車用生物燃料應用性能仿真研究進展

　　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用研究的主要方法，燃燒放熱規律及內燃機條件下的燃燒排放生成過程是車用生物燃料應用仿真研究的重要內容，研究成果對生物燃料的提質改性及推廣具有重要意義�；�于當前車用生物燃料應用仿真研究成果，闡述了燃燒化學反應機理以及內燃機燃燒條件下計算流體動力學仿真研究的發展，分析了生物燃料燃燒機理構建與簡化的技術思路以及機理簡化成果，梳理了耦合化學反機理的CFD仿真模型在生物燃料的應用進展;進一步指出基于生物燃料多組分特征的燃燒化學反應機理的構建及機理簡化是應用仿真研究的重要基礎，內燃機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。

　　關鍵詞：生物能;生物燃料;應用性能;仿真研究;反應機理

　　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，根據生物燃料的制備技術及原材料的差異，生物質燃料主要包括生物油(bio-oil)、生物柴油(bio-diesel)、生物醇類等[1]。

　　基于運行工況特征和排放法規，車用發動機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動機應用性能仿真研究，分析生物燃料組分對發動機燃燒及排放機理的影響，對推動生物燃料的實用化進程具有重要意義。生物燃料組分的多樣性決定了其燃燒過程是一種非常復雜的物理化學作用過程，宏觀的實驗難以從微觀層面上分析燃油的應用性能。開展燃燒過程的化學動力學計算以及虛擬燃燒環境下的燃燒過程仿真是生物燃料應用性能研究的技術途徑和方法[3]，有助于深入研究燃油組分特征及燃燒環境條件對發動機動力性能、排放性能的影響。

　　以車用為目的的生物燃料應用性能仿真研究主要從2個方面進行，一是對生物燃料燃燒過程中放熱規律、反應速率、分子(基團)濃度變化規律等的計算，實現這一模擬過程離不開生物燃料化學動力學的計算機理;二是在發動機燃燒環境下，以計算機流體動力學(CFD)為基礎，生物燃料的燃燒特性對發動機性能的影響研究。

　　1生物燃料的燃燒機理研究

　　1.1燃燒過程分析

　　燃燒是一種劇烈化學反應，通過生物燃料的燃燒計算可描述內燃機燃燒室內燃燒的基本過程，研究燃燒的化學反應過程、熱量的釋放和質量轉移規律。仿真研究是分析影響燃燒過程的重要技術手段之一。燃燒輸送特性(熱量和物質的流動特性)影響熱量和物質在燃燒室內的轉移，進而影響燃燒室的溫度場分布或者溫度-質量分布。生物燃料的燃燒化學特性影響了自燃特性、燃燒率和排放物的生成。綜合來看，開始燃燒的熱力學條件包括壓力、溫度和成分濃度，燃燒過程中的具體反應路徑和中間產物影響了排放污染物的構成，建立化學反應路徑，描述在不同的反應條件下，生物燃料與空氣混合后的氧化物特征，是當前研究的重要內容，比如通過化學反應機理及化學反應速率的研究模擬燃燒過程。當前對某些特定可燃成分有著比較成熟的燃燒機理、反應速率及熱力學數據，比如H2O，CH4等。生物燃料化學反應的機理研究歷史較短，考慮到生物燃料的多樣性以及成分的復雜性，生物燃料燃燒過程描述所需的燃燒反應機理正逐漸被開發，詳細化學反應機理的精簡有較多困難[4]。

　　河北科技大學學報2019年第3期張永輝，等：車用生物燃料應用性能仿真研究進展 1.2生物燃料燃燒機理的開發

　　多種單一組分耦合生成多組分燃料的化學動力學機理，是當前生物燃料燃燒機理開發的主要技術路線。美國能源部下屬的勞倫斯利福摩爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)開發了癸酸甲酯(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反應機理[5]，在燃燒研究領域，被廣泛作為飽和組分和不飽和組分的替代組分;CONAIRE等[6]對正庚烷機理作了較為深入的研究。這些典型組分的成熟機理為多組分機理的研究開發奠定了重要基礎。HERBINET等[7]將癸酸甲酯、癸烯酸甲酯以及正庚烷烴的燃燒機理進行融合，構建了詳細的化學動力學機理，在射流攪拌反應器(JSR)燃燒條件下，將該組合機理的模擬燃燒結果與菜籽油甲酯的燃燒反應結果進行比對。

