及对燃油系统改動少的优点。废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）、低温预混合燃烧模式（如HCCI、PCCI、RCCI等）是降低柴油机排放的低温燃烧技术[2]。正丁醇作为含氧燃料，能弥补低温燃烧模式下进气含氧量不足，达到同时有效降低柴油机NO和PM排放的目的。许多学者做了相关研究，张宗喜等[3]研究了柴油-甲醇-正丁醇混合燃料对柴油机排放的影响，得到了柴油机燃用醇类混合燃料可以同时降低NO和PM排放的结论。吉鹏等[4]建立FIRE燃烧模型，研究了生物柴油/正丁醇混合燃料的燃烧特性，随着正丁醇掺混比（blending ratio of n-butanol，BROB）增大，NO和soot排放均降低。MOSS等[5]详细研究了异丁醇柴油的掺混比对滞燃期的影响，并建立了详细化学反应动力学模型。HE等[6]研究表明，通过采用高EGR率（exhaust gas recirculation rate，rEGR）的方法，实现了NO和PM的较低排放。但这些方法没有将低温燃烧模式与混合燃料结合研究，两者结合可以实现柴油机较好的综合性能。本文将研究BROB分别为B00、B10、B20、B30（0、10%、20%、30%，BROB指正丁醇在混合燃料中的质量分数，见表1）时，采用4组不同EGR率（rEGR分别为0、7.5%、10%、12.5%）实现低温燃烧，研究在低温燃烧模式下不同质量比例的正丁醇柴油混合燃料对电控柴油机综合性能的影响，为实现柴油机清洁高效燃烧和节能减排提供一定的理论指导。
1 研究对象和仿真模型的建立
本文研究的4190型增压电控柴油机：缸数四缸、ω型燃烧室、总排量23.82 L、标定功率220 kW、标定转速1 000 r/min、缸径×行程190 mm×210 mm、标定扭矩2 100 N·m、压缩比14∶1。利用AVL-FIRE建立的仿真模型是从进气门关闭（594°CA）到排气门打开（841°CA）的缸内燃烧过程，不考虑发动机进气道和排气道内的气体扰动过程。依据原机尺寸建立双燃料燃烧室仿真模型，考虑到燃烧室的对称性、喷油器喷孔数为8和简化计算，选取1/8区域为计算网格[7]，如图1所示。
2 试验台架及模型验证
电控化改造后的试验台架如图2所示。电控柴油机的控制核心是ECU（electronic control unit），它根据传感器采集到的温度、压力、转速等信号，达到精确化、数字化控制喷油规律的目的，从而实现高质量的燃烧。采用Kistler-2893A型燃烧分析仪、日本Horiba公司MEXA-7100D型排气分析仪和AVL烟度分析仪对废气中CO、HC、soot、NO等体积分数进行测量;EGR阀可以控制进气中废气的量（主要是CO2），来设定rEGR。在标定转速1 000 r/min、标定工况下和rEGR为零时，分别选取纯柴油（B00）和BROB 为20%的混合燃料（B20）进行试验和仿真，试验值和仿真值曲线有偏差，总体比较接近，如图3所示，误差不超过5%，建立的模型较准确，可以用于仿真研究。
3 仿真计算分析
3.1 对燃烧性能的影响
从图4可以看出，在低rEGR（0、7.5%）下曲线变化趋势基本一致，在高rEGR（10%、12.5%）下不同BROB曲线变化趋势差别较明显。具体来看，各
曲线在同一低rEGR下，随着BROB增大，发火时刻延迟，最高压力值也略有降低，在上止点附近差别较明显。在同一高rEGR下，随着BROB增大，相较于原机发火延迟变得更明显，最高爆发压力略有增高。这主要因为随着rEGR增大，缸内惰性气体增多，热容量增大，稀释了可燃气体，缸内平均温度降低，导致滞燃期延长。同时，BROB增大，氧含量增多，可燃混合气汽化潜热增大，而十六烷值降低，延长了滞燃期，在预混合阶段可燃混合气混合更均匀，使得最高爆发压力增高[13]。从图4还可以看出，在高rEGR下，放热率曲线峰值更高，不同BROB下曲线峰值出现得更滞后。由于BROB增大，可燃混合气汽化潜热增大，从而延长滞燃期，使其混合更均匀，发火之后放热率也更高。rEGR增大，缸内惰性气体的稀释、热容效应越明显，明显延长滞燃期，推迟发火时刻。
