基于Converge的F-T煤制油燃烧与排放特性数值模拟研究

强艳飞，吴双群，张磊磊

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010000)

随着我国汽车市场消费潜力的挖掘，汽车保有量持续增长。汽车数量的增长带来一系列环境以及能源问题。在众多新型清洁能源中，煤制油因具有提高内燃机性能、降低排放污染的特点，成为了一种非常有潜力的替代能源。按照我国能源结构的分布，在我国化石能源总储存量中，占比达到94.6%的煤炭资源依然是我国一次能源消耗的主要燃料，并且短时间内无法改变[1]。根据“十四五规划”，生产低硫、低烯烃、低芳烃的超清洁油品以及高密度、高热值、超低凝点的特种油品已经成为提升石油自主多元供应能力、保障国家能源安全的产能和技术储备的主要方式[2]。经过长期的发展，截止到2020年，我国的煤制油合计产能已超过923万t，在技术上完全实现了自主创新。国内外对煤制柴油特性研究开始于二十世纪二三十年代，我国于二十世纪九十年代中期开始进入跨越式发展阶段，由实验室走向工业化生产。黄勇成等[3]在1台单缸四冲程直喷式柴油机台架上探究F-T煤制油对燃烧和排放的影响，发现燃用煤制油滞燃期较短，最高燃烧压力和最大压力升高率降低，排放物减少。王铁等[4]在1台涡轮增压柴油机上燃烧F-T煤制油，并与0号柴油进行对比，发现柴油机燃烧F-T煤制油时燃烧更柔和，放热速度更慢，压力上升速度更慢，振动噪声更小。Nabi等[5]的试验结果表明：在不影响发动机性能的情况下，燃用F-T煤制油的CO,HC,NOx,PM排放量和烟度均低于燃用柴油。炭烟排放减少主要是由于F-T煤制油在生产过程中将硫成分分离出来，而芳香族化合物的含量又极低，所以炭烟产生影响较少。Samavati 等[6]使用便携式排放测量仪(PEMS)对轻型车辆在不同车速下的CO,CO2,NOx,THC排放和燃油消耗进行了研究，分别燃用F-T煤制油、普通柴油以及普通柴油与F-T煤制油混合燃料进行测试，试验结果表明：相较于燃用普通柴油，燃用F-T煤制油CO，NOx，CO2的减排比例为23%，30%和20%，燃用混合燃料的减排比例为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体积油耗相较于燃用普通柴油分别降低12%和17%。吉林大学孙万臣等[7]通过研究发现：与燃用国V柴油相比，燃用F-T煤制油有效功率降低，燃烧时最高温度、最大压力均降低；十三工况排放试验中,CO,HC和NOx的加权比排放量分别降低了51.42%，45.62%和14.35%；不同负荷工况下微粒总数量浓度、超细微粒和核态微粒的比例均有所下降。有鉴于此，本研究基于某款高压共轨柴油机，结合三维CFD仿真模拟软件Converge，在同一发动机相同的喷油规律下，通过设置不同模型参数，对煤制油和柴油的动力特性、燃烧特性与排放特性等进行对比分析，从而探究煤制油应用于发动机的动力性、燃烧性以及排放性。

1 研究对象

本研究运用Converge仿真软件，基于直列、四冲程、水冷、直喷、增压中冷高压共轨柴油机，对燃用煤间接液化柴油(F-T)进行数值模拟计算，研究其动力性能、燃烧和排放特性。发动机主要技术参数见表1。

目前我国煤制油转化途径主要有以下两种：第一种是煤直接液化技术(Diesel of Direct Coal Liquefaction)，第二种为煤间接液化技术(Fischer-Tropsch Diesel)。而F-T煤制油具有较高的十六烷值，燃烧比较柔和。所含重馏成分较少，蒸发速度较快，可以以任意比例与柴油融合。同时，F-T煤制油具有氮、硫、芳香烃含量较低，热值较高，凝点、密度低的优点，因此F-T煤制油具有更高的挥发性和更高的燃料反应性及燃烧稳定性[8-9]。其主要的理化性质见表2。