　　結果表明，不飽和組分含量較高的菜籽油甲酯的燃燒過程與組合機理的模擬結果基本一致。文獻\[5\]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的組合機理能較好地模擬飽和度差異導致的燃燒特性差異[8]，這一研究方法對組分特征復雜的各類生物燃料的燃燒反應機理研究開發提供了重要的技術途徑。

　　1.3燃燒簡化機理的發展

　　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個成分，目前還不具備詳實描述此類典型成分燃燒化學反應過程的能力，在長碳鏈組分燃燒機理的構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的化學結構，相比生物柴油甲基酯類成分的碳鏈長度，MB的碳鏈較短，反應中存在快速異構化反應，這是低溫燃燒化學中重要的反應，控制著燃油的自動著火時間。

　　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。為了調節燃油的分子質量和氧含量，BRAKORA等[9]設定生物柴油中的MB和正庚烷(n-heptane，C7H16)的物質的量比為1∶2，基于一個修正的方法，GOLOVITCHEV等[10]以MB，C7H16和甲苯(toluene，C7H8O)3種組分構建了包括88種基本物質和363個反應的化學反應機理，再嵌入soot和NOx的形成機理[11]，仿真研究了菜籽油甲基酯在Volvo D12C發動機上的應用性能和排放性能。

　　基于MD，MD9D和MD5D的化學反應機理，LUO等[12]開發了包括MD，MD9D和n-heptane生物柴油的簡化三元替代機理，機理包括115種物質和460個基本反應。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量組成比例，實現不同飽和度生物柴油燃燒反應機理的替代。WANG等[13]研究了正丁醇與生物柴油的摻混燃料燃燒反應，其中生物柴油的燃燒機理用癸酸甲酯(MD)的燃燒機理代替，構建了正丁醇和生物柴油聯合的仿真機理，包括175種物質和765個反應。ISMAIL等[14]開發了包括MD和MD9D組分的BOS-V2機理，包括113個物質和399個反應。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，物質的量比為2∶1∶1，利用多成分化學反應動力學機理，生成了包括69種物質和204個反應的燃燒化學反應機理。

　　3總結與展望

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

　　生物燃料燃燒機理是燃燒仿真研究的重要基礎，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理中的基礎地位，對多組分合成機理的開發奠定了重要基礎。多組分機理耦合技術和機理簡化技術推動了生物燃料應用仿真的發展，也為內燃機條件的燃燒仿真研究奠定了工程基礎。內燃機條件下的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用研究的技術途徑是可行的。

　　參考文獻/References：

　　[1]劉雪艷，蘇忠亮.微藻生物燃料的研究進展[J].化學與生物工程， 2017，34(3)：11-14.

　　LIU Xueyan， SU Zhongliang. Research progress on microalgae biofuel[J]. Chemistry and Bioengineering， 2017，34(3)：11-14.

　　[2]張永輝，閔永軍，徐俊明.車用典型生物燃料的組分及理化特性對比研究[J]. 新能源進展，2018，6(6)：461-466.

　　ZHANG Yonghui， MIN Yongjun， XU Junming. Comparative study on composition and physic-chemical properties of typical biofuels for vehicles[J].Advances in New and Renewable Energy， 2018，6(6)：461-466.

　　[3]段俊法，唐建鵬，張宇，等. 燃燒方式對氫內燃機燃燒和排放的影響研究[J].車用發動機，2018(5)：89-93.

　　DUAN Junfa， TANG Jianpeng， ZHANG Yu， et al. Effect of different combustion modes on combustion and emission charactertics of hydrogen internal combustion engine[J]. Vehicle Engine， 2018(5)：89-93.

　　[4]HOSSAIN A K， DAVIES P A. Pyrolysis liquids and gases as alternative fuels in internal combustion engines——A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2013， 21(5)：165-189.

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