3.2 对动力性和经济性的影响 从图5（a）可以看出，各曲线整体呈下降趋势，即在相同BROB下，随着rEGR增大，各平均指示压力相比B00降低，B20、B30降低幅度较大，在rEGR为10%、12.5%时，曲线出现波动。由于BROB增大，其十六烷值较小，混合气热值降低，滞燃期延长，使得发火逐渐偏离上止点，造成平均指示压力下降。rEGR增大，缸内平均温度会降低，燃烧效率下降，平均指示压力也随之降低。在图5（b）中指示功率呈下降趋势，B30、B20相比B00下降更明显。在低rEGR（0、7.5%），指示功率下降不明显，而在高rEGR（10%、12.5%）时下降较明显。这是因为BROB和rEGR增大，缸内混合气热值降低，燃烧效率也随之下降，指示功率与平均指示压力正相关，曲线变化趋势也与之类似。在图5（c）中指示燃油消耗率均增大。B00和B10曲线比较接近，B30相比B00增长较明显，在rEGR为7.5%时，指示燃油消耗率增长明显加快。前面已经分析，正丁醇的热值与十六烷值均比柴油要低，BROB增大，滞燃期延长，rEGR增大使得燃烧偏离上止点，燃烧变得不理想。而在高BROB和rEGR下，燃烧变得恶化， 指示燃油消耗率也明显增大。综上，B00、B10在rEGR为0～7.5%时，发动机具有较好的动力性和经济性。所以选择B10进行后文的排放特性分析。
3.3 对氮氧化物（NO）排放的影响
在图6中，rEGR为零时，BROB增大，NO生成最后呈升高趋势。rEGR提高，NO排放降低较明显。在高rEGR，BROB增加，NO生成反而略有降低。高温、富氧以及高温环境持续时间，是NO生成的重要因素[14]。BROB对NO排放的影响主要体现在：一是正丁醇汽化潜热较大，同时十六烷值较低，使得滞燃期延长，有利于燃气混合均匀，正丁醇中含有氧，会形成富氧的环境;在低rEGR时，缸内温度较高，高温富氧有利于NO的生成。二是正丁醇本身热值较低，燃烧放热较柴油少，汽化潜热较大且易于蒸发，会使缸内平均温度降低;在高rEGR时，缸内温度会变得更低，高温持续时间缩短，从而会抑制NO的生成。
在图6中，BROB对NO的生成影响不是很明显。rEGR对NO的生成影响较大，这是因为随着rEGR增大，缸内不参与燃烧的惰性气体增多，混合气热容量随之增大，缸内温度降低，NO生成降低。从图7中可以看出，NO生成主要集中在燃烧室的底部区域，rEGR对NO的减排效果明显，在高rEGR（12.5%）下，NO的排放被控制在很低的水平。
3.4 对碳烟（soot）排放的影响
缸内“高温、缺氧”的环境有利于碳烟（soot）的生成[15]。从图8可以看出，在一定的rEGR下，随着BROB增大，soot生成呈减少趋势。在低rEGR（0、7.5%）时，相同的BROB曲线，soot生成呈增大的趋势。而在高rEGR（10%、12.5%）时，相同BROB曲线，soot生成呈减少的趋势。正丁醇对soot生成的影响体现在：一是正丁醇的十六烷值较低且汽化潜热较高，会使滞燃期延长，有利于燃气混合均匀，同时它是含氧燃料，使得混合气氧浓度升高且分布均匀，从而减少soot的生成，掺混比越高这种效果越明显。二是正丁醇热值较低，蒸发性好，汽化潜热较高，燃烧放热较少，缸内温度会降低，从而抑制soot生成。所以正丁醇的加入会使缸内产生“低温富氧”的环境，soot生成会降低。
rEGR对soot生成的影响体现在：在低rEGR（0、7.5%）时，缸内温度较高，预混合燃烧阶段燃空当量比较高，燃气混合不是很均勻，缸内局部存在缺氧的情况，EGR的热容和稀释作用会使氧浓度降低，从而会增大soot的生成，如图9所示。而在高rEGR（10%、12.5%）时，EGR的热容和稀释作用更明显，缸内温度会降低，导致滞燃期延长，使得燃气混合较充分，如图10氧原子浓度场图，燃空当量比会降低，从而soot生成量减少。从图10温度场可以看出，随着rEGR的增大，燃烧室高温区温度明显降低，混合气中的氧浓度被稀释，这控制了NO生成的两个重要条件，从而也降低了NO的生成。
4 结论
1）正丁醇具有较高的汽化潜热，燃烧热值较低，柴油掺烧正丁醇会使滞燃期延长，预混合期燃气混合得更充分，有利于燃气在速燃期快速放热，使缸内放热率更高，有助于改善燃烧性能。EGR 的热容和稀释作用明显，会使燃烧性能恶化，缸内压力、放热率降低。
