生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃燒過(guò)程模擬與分析

2014年5月現代電子技術(shù)May 2014第37卷第10期Modern Electronics TechniqueVol 37 No 10生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃燒過(guò)程模擬與分析蔣超宇,姚國仲,申立中,劉少華(昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院,云南昆明650224)摘要:為了研究生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃燒特性,使用AVL-FBE軟件對純柴油和B3OE10(含30%體積分數的生物柴油,10%體積分數的乙醇和60%體積分數柴油的生物柴油-乙醇-柴油混合燃料)的缸內燃燒和噴霧過(guò)程進(jìn)行模擬分析,將燃燒室進(jìn)行切片,比較了兩種燃料的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)變仳及變化規律。研究結果表明:在燃燒初期,B3OEI0燃燒比柴油慢,隨著(zhù)燃燒的進(jìn)行,當燃油堆積于燃燒室凹槽后,B3θElθ在缸內的燃燒速度、壓力和缸內溫度均比柴油低關(guān)鍵詞:生物柴油-乙醇-柴油混合燃料;燃燒過(guò)程分析;噴霧過(guò)程模擬;燃燒室中圖分類(lèi)號:TN91-34;TK421文獻標識碼:A文章編號:1004-373X(2014)10000503Simulation and analysis on combustion process of biodiesel-ethanol-diesel blended fuelJIANG Chaersity of Science and TechnologyAbstract: In order to study combustion characteristics of biodiesel-ethanol-diesel blended fuel, the in-cylinder combustionand spray processes of pure diesel and B30E10 fuel (containing 30% volume fraction of biodiesel, 10% volume fraction of ethnol and 60% volume fraction of diesel) were simulated and analyzed by using the AVL-FIRE software, By slicing the combustor, the velocity field, pressure field and temperature field, and their change law were compared. The simulation results showthat the burn speed of B30E10 is slower than diesel in early combustion stage, but with the development of combustion processand when the fuel is accumulated in the groove of the combustion chamber, the in-cylinder combustion speed, pressure and temperature of B30E10 fuel are lower than dieselKeyword: biodiesel-ethanol-diesel blended fuel; combustion process analysis; spray process simulation; combustor泛的應用。但是基于試驗條件、測試技術(shù)水平等方面的0引言考慮,試驗研究手段又存在著(zhù)一定的局限性。隨著(zhù)計算生物柴油作為可再生能源,是由動(dòng)物脂肪或者植物機飛速發(fā)展及其計算流體力學(xué)、計算傳熱學(xué)等基礎理論油通過(guò)酯化反應制成的脂肪酸甲酯燃料,且理化特性接研究的深入,柴油機燃燒和噴霧的數值模擬逐漸形成了近柴油。生物柴油相對柴油有較高的十六烷值和閃點(diǎn)個(gè)獨立的發(fā)展分支。它以實(shí)驗和基本理論的研究成硫含量低。乙醇具有較低的粘度和沸點(diǎn),有利于改善燃果為基礎,通過(guò)計算機把實(shí)驗硏究、理論分析和科學(xué)計油混合氣的霧化效果。