表2 F-T煤制油的主要理化性质

续表

2 模型设置及验证

2.1 模型构建

利用表1的发动机性能参数，构建CAD燃烧模型(见图1)。根据喷油孔的对称性选择1/6模型，在保证计算精度的前提下节省计算时间。在此三维模型的表面生成1.4 mm的基础正交化网格，在喷油嘴下方实现对速度、温度的自适应网格加密。对喷油嘴、活塞施加不同等级的网格加密，以适应不同的梯度变化，提高模拟计算的精确性。

图1 柴油机燃烧室模型

2.2 模型选择及初始条件设置

Converge软件具有丰富的喷雾模型、破碎模型、Kelvin-Helmholtz模型、Rayleigh-Taylor模型、LISA模型、TAB模型、雾滴碰撞和聚合模型、O’ Rourke模型等，包括了油滴在喷射过程中的飞溅、破碎、蒸发、沸腾等过程。详细的化学燃烧模型无需指定经验的火焰速度关系，采用简化的化学反应机理和多区并行运算，在保证仿真精度的前提下，使详细的化学反应计算速度显著提升。本研究仿真模拟计算选择的模型见表3。

表3 物理模型

主要试验设备有柴油发动机、AVL电力测功机、转角分辨率为0.1°的AVL燃烧分析仪以及分辨率为1×10-6的排放分析仪。试验环境的大气压力为101.9 kPa，温度为18 ℃，湿度为18%，燃油温度为300 K，选择节气门开度为100%的全负荷工况。在仿真模型中，对活塞、缸内、缸壁等部件赋予瞬态压力值和温度值，其数值与试验条件保持一致。边界条件见表4。

表4 边界及初始条件

2.3 模型验证

将正十四烷烃机理与异辛烷机理通过Converge仿真软件的机理耦合模块进行相互耦合，最终生成81组组分、361个反应的F-T煤制油燃烧机理。为了验证仿真模型以及机理的可行性，以耦合的F-T煤制油机理作为化学动力学燃烧模型机理文件，对F-T煤制油的工作过程进行仿真模拟。将不同转速下全负荷工况有效功率的模拟计算结果与试验台架结果进行对比。当模拟值与试验值之间的误差值不超过5%，则认为所构建的模型对于燃料的工作性能具有较好的预测性。试验与模拟功率对比见图2。通过对比发现两者之间误差均在3%以内，认为构建的燃料骨架机理对于F-T煤制油物化性能有较好的预测性，此模型可用于本研究柴油机的模拟仿真分析。

图2 有效功率对比

3 结果分析

密度和热值主要由链烷烃决定，F-T煤制油主要由密度较小、热值高的链烷烃组成，与普通柴油相比，密度与热值的乘积与-10号柴油相差不大，所以使用两种柴油时发动机无需作改动。在喷油提前角为-9°，喷油持续期为12°的条件下，对柴油、F-T煤制油缸内燃烧过程进行模拟分析。