2） 正丁醇的十六烷值较小，缸内混合气热值降低，随着滞燃期延长，使得发火逐渐偏离上止点，平均指示压力下降。rEGR增大，缸内平均温度随之降低，燃烧效率会下降，指示功率降低。在高BROB和rEGR下，燃烧变得恶化，指示燃油消耗率也明显增大。B00、B10在rEGR为0～7.5%时，发动机具有较好的动力性和经济性。
3） 高温、富氧以及高温环境持续时间，影响着NO的生成。EGR会显著降低缸内温度，在降低NO排放方面作用较正丁醇明显，在高rEGR（12.5%）时，NO排放降低接近零，实际上是牺牲部分动力性、经济性换取排放性。高温、缺氧影响着soot的生成。正丁醇作为含氧燃料，使缸内产生“低温富氧”的环境，能有效抑制soot的生成。 在低rEGR（0～7.5%），预混合燃烧阶段燃空当量比较高，soot生成增多。在高rEGR（10%～12.5%），滞燃期延长作用明显，soot生成减少。
4）EGR是实现低温燃烧，减少NO排放的有效措施。正丁醇作为新兴的含氧替代燃料，能改善NO排放，解决采用EGR实现低温燃烧而soot排放升高的问题，能较好地抑制soot的生成，从而克服了传统燃料NO与PM排放“此消彼长（trade-off）”的问题，也有助于改善缸内燃烧性能，应用前景广阔。 参考文献：
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Abstract：
In order to study the effect of n-butanol/diesel blended fuel on the comprehensive performance of diesel engine， the FIRE model of 4190 diesel engine was established by using different proportion of blended fuel in low temperature combustion mode， and the accuracy of the model was verified by comparing the test bench with the simulation results.Four blending ratios of n-butanol（BROB）and four exhaust gas recirculation rates（rEGR） were set for simulation analysis.The results show that with the increase of BROB， the combustion delay period is prolonged， the heat release rate is higher， and the combustion performance is improved; At the high BROB（B30） and rEGR（12.5%）， the combustion deteriorates， the indicating fuel consumption rate increases significantly; The power and economy of B00 and B10 are better at low rEGR（0～7.5%）; rEGR reducing NO emission is more obvious than n-butanol; N-butanol produced "low temperature and rich oxygen" environment， which could effectively inhibit soot generation; At low rEGR（0～7.5%）， soot generation increased; At high rEGR（10%～12.5%）， soot generation decreased.
