燃料特性對乙醇-正丁醇-十四烷燃油霧化特性的影響分析

第6卷第1期汽車(chē)工程學(xué)報Vol 6 No I2016年1月Chinese journal of Automotive EngineeringJan.2016燃料特性對乙醇-正丁醇十四烷燃油霧化特性的影響分析胡鵬,王偉,琚雪明(奇瑞汽車(chē)股份有限公司動(dòng)力總成技術(shù)中心,安徽,蕪湖241009)摘要:為探討燃料特性促進(jìn)柴油機缸內乙醇柴油霧化過(guò)程的影響機理,采用單組份十四烷代替實(shí)際多組分柴油,利用經(jīng)典KH模型和TAB模型數值分析燃料特性對乙醇一正丁醇一十四烷混合燃料初次和二次霧化的影響規律。結果表明,十四烷中摻混乙醇和正丁醇后初次霧化團塊液核半徑和破碎時(shí)間均降低,有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂,促進(jìn)柴油機近噴嘴區燃油初次霧化;在相冋的條件下,乙醇柴油理化性質(zhì)對二次霧化的影響很小;液滴半徑越小,破碎后 Sauter平均半徑和破碎時(shí)間對半徑増量敏感性越強,越容易發(fā)生二次霧化;良好初次霧化和液滴蒸發(fā)特性促進(jìn)液滴二次霧化和液滴蒸發(fā)。關(guān)鍵詞:內燃機;乙醇柴油:燃料特性;初次霧化;二次霧化中圖分類(lèi)號:TK402文獻標識碼:ADOl:10.3969/jin.2095-14692016.01.07Influence of Fuel Properties on Atomization ofEthanol-n-butyl-n-tetradecane Blend FuelHu Peng, Wang Wei, Ju Xueming( Powertrain Technology Center, Chery Automobile Co, Ltd, Wuhu 241009, Anhui, China)Abstract: In order to investigate the effect of fuel properties on the atomization of ethanol-diesel blendedthe primary atomization of liquid jet and secondary atomization of droplet were calculated by Kelvin-Helmholtz instability(KH)model and taylor analogy breakup(TAB)Model, respectively. The diesel waseplaced by n-tetradecane in the model. The results indicate that the liquid core radius and breaking timeof the primary atomization of liquid jet of ethanol-diesel are reduced. Adding ethanol and n-butyl alcoholto n-tetradecane is beneficial to fuel spray atomization near the nozzle exit in diesel engine. Under the sameconditions, fuel properties have little effect on secondary atomization of droplet. For smaller radius ofdroplet, the sensitivity of the droplet radius and breaking time of secondary atomization to droplet radius isstronger, and it is easier to induce secondary atomization of droplet. Good primary atomization and dropletevaporation characteristic can promote the secondary atomization of droplets and droplet evaporationKeywords: internal combustion engine; ethanol-diesel; fuel property, primary