3.1 动力性

由图3可见，相比于普通柴油，燃烧F-T煤制油时发动机有效扭矩降低。这是因为F-T煤制油的密度低于柴油的密度，单位体积下F-T煤制油的质量小于柴油的质量，尽管柴油的低热值略低于F-T煤制油，但柴油体积热值更大，所以燃烧产生的热量也更多。可通过调整喷油泵，增加循环供油量而在一定程度上增加发动机功率[10]。在1 400 r/min时，F-T煤制油有效扭矩为144 N·m，功率为21.1 kW,而同转速下柴油扭矩为146.7 N·m，功率为21.5 kW，其功率下降1.8%。在2 200 r/min转速下，F-T煤制油相比于柴油有效功率降低6.4%，当转速升高至3 000 r/min时，F-T煤制油有效功率降低7.3%。因为F-T煤制油有较高的十六烷值，馏程温度低，难以燃烧的重馏分子较少，所以燃烧扩散快、燃烧性能好。在进气量较少的燃烧初始时刻，F-T煤制油完全燃烧优势较为明显，与普通柴油燃烧差异性较小。随着转速的升高，进气量增多，普通柴油也可达到完全燃烧，由于单位体积下普通柴油的热值高于F-T煤制油(见表2)，所以产生的能量以及有效功率、扭矩均高于F-T煤制油[11]。因此，在柴油机低转速的工作情况下，F-T煤制油有效功率、扭矩降幅较小，随着转速的升高，普通柴油也可完全燃烧，F-T煤制油有效功率和扭矩降幅增大。

图3 燃用不同燃料时有效扭矩对比

3.2 燃烧性

图4示出发动机转速为1 400 r/min、节气门全开的工况下缸内压力与点火放热率的对比。由图4可知，燃用F-T煤制油缸内压力低于普通柴油,滞燃期较短，扩散燃烧阶段放热峰值较高。究其原因，F-T煤制油主要由直链烷烃组成，其滞燃期较短、着火性能较好，燃烧提前。同时较高的十六烷值会导致混合燃烧比例急剧下降。其次，较高的热值、较短的喷油持续期促使速燃期增长、缓燃期缩短，导致扩散燃烧比例下降，缸内温度降低，最终缸压降低。而对于放热率，由于F-T煤制油较高的十六烷值、较短的滞燃期导致其蒸发、扩散以及燃烧速率均较柴油大，因此其放热时刻较早，预混阶段喷油量较少促使预混放热峰值较低[12-13]。在相同喷油量情况下，扩散燃烧阶段参与燃烧的燃油较多，又因其较低的馏程温度，燃油中较少的重馏成分均会促使蒸发、扩散的程度增大，同时单位质量放出的热量高于柴油，因此F-T煤制油在扩散燃烧阶段放热峰值高于普通柴油。

图4 燃用不同燃料时缸压以及放热率对比

由图5、图6可知，F-T煤制油的喷雾锥角以及喷雾贯穿距离与柴油差别较小，这是因为F-T煤制油虽然馏程温度以及燃油的黏度均小于柴油，但是其相比于柴油较小的密度会促使液相贯穿距离变短，不会对燃烧性能有较大的影响。但是通过图5与图6对比可知，F-T煤制油的雾化性能以及油气混合程度均优于柴油，其较低的馏程温度加快了燃料蒸发雾化的速度，有利于气相喷雾向前贯穿。而较低的黏度增大燃油喷雾出口的速度，缩短了燃油喷雾初次、二次的破碎时间。优良的蒸发性会使F-T煤制油喷雾过程在高温高压的工作环境下产生气体环流，减少燃油喷雾液滴向前贯穿的阻力，使液滴贯穿速度衰减幅度降低，获得较高的贯穿率[14]，使喷雾前锋更加容易向前贯穿，从而获得优良的雾化性能以及燃油混合特性。

图5 不同燃料燃烧雾化性能对比

图6 不同燃料的油气混合分布对比

3.3 排放性

柴油机燃烧方式为扩散燃烧，与汽油机预混合的火焰传播燃烧不同，因此排放有较大的区别。柴油机做功时，空气被压缩，在活塞上止点附近喷出高压柴油进行扩散燃烧。当喷油嘴喷出柴油的瞬间，因燃料油滴附近没有空气无法进行燃烧，局部空燃比为0。随着燃料液滴的雾化扩散，与空气混合进行燃烧，较少的空气、局部过量的燃料均会造成不完全燃烧，产生炭烟(Soot)。随着燃料的完全燃烧，缸内温度持续升高，喷雾外侧相对较少的燃油造成氧气过量，产生大量的NOx[15]。F-T煤制油相对于柴油不同的理化性质、燃烧过程均会导致在排放性能上产生差异。