Key words：
blending ratio of n-butanol; EGR rate; low temperature combustion; simulation; performance analysis
关键词：正丁醇掺混比;EGR率;低温燃烧;仿真;性能分析
中图分类号：U664.121;TK421
文献标志码：A
传统柴油机的NO与PM排放存在“此消彼长（trade-off）”的问题。探索新型的替代燃料成为减少大气污染物排放、实现清洁高效燃烧的一条有效途径[1]。丁醇作为一种新型的生物燃料和替代燃料，具有生产成本低、含氧、与柴油调和互溶性好、雾化性能好以及对燃油系统改動少的优点。废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）、低温预混合燃烧模式（如HCCI、PCCI、RCCI等）是降低柴油机排放的低温燃烧技术[2]。正丁醇作为含氧燃料，能弥补低温燃烧模式下进气含氧量不足，达到同时有效降低柴油机NO和PM排放的目的。许多学者做了相关研究，张宗喜等[3]研究了柴油-甲醇-正丁醇混合燃料对柴油机排放的影响，得到了柴油机燃用醇类混合燃料可以同时降低NO和PM排放的结论。吉鹏等[4]建立FIRE燃烧模型，研究了生物柴油/正丁醇混合燃料的燃烧特性，随着正丁醇掺混比（blending ratio of n-butanol，BROB）增大，NO和soot排放均降低。MOSS等[5]详细研究了异丁醇柴油的掺混比对滞燃期的影响，并建立了详细化学反应动力学模型。HE等[6]研究表明，通过采用高EGR率（exhaust gas recirculation rate，rEGR）的方法，实现了NO和PM的较低排放。但这些方法没有将低温燃烧模式与混合燃料结合研究，两者结合可以实现柴油机较好的综合性能。本文将研究BROB分别为B00、B10、B20、B30（0、10%、20%、30%，BROB指正丁醇在混合燃料中的质量分数，见表1）时，采用4组不同EGR率（rEGR分别为0、7.5%、10%、12.5%）实现低温燃烧，研究在低温燃烧模式下不同质量比例的正丁醇柴油混合燃料对电控柴油机综合性能的影响，为实现柴油机清洁高效燃烧和节能减排提供一定的理论指导。
1 研究对象和仿真模型的建立
本文研究的4190型增压电控柴油机：缸数四缸、ω型燃烧室、总排量23.82 L、标定功率220 kW、标定转速1 000 r/min、缸径×行程190 mm×210 mm、标定扭矩2 100 N·m、压缩比14∶1。利用AVL-FIRE建立的仿真模型是从进气门关闭（594°CA）到排气门打开（841°CA）的缸内燃烧过程，不考虑发动机进气道和排气道内的气体扰动过程。依据原机尺寸建立双燃料燃烧室仿真模型，考虑到燃烧室的对称性、喷油器喷孔数为8和简化计算，选取1/8区域为计算网格[7]，如图1所示。
2 试验台架及模型验证
电控化改造后的试验台架如图2所示。电控柴油机的控制核心是ECU（electronic control unit），它根据传感器采集到的温度、压力、转速等信号，达到精确化、数字化控制喷油规律的目的，从而实现高质量的燃烧。采用Kistler-2893A型燃烧分析仪、日本Horiba公司MEXA-7100D型排气分析仪和AVL烟度分析仪对废气中CO、HC、soot、NO等体积分数进行测量;EGR阀可以控制进气中废气的量（主要是CO2），来设定rEGR。在标定转速1 000 r/min、标定工况下和rEGR为零时，分别选取纯柴油（B00）和BROB 为20%的混合燃料（B20）进行试验和仿真，试验值和仿真值曲线有偏差，总体比较接近，如图3所示，误差不超过5%，建立的模型较准确，可以用于仿真研究。
3 仿真计算分析
3.1 对燃烧性能的影响
从图4可以看出，在低rEGR（0、7.5%）下曲线变化趋势基本一致，在高rEGR（10%、12.5%）下不同BROB曲线变化趋势差别较明显。具体来看，各
曲线在同一低rEGR下，随着BROB增大，发火时刻延迟，最高压力值也略有降低，在上止点附近差别较明显。在同一高rEGR下，随着BROB增大，相较于原机发火延迟变得更明显，最高爆发压力略有增高。这主要因为随着rEGR增大，缸内惰性气体增多，热容量增大，稀释了可燃气体，缸内平均温度降低，导致滞燃期延长。同时，BROB增大，氧含量增多，可燃混合气汽化潜热增大，而十六烷值降低，延长了滞燃期，在预混合阶段可燃混合气混合更均匀，使得最高爆发压力增高[13]。从图4还可以看出，在高rEGR下，放热率曲线峰值更高，不同BROB下曲线峰值出现得更滞后。由于BROB增大，可燃混合气汽化潜热增大，从而延长滞燃期，使其混合更均匀，发火之后放热率也更高。rEGR增大，缸内惰性气体的稀释、热容效应越明显，明显延长滞燃期，推迟发火时刻。
