车用生物燃料应用性能仿真研究进展

　　摘要：车用生物燃料是可再生替代能源之一，仿真研究是车用生物燃料应用研究的主要方法，燃烧放热规律及内燃机条件下的燃烧排放生成过程是车用生物燃料应用仿真研究的重要内容，研究成果对生物燃料的提质改性及推广具有重要意义。基于当前车用生物燃料应用仿真研究成果，阐述了燃烧化学反应机理以及内燃机燃烧条件下计算流体动力学仿真研究的发展，分析了生物燃料燃烧机理构建与简化的技术思路以及机理简化成果，梳理了耦合化学反机理的CFD仿真模型在生物燃料的应用进展;进一步指出基于生物燃料多組分特征的燃烧化学反应机理的构建及机理简化是应用仿真研究的重要基础，内燃机工作条件下燃料多组分特征对燃烧和排放性能的影响是深入开展仿真研究的重要方向。

　　关键词：生物能;生物燃料;应用性能;仿真研究;反应机理

　　生物燃料是替代燃料的重要类型之一，其原料来源丰富且可再生，根据生物燃料的制备技术及原材料的差异，生物质燃料主要包括生物油(bio-oil)、生物柴油(bio-diesel)、生物醇类等[1]。

　　基于运行工况特征和排放法规，车用发动机对燃油的理化性能有着较高的要求。原料和制备工艺的差异直接决定了燃油组分及特性的不同[2]，开展生物燃料的车用发动机应用性能仿真研究，分析生物燃料组分对发动机燃烧及排放机理的影响，对推动生物燃料的实用化进程具有重要意义。生物燃料组分的多样性决定了其燃烧过程是一种非常复杂的物理化学作用过程，宏观的实验难以从微观层面上分析燃油的应用性能。开展燃烧过程的化学动力学计算以及虚拟燃烧环境下的燃烧过程仿真是生物燃料应用性能研究的技术途径和方法[3]，有助于深入研究燃油组分特征及燃烧环境条件对发动机动力性能、排放性能的影响。

　　以车用为目的的生物燃料应用性能仿真研究主要从2个方面进行，一是对生物燃料燃烧过程中放热规律、反应速率、分子(基团)浓度变化规律等的计算，实现这一模拟过程离不开生物燃料化学动力学的计算机理;二是在发动机燃烧环境下，以计算机流体动力学(CFD)为基础，生物燃料的燃烧特性对发动机性能的影响研究。

　　1生物燃料的燃烧机理研究

　　1.1燃烧过程分析

　　燃烧是一种剧烈化学反应，通过生物燃料的燃烧计算可描述内燃机燃烧室内燃烧的基本过程，研究燃烧的化学反应过程、热量的释放和质量转移规律。仿真研究是分析影响燃烧过程的重要技术手段之一。燃烧输送特性(热量和物质的流动特性)影响热量和物质在燃烧室内的转移，进而影响燃烧室的温度场分布或者温度-质量分布。生物燃料的燃烧化学特性影响了自燃特性、燃烧率和排放物的生成。综合来看，开始燃烧的热力学条件包括压力、温度和成分浓度，燃烧过程中的具体反应路径和中间产物影响了排放污染物的构成，建立化学反应路径，描述在不同的反应条件下，生物燃料与空气混合后的氧化物特征，是当前研究的重要内容，比如通过化学反应机理及化学反应速率的研究模拟燃烧过程。当前对某些特定可燃成分有着比较成熟的燃烧机理、反应速率及热力学数据，比如H2O，CH4等。生物燃料化学反应的机理研究历史较短，考虑到生物燃料的多样性以及成分的复杂性，生物燃料燃烧过程描述所需的燃烧反应机理正逐渐被开发，详细化学反应机理的精简有较多困难[4]。

　　河北科技大学学报2019年第3期张永辉，等：车用生物燃料应用性能仿真研究进展 1.2生物燃料燃烧机理的开发

　　多种单一组分耦合生成多组分燃料的化学动力学机理，是当前生物燃料燃烧机理开发的主要技术路线。美国能源部下属的劳伦斯利福摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)开发了癸酸甲酯(methyl decanoate，MD)、癸烯酸甲酯(methyl decenoate，MD9D，MD5D)、硬脂酸甲酯(methyl stearate)和油酸(oleate)等单一组分的燃烧化学反应机理[5]，在燃烧研究领域，被广泛作为饱和组分和不饱和组分的替代组分;CONAIRE等[6]对正庚烷机理作了较为深入的研究。这些典型组分的成熟机理为多组分机理的研究开发奠定了重要基础。HERBINET等[7]将癸酸甲酯、癸烯酸甲酯以及正庚烷烃的燃烧机理进行融合，构建了详细的化学动力学机理，在射流搅拌反应器(JSR)燃烧条件下，将该组合机理的模拟燃烧结果与菜籽油甲酯的燃烧反应结果进行比对。