3.3.1 炭烟

高温缺氧的条件下，炭烟裂解为乙烯和聚乙烯，随之聚合为直径为20～30 nm的炭烟基元，通过叠加形成PM。随着燃烧过程的进行，空燃比增大，氧气浓度升高，可以将局部因缺氧生成的炭烟氧化。但温度降低时，炭烟不再氧化，排放趋于稳定。随着排气门的打开，温度短时间内迅速下降，氧化反应趋于停止，炭烟排放出燃烧室。

图7示出发动机转速为1 400 r/min，节气门全开的工况下，不同燃料的不同维度排放对比。由图可知，F-T煤制油炭烟排放远远低于柴油。在17°附近，柴油炭烟峰值排放量为0.42 mg，而F-T煤制油炭烟排放峰值为0.24 mg，降低了42%。随着曲轴转角的增大，炭烟浓度大幅度降低，生成区域开始向气缸内移动。从理化特性以及燃烧特性分析，F-T煤制油中硫和芳香烃含量极低，馏程温度较低以及难以燃烧的重馏成分相对较少，加之其较短的滞燃期、较好的着火性以及挥发性，可以获得优良的与空气的混合特性，保证在上止点快速燃烧，炭烟排放因而降低[16]。

图7 燃用不同燃料时炭烟排放对比

3.3.2 氮氧化物(NOx)

发动机排放物中氮氧化物的主要成分是NO，其生成机理见表5。其生成可分为高温NO、激发NO以及燃料NO三部分。预混合燃烧形成的高温环境会产生小部分的NOx，大部分NOx来自于扩散燃烧过程[18]。在燃烧后期，持续的高温环境会将氧气分解，加快NOx的生成。

表5 NO生成机理

由图8可知，在发动机转速为1 400 r/min，节气门全开的工况下，在30°附近，两种燃料NOx排放量达到了峰值，柴油NOx排放峰值约为0.67 mg,F-T煤制油NOx排放峰值约为0.46 mg,比柴油减少了31%。随着曲轴转角的变化，NOx到达峰值之后基本保持不变，这是因为在 30°附近，燃烧温度最高，生成的NOx最多。随着燃烧的结束，温度以较快的速度下降，反应时间缩短，生成的NOx较少，基本可以忽略不计。由图可知，燃烧F-T煤制油的NOx排放量远远小于柴油。从F-T燃料自身理化特性分析，其自身芳香烃含量极少，因此不会生成环状烃隔绝高温，燃烧室在较短的时间内有较高的散热率，促使缸温偏低，破坏NOx生成的条件，从而降低NOx的生成量[18]。从F-T煤制油燃烧特性分析，其较高的十六烷值、较短的滞燃期促使预混阶段放热较少，扩散燃烧放热较多，降低了缸内压力升高率，较低的缸温、缸压抑制了NOx的生成。

图8 不同燃料的NOx排放对比

4 结论

a) 在柴油机低转速的工作情况下，燃烧初始时刻进气量较少，F-T煤制柴油完全燃烧优势较为明显，所以F-T煤制油有效功率与柴油相比降低较少；随着转速的升高，进气量增多，此时F-T煤制油有效功率与柴油相比降低较多；

b) 在燃烧性方面，F-T煤制油较高的十六烷值、较低的滞燃期促使燃烧提前，因预混阶段参与燃烧的燃油较少，所以放热峰值偏低；燃油蒸发、雾化以及扩散速度较快，燃烧性能优良，扩散燃烧放热峰值较高，所以F-T煤制油燃烧雾化性优于柴油；

c) 在排放性方面，F-T煤制油相对于柴油炭烟、NOx排放均有所下降；在发动机转速为1 400 r/min，节气门全开的工况下,F-T煤制油炭烟排放峰值较柴油下降42%，NOx排放下降31%。