3.2 对动力性和经济性的影响 从图5（a）可以看出，各曲线整体呈下降趋势，即在相同BROB下，随着rEGR增大，各平均指示压力相比B00降低，B20、B30降低幅度较大，在rEGR为10%、12.5%时，曲线出现波动。由于BROB增大，其十六烷值较小，混合气热值降低，滞燃期延长，使得发火逐渐偏离上止点，造成平均指示压力下降。rEGR增大，缸内平均温度会降低，燃烧效率下降，平均指示压力也随之降低。在图5（b）中指示功率呈下降趋势，B30、B20相比B00下降更明显。在低rEGR（0、7.5%），指示功率下降不明显，而在高rEGR（10%、12.5%）时下降较明显。这是因为BROB和rEGR增大，缸内混合气热值降低，燃烧效率也随之下降，指示功率与平均指示压力正相关，曲线变化趋势也与之类似。在图5（c）中指示燃油消耗率均增大。B00和B10曲线比较接近，B30相比B00增长较明显，在rEGR为7.5%时，指示燃油消耗率增长明显加快。前面已经分析，正丁醇的热值与十六烷值均比柴油要低，BROB增大，滞燃期延长，rEGR增大使得燃烧偏离上止点，燃烧变得不理想。而在高BROB和rEGR下，燃烧变得恶化， 指示燃油消耗率也明显增大。综上，B00、B10在rEGR为0～7.5%时，发动机具有较好的动力性和经济性。所以选择B10进行后文的排放特性分析。
3.3 对氮氧化物（NO）排放的影响
在图6中，rEGR为零时，BROB增大，NO生成最后呈升高趋势。rEGR提高，NO排放降低较明显。在高rEGR，BROB增加，NO生成反而略有降低。高温、富氧以及高温环境持续时间，是NO生成的重要因素[14]。BROB对NO排放的影响主要体现在：一是正丁醇汽化潜热较大，同时十六烷值较低，使得滞燃期延长，有利于燃气混合均匀，正丁醇中含有氧，会形成富氧的环境;在低rEGR时，缸内温度较高，高温富氧有利于NO的生成。二是正丁醇本身热值较低，燃烧放热较柴油少，汽化潜热较大且易于蒸发，会使缸内平均温度降低;在高rEGR时，缸内温度会变得更低，高温持续时间缩短，从而会抑制NO的生成。
在图6中，BROB对NO的生成影响不是很明显。rEGR对NO的生成影响较大，这是因为随着rEGR增大，缸内不参与燃烧的惰性气体增多，混合气热容量随之增大，缸内温度降低，NO生成降低。从图7中可以看出，NO生成主要集中在燃烧室的底部区域，rEGR对NO的减排效果明显，在高rEGR（12.5%）下，NO的排放被控制在很低的水平。
3.4 对碳烟（soot）排放的影响
缸内“高温、缺氧”的环境有利于碳烟（soot）的生成[15]。从图8可以看出，在一定的rEGR下，随着BROB增大，soot生成呈减少趋势。在低rEGR（0、7.5%）时，相同的BROB曲线，soot生成呈增大的趋势。而在高rEGR（10%、12.5%）时，相同BROB曲线，soot生成呈减少的趋势。正丁醇对soot生成的影响体现在：一是正丁醇的十六烷值较低且汽化潜热较高，会使滞燃期延长，有利于燃气混合均匀，同时它是含氧燃料，使得混合气氧浓度升高且分布均匀，从而减少soot的生成，掺混比越高这种效果越明显。二是正丁醇热值较低，蒸发性好，汽化潜热较高，燃烧放热较少，缸内温度会降低，从而抑制soot生成。所以正丁醇的加入会使缸内产生“低温富氧”的环境，soot生成会降低。
rEGR对soot生成的影响体现在：在低rEGR（0、7.5%）时，缸内温度较高，预混合燃烧阶段燃空当量比较高，燃气混合不是很均勻，缸内局部存在缺氧的情况，EGR的热容和稀释作用会使氧浓度降低，从而会增大soot的生成，如图9所示。而在高rEGR（10%、12.5%）时，EGR的热容和稀释作用更明显，缸内温度会降低，导致滞燃期延长，使得燃气混合较充分，如图10氧原子浓度场图，燃空当量比会降低，从而soot生成量减少。从图10温度场可以看出，随着rEGR的增大，燃烧室高温区温度明显降低，混合气中的氧浓度被稀释，这控制了NO生成的两个重要条件，从而也降低了NO的生成。
4 结论