atomization; secondaryatomization收稿日期:2015-08-15改稿日期:2015-11-16基金項目:江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng )新計劃(CXZZ120675)中國煤化工參考文獻引用格式胡鵬,王偉,琚雪明燃料特性對乙醇一正丁醇-十四烷燃油霧化特性的影響分析門(mén)汽車(chē)工CNMHGHu Peng, Wang Wei, Ju Xueming. Influence of Fuel Properties on Atomization of Ethanol-n-butyl-n-tetradecane Blend Fuel [J]. Chinese Journal of AutomotiveEngineering,2016,6(1): 43-49(in Chinese044汽車(chē)工程學(xué)報第6卷隨著(zhù)石油供需矛盾的不斷加劇,代用清潔燃料而是連續的射流。連續射流在缸內各種動(dòng)力和靜力的研究越來(lái)越受到重視。乙醇是一種可再生的清潔的作用下破裂,其破裂過(guò)程與單個(gè)油滴的破裂過(guò)程含氧燃料,借助助溶劑制備乙醇柴油,具有廣闊的有很大的區別。利用 Reize等建立的KH模型描述應用前景。隨著(zhù)柴油機向著(zhù)高效、清潔和低CO2排連續射流破碎過(guò)程9(圖1),油團半徑r和液放發(fā)展,需要深入了解多組分燃料乙醇柴油在缸內霧流的破裂時(shí)間r由式(1)和式(2)計算。霧化燃燒行為的細節,利用燃料的理化性質(zhì)協(xié)同燃燒邊界優(yōu)化控制燃燒路徑,實(shí)現“油、氣、室”三者的優(yōu)化匹配。在柴油機和直噴式汽油機中,都是oo opoo o將燃油直接噴λ燃燒室內,液相燃油射流要經(jīng)歷破oRDooR碎和霧化、蒸發(fā)、與空氣混合直至燃燒。oL/D國內外許多學(xué)者研究了乙醇柴油燃料理化特性n對內燃機燃燒和排放的影響4,結果表明,柴油中摻混醇后,燃油霧化效果改善,油氣混合速率提高。上述研究結果是各種因素的綜合效果,筆者為了探明乙醇柴油燃油特性促進(jìn)缸內燃油霧化蒸發(fā)的圖1射流破裂KH模型根本原因,對燃油進(jìn)入缸內后的物理化學(xué)子過(guò)程進(jìn)行逐步研究。首先研究正十二烷單液滴在含乙醇氛圖中:L為噴嘴孔長(cháng),cm;D為噴嘴直徑,R圍中的蒸發(fā)特性以及乙醇柴油液滴蒸發(fā)特性,為轉角半徑,cm:u為小油滴相對速度,cms;L1結果表明,空氣中含低質(zhì)量分數乙醇蒸氣對十二烷為破裂長(cháng)度,cm;F為初始油滴半徑,cm;為波長(cháng),單液滴蒸發(fā)沒(méi)有明顯影響,這說(shuō)明乙醇柴油中優(yōu)先cm:;η為波高,cms蒸發(fā)出來(lái)的低質(zhì)量分數的醇蒸氣(由于柴油機燃油r'=B0A。(1)質(zhì)量占缸內氣體質(zhì)量分數很低)對柴油蒸氣擴散的3726B7傳質(zhì)數沒(méi)有影響,同時(shí)乙醇柴油中由于摻混乙醇而顯著(zhù)促進(jìn)液滴蒸發(fā)。式中:B=061;A為對應于燃料表面 Kelvin-Helmholtz內燃機燃油射流屬于噴霧流,在噴嘴附近存在波的波長(cháng),cm;r為破碎前的油團半徑,cm;g為絲狀和膜狀液流以及其進(jìn)一步分裂的液滴群。由于初期形成的液流和液滴后期進(jìn)一步分裂有相似性,Kelvin-Helmholtz波的頻率;B1為常數,其值為40。因此本文在相同環(huán)境條件下研究燃料特性對單一液由式(1)和式(2)可知,作用在射流表面增長(cháng)最快的擾動(dòng)波波長(cháng)A可反映液滴破碎后半徑規律,流油團和液滴破碎的影響規律。由于經(jīng)典的KH和液滴破碎后半徑與波長(cháng)A成正比;Ω和A乘積反TAB模型的有效性已得到研究者驗證,因此利用其計算燃油連續射流初次霧化和液滴二次霧化過(guò)程映破碎時(shí)間,令P=9A,這樣破碎時(shí)間與Ps探討乙醇柴油燃料特性并對初次和二次霧化基礎問(wèn)成正比。9和A的計算公式如式(3)。題進(jìn)行研究,為后續研究乙醇柴油特性對燃油噴霧90(1+04520)(1+0470)流局部的平衡區渦團脈動(dòng),以及探明乙醇柴油燃油1+0:8572)特性促進(jìn)缸內燃油霧化蒸發(fā)的根本原因奠定基礎。(3)0.34+0.38形e151初次和二次霧化計算模型(1+1406)1or中國煤化工11初次霧化計算式中:下機CNMHG相;為液相表從噴嘴孔射出的燃油實(shí)際上并非離散的油滴,面正應力,Pa;P為液相表面密度,kgm3:p為液相第1期胡鵬等:燃料特性對乙醇一正丁醇一十四烷燃油霧化特性的影響分析表面動(dòng)力粘度系數,Pa·s。