　　结果表明，不饱和组分含量较高的菜籽油甲酯的燃燒过程与组合机理的模拟结果基本一致。文献\[5\]指出，MD，MD9D，MD5D等组分对大豆生物柴油具有良好的替代性。燃油组分的不饱和度是影响燃烧性能的重要因素之一，MD，MD9D，MD5D，C7H16的组合机理能较好地模拟饱和度差异导致的燃烧特性差异[8]，这一研究方法对组分特征复杂的各类生物燃料的燃烧反应机理研究开发提供了重要的技术途径。

　　1.3燃烧简化机理的发展

　　生物柴油是生物燃料的典型代表，主要由饱和和非饱和的甲酯组成，典型代表组分是棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯和亚麻酸甲酯5个成分，目前还不具备详实描述此类典型成分燃烧化学反应过程的能力，在长碳链组分燃烧机理的构建中一般是以短碳链组分作为替代。丁酸甲酯(methyl butanoate，MB)有着RC(=O)OCH3的化学结构，相比生物柴油甲基酯类成分的碳链长度，MB的碳链较短，反应中存在快速异构化反应，这是低温燃烧化学中重要的反应，控制着燃油的自动着火时间。

　　基于这一燃烧特性，丁酸甲酯可作为生物柴油的替代组分之一。为了调节燃油的分子质量和氧含量，BRAKORA等[9]设定生物柴油中的MB和正庚烷(n-heptane，C7H16)的物质的量比为1∶2，基于一个修正的方法，GOLOVITCHEV等[10]以MB，C7H16和甲苯(toluene，C7H8O)3种组分构建了包括88种基本物质和363个反应的化学反应机理，再嵌入soot和NOx的形成机理[11]，仿真研究了菜籽油甲基酯在Volvo D12C发动机上的应用性能和排放性能。

　　基于MD，MD9D和MD5D的化学反应机理，LUO等[12]开发了包括MD，MD9D和n-heptane生物柴油的简化三元替代机理，机理包括115种物质和460个基本反应。对于原材料差异所制备的不同生物柴油，可通过改变饱和与不饱和成分的质量组成比例，实现不同饱和度生物柴油燃烧反应机理的替代。WANG等[13]研究了正丁醇与生物柴油的掺混燃料燃烧反应，其中生物柴油的燃烧机理用癸酸甲酯(MD)的燃烧机理代替，构建了正丁醇和生物柴油联合的仿真机理，包括175种物质和765个反应。ISMAIL等[14]开发了包括MD和MD9D组分的BOS-V2机理，包括113个物质和399个反应。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)组成，物质的量比为2∶1∶1，利用多成分化学反应动力学机理，生成了包括69种物质和204个反应的燃烧化学反应机理。

　　3总结与展望

　　车用生物燃料原料范围从传统的油脂扩大到生物质材料，制备方法经历了酯化反应、催化裂解等工艺变化，所制备的生物燃料组分也是复杂多变的，对生物燃料的应用特性产生了重大影响。仿真作为技术手段，被广泛应用到生物燃料燃烧过程等相关研究方面。

　　生物燃料燃烧机理是燃烧仿真研究的重要基础，综述分析了癸酸甲酯、癸烯酸甲酯、硬脂酸甲酯和油酸等单一组分在生物燃料燃烧机理中的基础地位，对多组分合成机理的开发奠定了重要基础。多组分机理耦合技术和机理简化技术推动了生物燃料应用仿真的发展，也为内燃机条件的燃烧仿真研究奠定了工程基础。内燃机条件下的CFD仿真研究成果表明基于改善生物燃料燃烧性能和排放性能的仿真研究成为可能，仿真研究作为生物燃料应用研究的技术途径是可行的。

　　参考文献/References：

　　[1]刘雪艳，苏忠亮.微藻生物燃料的研究进展[J].化学与生物工程， 2017，34(3)：11-14.

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

　　[2]张永辉，闵永军，徐俊明.车用典型生物燃料的组分及理化特性对比研究[J]. 新能源进展，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，唐建鹏，张宇，等. 燃烧方式对氢内燃机燃烧和排放的影响研究[J].车用发动机，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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