1）正丁醇具有较高的汽化潜热，燃烧热值较低，柴油掺烧正丁醇会使滞燃期延长，预混合期燃气混合得更充分，有利于燃气在速燃期快速放热，使缸内放热率更高，有助于改善燃烧性能。EGR 的热容和稀释作用明显，会使燃烧性能恶化，缸内压力、放热率降低。
2） 正丁醇的十六烷值较小，缸内混合气热值降低，随着滞燃期延长，使得发火逐渐偏离上止点，平均指示压力下降。rEGR增大，缸内平均温度随之降低，燃烧效率会下降，指示功率降低。在高BROB和rEGR下，燃烧变得恶化，指示燃油消耗率也明显增大。B00、B10在rEGR为0～7.5%时，发动机具有较好的动力性和经济性。
3） 高温、富氧以及高温环境持续时间，影响着NO的生成。EGR会显著降低缸内温度，在降低NO排放方面作用较正丁醇明显，在高rEGR（12.5%）时，NO排放降低接近零，实际上是牺牲部分动力性、经济性换取排放性。高温、缺氧影响着soot的生成。正丁醇作为含氧燃料，使缸内产生“低温富氧”的环境，能有效抑制soot的生成。 在低rEGR（0～7.5%），预混合燃烧阶段燃空当量比较高，soot生成增多。在高rEGR（10%～12.5%），滞燃期延长作用明显，soot生成减少。
4）EGR是实现低温燃烧，减少NO排放的有效措施。正丁醇作为新兴的含氧替代燃料，能改善NO排放，解决采用EGR实现低温燃烧而soot排放升高的问题，能较好地抑制soot的生成，从而克服了传统燃料NO与PM排放“此消彼长（trade-off）”的问题，也有助于改善缸内燃烧性能，应用前景广阔。 参考文献：
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Abstract：
In order to study the effect of n-butanol/diesel blended fuel on the comprehensive performance of diesel engine， the FIRE model of 4190 diesel engine was established by using different proportion of blended fuel in low temperature combustion mode， and the accuracy of the model was verified by comparing the test bench with the simulation results.Four blending ratios of n-butanol（BROB）and four exhaust gas recirculation rates（rEGR） were set for simulation analysis.The results show that with the increase of BROB， the combustion delay period is prolonged， the heat release rate is higher， and the combustion performance is improved; At the high BROB（B30） and rEGR（12.5%）， the combustion deteriorates， the indicating fuel consumption rate increases significantly; The power and economy of B00 and B10 are better at low rEGR（0～7.5%）; rEGR reducing NO emission is more obvious than n-butanol; N-butanol produced "low temperature and rich oxygen" environment， which could effectively inhibit soot generation; At low rEGR（0～7.5%）， soot generation increased; At high rEGR（10%～12.5%）， soot generation decreased.
Key words：
blending ratio of n-butanol; EGR rate; low temperature combustion; simulation; performance analysis