無(wú)量綱變量被定義為: Sauter平均半徑。z=We/Re、T=z√we、We=pr/o、和He2=toup22r/和Re=urp/μ。12液滴二次霧化計算r32(8)直徑為d的液滴以速度u在速度為u2的氣流中相對運動(dòng)時(shí),其受力分析如圖2所示y(0=n+exp12/cos(ar)+We/12x當地動(dòng)Pg2r04pr210006090120150180()801.(10)→表面張力),r t一氣動(dòng)壓力13混合燃料物性參數計算圖2單液滴受力分析研究燃料特性對連續射流初次霧化和液滴二液滴一半對另一半的吸引力為次霧化的影響分析,涉及十四烷、乙醇和正丁醇在由于氣流作用在球面上的壓力分布,他多54)370K和500時(shí)的密度、表面張力和動(dòng)力粘度系數,f =tdo滴在記十四烷、乙醇和丁醇分別為組分1、組分2和組垂直于氣流方向上拉開(kāi)的力正比于氣動(dòng)壓力及液滴分3。本文根據文獻[6]和[10],獲得三種燃料的的迎風(fēng)面積:密度、表面張力和動(dòng)力粘度系數,見(jiàn)表1和表2。=k025d2×052(2±n)表1燃料溫度為370K時(shí)的物性參數物性參數乙醇正丁醇式中:d為直徑,m;o為表面張力系數,Nm;P密度p(kg,m)707.51722.78為氣流密度,kg/m3;k為系數;u2和u分別為液滴表面張力可(N,m)196×102172×102178×102和氣流速度,m/s動(dòng)力粘度系數(Pas)714×1043.18×10588×10由于蒸發(fā)和氣流阻力的作用,上式中的d和u1表2燃料溫度為500K時(shí)的物性參數是隨時(shí)間改變的,因此,為處理數據方便,以初始物性參數十四烷乙醇正丁醇直徑d和氣流速度v2來(lái)表示氣流與液滴的相對速密度p(kgmy606.970.58570.65度。液滴變形的條件為表面張力a/(N·m2)1.05×1022.18×103644×10動(dòng)力粘度系數(Pa·s)2.41×104649×103123×104P(6)混合燃料中十四烷、乙醇和正丁醇的質(zhì)量分數式(6)左邊的物理意義為氣動(dòng)力與表面張力分別為y1、y2和y,對應的密度分別P1、P2和P,的比值,即為韋伯數W。摩爾質(zhì)量分別為M、M2和M,則混合燃料中組分開(kāi)始變形破碎的韋伯數稱(chēng)為臨界韋伯數,記為i的摩爾分數為:,。接下來(lái)按照TAB模型計算液滴二次霧化的y/y破碎時(shí)間和破碎后半徑,具體為:①按式(7)進(jìn)RYH(11)中國煤化工行計算液滴破裂時(shí)間;②聯(lián)合式(7)~(9),并CNMHG法則進(jìn)行計算:進(jìn)行離散,代入t=t可計算分裂產(chǎn)生的油滴群的①乙醇柴油的密度采用式(12)計算;②混合燃料046汽車(chē)工程學(xué)報第6卷的表面張力、粘度和摩爾質(zhì)量用式(13)計算。0.065月(12)0.059P=∑x/P。(13)0.057式中:P為混合燃料物性值(除密度外);x為第i0.055十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10種組分的摩爾分數;P為第i種組分的物性值。油品b)不同燃料對P的影響2計算結果與分析圖3燃料特性對燃料初次霧化影響21對初次霧化的影響注:噴孔直徑為0235mm;液滴與氣相相對速度為40m/s;介質(zhì)密度12kg/m3;燃油溫度為370K;N和E后面數字分別代表圖3為燃料特性對初次霧化特征參數Ω和Ps正丁醇和乙醇的質(zhì)量分數變化的影響關(guān)系。由圖3可知:(1)十四烷中摻醇后射流表面增長(cháng)最快的擾動(dòng)波的波長(cháng)A降低。與22對液滴二次霧化的影響十四烷相比,N5E5、NSE10、N5E15和N10E10由式(7)可知,臨界韋伯數主要與液滴直徑、的A降幅分別為476%、7.65%、9.95%和7.96%氣流與液滴的相對速度的平方成正比,與燃料的表由于破碎出來(lái)的液滴半徑正比于增長(cháng)最快的擾動(dòng)波面張力成反比。由式(8)可知,破碎時(shí)間與燃料的波長(cháng),因此十四烷中摻混醇有助于降低連續的射表面張力和密度有關(guān)。由文獻]中液滴蒸發(fā)特性流破碎后團塊液核半徑。