車用生物燃料應(yīng)用性能仿真研究進(jìn)展

　　摘要：車用生物燃料是可再生替代能源之一，仿真研究是車用生物燃料應(yīng)用研究的主要方法，燃燒放熱規(guī)律及內(nèi)燃機(jī)條件下的燃燒排放生成過程是車用生物燃料應(yīng)用仿真研究的重要內(nèi)容，研究成果對生物燃料的提質(zhì)改性及推廣具有重要意義。基于當(dāng)前車用生物燃料應(yīng)用仿真研究成果，闡述了燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及內(nèi)燃機(jī)燃燒條件下計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真研究的發(fā)展，分析了生物燃料燃燒機(jī)理構(gòu)建與簡化的技術(shù)思路以及機(jī)理簡化成果，梳理了耦合化學(xué)反機(jī)理的CFD仿真模型在生物燃料的應(yīng)用進(jìn)展;進(jìn)一步指出基于生物燃料多組分特征的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的構(gòu)建及機(jī)理簡化是應(yīng)用仿真研究的重要基礎(chǔ)，內(nèi)燃機(jī)工作條件下燃料多組分特征對燃燒和排放性能的影響是深入開展仿真研究的重要方向。

　　關(guān)鍵詞：生物能;生物燃料;應(yīng)用性能;仿真研究;反應(yīng)機(jī)理

　　生物燃料是替代燃料的重要類型之一，其原料來源豐富且可再生，根據(jù)生物燃料的制備技術(shù)及原材料的差異，生物質(zhì)燃料主要包括生物油(bio-oil)、生物柴油(bio-diesel)、生物醇類等[1]。

　　基于運(yùn)行工況特征和排放法規(guī)，車用發(fā)動(dòng)機(jī)對燃油的理化性能有著較高的要求。原料和制備工藝的差異直接決定了燃油組分及特性的不同[2]，開展生物燃料的車用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用性能仿真研究，分析生物燃料組分對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放機(jī)理的影響，對推動(dòng)生物燃料的實(shí)用化進(jìn)程具有重要意義。生物燃料組分的多樣性決定了其燃燒過程是一種非常復(fù)雜的物理化學(xué)作用過程，宏觀的實(shí)驗(yàn)難以從微觀層面上分析燃油的應(yīng)用性能。開展燃燒過程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及虛擬燃燒環(huán)境下的燃燒過程仿真是生物燃料應(yīng)用性能研究的技術(shù)途徑和方法[3]，有助于深入研究燃油組分特征及燃燒環(huán)境條件對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能、排放性能的影響。

　　以車用為目的的生物燃料應(yīng)用性能仿真研究主要從2個(gè)方面進(jìn)行，一是對生物燃料燃燒過程中放熱規(guī)律、反應(yīng)速率、分子(基團(tuán))濃度變化規(guī)律等的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)這一模擬過程離不開生物燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)理;二是在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒環(huán)境下，以計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(CFD)為基礎(chǔ)，生物燃料的燃燒特性對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究。

　　1生物燃料的燃燒機(jī)理研究

　　1.1燃燒過程分析

　　燃燒是一種劇烈化學(xué)反應(yīng)，通過生物燃料的燃燒計(jì)算可描述內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒的基本過程，研究燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程、熱量的釋放和質(zhì)量轉(zhuǎn)移規(guī)律。仿真研究是分析影響燃燒過程的重要技術(shù)手段之一。燃燒輸送特性(熱量和物質(zhì)的流動(dòng)特性)影響熱量和物質(zhì)在燃燒室內(nèi)的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而影響燃燒室的溫度場分布或者溫度-質(zhì)量分布。生物燃料的燃燒化學(xué)特性影響了自燃特性、燃燒率和排放物的生成。綜合來看，開始燃燒的熱力學(xué)條件包括壓力、溫度和成分濃度，燃燒過程中的具體反應(yīng)路徑和中間產(chǎn)物影響了排放污染物的構(gòu)成，建立化學(xué)反應(yīng)路徑，描述在不同的反應(yīng)條件下，生物燃料與空氣混合后的氧化物特征，是當(dāng)前研究的重要內(nèi)容，比如通過化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及化學(xué)反應(yīng)速率的研究模擬燃燒過程。當(dāng)前對某些特定可燃成分有著比較成熟的燃燒機(jī)理、反應(yīng)速率及熱力學(xué)數(shù)據(jù)，比如H2O，CH4等。生物燃料化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理研究歷史較短，考慮到生物燃料的多樣性以及成分的復(fù)雜性，生物燃料燃燒過程描述所需的燃燒反應(yīng)機(jī)理正逐漸被開發(fā)，詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的精簡有較多困難[4]。

　　河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2019年第3期張永輝，等：車用生物燃料應(yīng)用性能仿真研究進(jìn)展 1.2生物燃料燃燒機(jī)理的開發(fā)

　　多種單一組分耦合生成多組分燃料的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，是當(dāng)前生物燃料燃燒機(jī)理開發(fā)的主要技術(shù)路線。美國能源部下屬的勞倫斯利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory)開發(fā)了癸酸甲酯(methyl decanoate，MD)、癸烯酸甲酯(methyl decenoate，MD9D，MD5D)、硬脂酸甲酯(methyl stearate)和油酸(oleate)等單一組分的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[5]，在燃燒研究領(lǐng)域，被廣泛作為飽和組分和不飽和組分的替代組分;CONAIRE等[6]對正庚烷機(jī)理作了較為深入的研究。這些典型組分的成熟機(jī)理為多組分機(jī)理的研究開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。HERBINET等[7]將癸酸甲酯、癸烯酸甲酯以及正庚烷烴的燃燒機(jī)理進(jìn)行融合，構(gòu)建了詳細(xì)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，在射流攪拌反應(yīng)器(JSR)燃燒條件下，將該組合機(jī)理的模擬燃燒結(jié)果與菜籽油甲酯的燃燒反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比對。