(2)與十四烷相比,所和燃料屬性對初始霧化的液滴半徑可知,在相同時(shí)有乙醇柴油的初次霧化破碎參數P5降低;NE5、刻和相同位置噴入缸內的乙醇柴油和柴油,乙醇柴NE10、NE15和Nl0E10的P3降幅分別為2.12%油液滴比柴油液滴更加容易發(fā)生破碎,而發(fā)生破碎時(shí)間需要進(jìn)一步考察。接下來(lái)研究當介質(zhì)密度、液4.08%、5.72%和3.59%。由于破碎時(shí)間正比于破碎滴直徑和氣液相對速度相同時(shí),由于燃料配比的改參數Ps,柴油機燃用乙醇柴油時(shí)初次霧化破碎時(shí)間變導致發(fā)生破碎的臨界韋伯數及破碎時(shí)間具體比例縮短。因此在相同的噴射條件下十四烷摻醇后,有關(guān)系。助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂,促進(jìn)缸內燃油初圖4為乙醇柴油液滴(溫度為370K和500K)次霧化。(3)隨著(zhù)乙醇柴油中添加醇的質(zhì)量分數的的臨界韋伯數和破碎時(shí)間的直方圖。由圖可知增加,乙醇柴油初次霧化后燃料破碎半徑和破碎時(shí)(1)乙醇柴油的臨界韋伯數均高于十四烷,表明乙醇間均降低,且添加相同質(zhì)量分數的乙醇降低效果更柴油液滴比十四烷更難發(fā)生破碎。溫度為370K的加明顯。液滴臨界韋伯數增加幅值較小,而溫度為500K的液滴韋伯數増幅較大。與十四烷相比,液滴溫度18.5370K時(shí),NE5、N5E10、N5E15和Nl0E0的韋17,5伯數增幅分別為328%494%、6.31%和5.59%0液滴溫度為500K時(shí),N5E5、N5E10、NE15和15.5N10E10的韋伯數增幅分別為2167%、38.49%十四烷NSE5N5E10N5E15N10E1055%和中國煤化工柴油的破碎時(shí)間油品均高于十四HCNMHG界韋伯數增加相(a)不同燃料對A的影響對應。與十四烷相比,液滴溫度350K時(shí),N5E5、胡鵬等:燃料特性對乙醇一正丁醇一十四烷燃油霧化特性的影響分析047N5E10、N5E15和N10E10的破碎時(shí)間增幅分別12X為1.83%、270%、3.42%和3.16%;液滴溫度為l1×1010X10500K時(shí),N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的回9×10破碎時(shí)間增幅分別為10.%、17.45%、24.41%和8×1018.84%。(3)乙醇柴油中乙醇或正丁醇的質(zhì)量分數7×106×10增加,其臨界韋伯數和破碎時(shí)間均增加。(4)結合5×1十四烷N5E5N5E0NE15N0E10文獻[1]中單液滴蒸發(fā)特性,可知在液滴溫度升高油品至500K時(shí),液滴中乙醇和正丁醇質(zhì)量分數非常小,(d)液滴溫度500K醇對二次霧化作用較小。也就是說(shuō),柴油中摻混乙圖4燃料特性對液滴破碎的影響醇,混合燃料液滴臨界韋伯數和破碎時(shí)間增加,但注:液滴直徑為?0μ:液滴與氣相相對速度為4ms:介質(zhì)密度為kgm是增幅較小。2.0十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10(a)液滴溫度370K油品(a)液滴溫度370K十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10(b)液滴溫度500K十四烷N5E5N5E10N5E15NOE10圖5燃料特性對破碎后 Sauter平均半徑的影響油品(b)液滴溫度500K圖5是乙醇柴油液滴(溫度為370K和500K)破碎后的 Sauter平均半徑變化情況,其中初始參8×10°數和圖3一致。由圖可知:(1)十四烷中摻醇后,液滴破碎后 Sauter平均半徑變化規律與溫度有關(guān),6×10°這是由于液滴破碎后 Sauter平均半徑與密度有關(guān),管5×10而十四烷、乙醇和正丁醇三者的密度大小關(guān)系取決4×10°于液體溫度。當液滴溫度為370K時(shí),三者的密度3×10°十四烷N5E5NSE10N5E15NoE10關(guān)系為:500K時(shí),TH中國煤化工當液滴溫度為CNMHG十四烷>乙醇>(c)液滴溫度370K正丁醇。液滴溫度為370K,不同配比的乙醇柴油048汽車(chē)工程學(xué)報第6卷液滴破碎后 Sauter平均半徑均增加,但增幅較小,液滴半徑5um與十四烷相比, Sauter平均半徑增幅分別為1.12%4-液滴半徑10pm…·液滴半徑195%、2.61%和1.92%。液滴溫度為500K時(shí),乙醇柴油液滴破碎后 Sauter平均半徑均降低,與8唱回濫塔十四烷相比,該溫度下 Sauter平均半徑降幅分別為1.70%、3,24%、4.83%和3.27%。(2)隨著(zhù)十四烷L(cháng)Em.x.0.10.20.30.40.50.60.70.80.9中摻醇比例的增加,破碎后 Sauter平均半徑變化幅液滴半徑增量△rum值減小。液滴溫度為500K時(shí),燃料中乙醇和正丁醇的質(zhì)量分數很低,因此在柴油中摻混低質(zhì)量分數圖6液滴半徑變化對二次霧化特征參數的影響的乙醇或正丁醇,液滴破碎后 Sauter平均半徑變化規律更加接近液滴溫度為370K的情況。綜上所述,時(shí)間縮短。結合燃料特性對缸內射流初始霧化的影隨著(zhù)液滴蒸發(fā)和破碎的進(jìn)行,乙醇柴油燃料特性對響,由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴破碎后 Sauter平均半徑影響很小。的來(lái)源,因此燃用乙醇柴油時(shí)缸內射流初次霧化后由圖5可知,液滴溫度為370K時(shí),乙醇柴油液滴半徑的減小會(huì )進(jìn)一步促進(jìn)液滴二次霧化(2)在燃料特性對臨界韋伯數、破碎時(shí)間和破碎后 Sauter相同的液滴半徑增量的基礎上,液滴半徑越小,破平均半徑的影響非常小。根據計算結果,乙醇柴油碎后 Sauter平均半徑和破碎時(shí)間對半徑增量敏感性本身理化性質(zhì)并不能促進(jìn)柴油機缸內二次霧化,對越強。因此當柴油機燃用乙醇柴油時(shí),由于乙醇柴二次霧化起阻礙作用,但影響很小。油具有較好的初次霧化以及蒸發(fā)特性,使乙醇柴油23二次霧化參數對液滴半徑敏感性分析在柴油機缸內最終霧化效果優(yōu)于傳統燃料柴油。由文獻[門(mén)]中乙醇柴油和柴油液滴蒸發(fā)特性與結論前文所述燃料屬性對缸內射流初次霧化的影響可知,(1)十四烷中醇后初次霧化團塊液核半徑和破相同噴射條件下,乙醇柴油液滴半徑小于柴油液滴,碎時(shí)間均降低,有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂而液滴二次霧化特征參數與液滴半徑有關(guān),因此研究促進(jìn)缸內燃油初次霧化。隨著(zhù)乙醇柴油中添加醇的液滴二次霧化對液滴半徑的敏感性分析,如圖6所示質(zhì)量分數增加,乙醇柴油初次霧化后燃油破碎半徑由圖6可知:(1)隨著(zhù)液滴半徑增幅的增加,和破碎時(shí)間均降低,且添加相同質(zhì)量分數的乙醇降破碎后Saur平均半徑和破碎時(shí)間的增幅均增加。低效果更加明顯。當液滴半徑增量為1μm時(shí),液滴半徑為10m的破(2)在相同的條件下,乙醇柴油理化性質(zhì)并不碎后 Sauter均半徑和破碎時(shí)間增幅分別為997%能促進(jìn)柴油機缸內二次霧化,對二次霧化起阻礙作和1537%。同時(shí)由式(7)可知,破碎時(shí)間的降低幅用,但影響很小。與十四烷相比,液滴溫度350K時(shí)值與液滴半徑r3成正比,因此液滴半徑降低,破碎N5E5、NE10、N5E15和N10E10的破碎時(shí)間增幅分別為1.83%、270%、342%和3.16%魯液滴半徑5um一液滴半徑10m(3)在相同的液滴半徑增量的基礎上,液滴半M·液滴半徑15pm徑越小,破碎后 Sauter平均半徑和破碎時(shí)間對半徑增量敏感性越強,越容易發(fā)生二次霧化。(4)由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴的來(lái)0.80.90.10H中國煤化工射流初次霧化后液滴半徑增量△rjm液滴半徑CNMHG同時(shí)乙醇柴油具有良好的液滴蒸發(fā)特性,也會(huì )促進(jìn)液滴二次霧化。第1期胡鵬等:燃料特性對乙醇一正丁醇-十四烷燃油霧化特性的影響分析049參考文獻( References):[1]張志強,趙福全,于冠軍,等.乙醇/柴油燃料配制和[5]胡鵬,孫平,梅德清.正十二烷單液滴在含乙醇氛圍中對柴油機性能影響的模擬[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科的蒸發(fā)特性[J江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013學(xué)版),2012,40(8):1254-1260,126934(5):508-513Zhang Zhiqiang, Zhao Fuquan, Yu Guanjun, et al. 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