　　結(jié)果表明，不飽和組分含量較高的菜籽油甲酯的燃燒過程與組合機(jī)理的模擬結(jié)果基本一致。文獻(xiàn)\[5\]指出，MD，MD9D，MD5D等組分對大豆生物柴油具有良好的替代性。燃油組分的不飽和度是影響燃燒性能的重要因素之一，MD，MD9D，MD5D，C7H16的組合機(jī)理能較好地模擬飽和度差異導(dǎo)致的燃燒特性差異[8]，這一研究方法對組分特征復(fù)雜的各類生物燃料的燃燒反應(yīng)機(jī)理研究開發(fā)提供了重要的技術(shù)途徑。

　　1.3燃燒簡化機(jī)理的發(fā)展

　　生物柴油是生物燃料的典型代表，主要由飽和和非飽和的甲酯組成，典型代表組分是棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯和亞麻酸甲酯5個(gè)成分，目前還不具備詳實(shí)描述此類典型成分燃燒化學(xué)反應(yīng)過程的能力，在長碳鏈組分燃燒機(jī)理的構(gòu)建中一般是以短碳鏈組分作為替代。丁酸甲酯(methyl butanoate，MB)有著RC(=O)OCH3的化學(xué)結(jié)構(gòu)，相比生物柴油甲基酯類成分的碳鏈長度，MB的碳鏈較短，反應(yīng)中存在快速異構(gòu)化反應(yīng)，這是低溫燃燒化學(xué)中重要的反應(yīng)，控制著燃油的自動(dòng)著火時(shí)間。

　　基于這一燃燒特性，丁酸甲酯可作為生物柴油的替代組分之一。為了調(diào)節(jié)燃油的分子質(zhì)量和氧含量，BRAKORA等[9]設(shè)定生物柴油中的MB和正庚烷(n-heptane，C7H16)的物質(zhì)的量比為1∶2，基于一個(gè)修正的方法，GOLOVITCHEV等[10]以MB，C7H16和甲苯(toluene，C7H8O)3種組分構(gòu)建了包括88種基本物質(zhì)和363個(gè)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，再嵌入soot和NOx的形成機(jī)理[11]，仿真研究了菜籽油甲基酯在Volvo D12C發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用性能和排放性能。

　　基于MD，MD9D和MD5D的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，LUO等[12]開發(fā)了包括MD，MD9D和n-heptane生物柴油的簡化三元替代機(jī)理，機(jī)理包括115種物質(zhì)和460個(gè)基本反應(yīng)。對于原材料差異所制備的不同生物柴油，可通過改變飽和與不飽和成分的質(zhì)量組成比例，實(shí)現(xiàn)不同飽和度生物柴油燃燒反應(yīng)機(jī)理的替代。WANG等[13]研究了正丁醇與生物柴油的摻混燃料燃燒反應(yīng)，其中生物柴油的燃燒機(jī)理用癸酸甲酯(MD)的燃燒機(jī)理代替，構(gòu)建了正丁醇和生物柴油聯(lián)合的仿真機(jī)理，包括175種物質(zhì)和765個(gè)反應(yīng)。ISMAIL等[14]開發(fā)了包括MD和MD9D組分的BOS-V2機(jī)理，包括113個(gè)物質(zhì)和399個(gè)反應(yīng)。LI等[15]假定生物柴油是由正庚烷、癸酸甲酯(MD)和9-癸烯酸甲酯(MD9D)組成，物質(zhì)的量比為2∶1∶1，利用多成分化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，生成了包括69種物質(zhì)和204個(gè)反應(yīng)的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

　　3總結(jié)與展望

　　車用生物燃料原料范圍從傳統(tǒng)的油脂擴(kuò)大到生物質(zhì)材料，制備方法經(jīng)歷了酯化反應(yīng)、催化裂解等工藝變化，所制備的生物燃料組分也是復(fù)雜多變的，對生物燃料的應(yīng)用特性產(chǎn)生了重大影響。仿真作為技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用到生物燃料燃燒過程等相關(guān)研究方面。

　　生物燃料燃燒機(jī)理是燃燒仿真研究的重要基礎(chǔ)，綜述分析了癸酸甲酯、癸烯酸甲酯、硬脂酸甲酯和油酸等單一組分在生物燃料燃燒機(jī)理中的基礎(chǔ)地位，對多組分合成機(jī)理的開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。多組分機(jī)理耦合技術(shù)和機(jī)理簡化技術(shù)推動(dòng)了生物燃料應(yīng)用仿真的發(fā)展，也為內(nèi)燃機(jī)條件的燃燒仿真研究奠定了工程基礎(chǔ)。內(nèi)燃機(jī)條件下的CFD仿真研究成果表明基于改善生物燃料燃燒性能和排放性能的仿真研究成為可能，仿真研究作為生物燃料應(yīng)用研究的技術(shù)途徑是可行的。

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