生物柴油和乙醇的“自攜氧”特算有機地融為一體。它具有調整參數方便、運行速度點(diǎn),對于提高發(fā)動(dòng)機的熱效率和降低碳煙排放具有積極快、成本低的優(yōu)點(diǎn),可以在眾多的影響因素中找岀關(guān)鍵作用。近年來(lái)國內外硏究人員對柴油機燃用生物柴油的控制變量,優(yōu)化實(shí)驗與設計方案,降低產(chǎn)品的研制周和乙醇進(jìn)行了大量研究。研究發(fā)現,完全燃燒乙醇,技期及費用術(shù)難點(diǎn)是乙醇在缸內著(zhù)火非常困難。生物柴油的粘度鑒于模擬仿真的可靠性及方便性,在互溶范圍內,大,霧化性能差,噴油器易結、堵塞,蒸發(fā)性差造成冷啟將生物柴油、乙醇、柴油分別按照體積比為30%,10%動(dòng)困難?？紤]生物柴油和乙醇的理化特性及其在發(fā)動(dòng)60%配置成B3OE10混合燃料,采用AVL-FIRE軟件對機上的應用情況,將生物柴油、乙醇和柴油混合,能夠很B30E10在缸內的燃燒和噴雰過(guò)程進(jìn)行模擬計算,分析好地運用燃料各自的優(yōu)勢,在保證柴油機的動(dòng)力性、燃其變化發(fā)展規律及其與柴油的差異。油經(jīng)濟性變化不大的同時(shí),有效降低碳煙的排放。試驗研究作為探索柴油機燃燒過(guò)程的主要手段,得到了廣Ⅰ計算模型建立及驗證1.1試驗燃料禾中國煤化工試驗燃料的收稿日期:2014-0208HHCNMHG用發(fā)動(dòng)機參數6現代電子技術(shù)2014年第37卷如表1和表2所示。發(fā)動(dòng)機為直列四缸、四沖程、水冷7=450+80×(n-100/3000高壓共軌柴油機。T=530+70×(n-1000/300表1試驗燃料的主要理化性質(zhì)式中:h為行程;n為轉速;h為最大氣門(mén)沖程。生物柴油柴油B30E10計算得到,湍流動(dòng)能TKE=22.2338m2/s2,湍流長(cháng)相對密度0.88000.78930.83790.8451度尺寸TIS=0.004827m,缸蓋壁面溫度為T(mén)=544K缸套壁面溫度T=482K,活塞頂部溫度T=558K十六烷值31861.4計算模型選取運動(dòng)粘度1.2湍流模型選擇目前廣泛使用的是K-Zeta-F雙方程燃料低熱值26.77842.84540.3湍流模型,計算方法采用 Simplec,燃燒模型選擇 Coher-含氧量1034.80ent flame model(相關(guān)火焰模型),NOx的生成模型采用表2發(fā)動(dòng)機主要參數Extended Zeldovich,碳煙生成模型選擇 Kinetic model計算中的噴霧破碎模型采用了wAVE離散模型,此模發(fā)動(dòng)機型號YN30CER標定功率/標定轉速79 kw/2 200 r/min型認為不穩定波的振幅大于臨界值時(shí),液滴即將發(fā)生分缸徑x行程x連桿長(cháng)度95mmx105mmx170mm裂,而且調參數不多,結果可靠。蒸發(fā)模型采用了 Multi燃燒室形式型component模型,這是假設了油滴是在不可壓的氣體中蒸發(fā)的。碰壁模型選擇 Walljetl1.2網(wǎng)格劃分1.5模型的驗證主要研究發(fā)動(dòng)機從進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉(584°CA)到排氣門(mén)表3和圖3表示發(fā)動(dòng)機在2200r/min,200N·m下打開(kāi)(860CA)時(shí)段的缸內燃燒、噴霧情況。圖1為缸的缸內壓力試驗值和仿真值的對比情況?？梢钥闯?仿內上止點(diǎn)的計算網(wǎng)格,網(wǎng)格數為130300個(gè)。真結果和試驗結果基本一致,誤差最大不超過(guò)8%。試圖2為缸內下止點(diǎn)計算網(wǎng)格,網(wǎng)格數為475300個(gè)。驗和仿真結果中壓力偏差的主要原因是部分邊界條件根據經(jīng)驗所得,與真實(shí)值有一定差異。但總體來(lái)說(shuō),試驗結果和仿真結果基本吻合,此模型可以用來(lái)仿真發(fā)動(dòng)機缸內的燃燒和噴霧過(guò)程。表3缸內壓力的試驗與模擬對比圖1計算網(wǎng)格(上止點(diǎn))曲軸轉角PCA320360370420試驗壓力/ar14.3780.6187.3815.4480.9986.4815.89224247270293316339362385408431454477500圖2計算網(wǎng)格(下止點(diǎn))1.3計算初始條件圖3缸內壓力試驗值與模擬值比較初始壓力P=0.188MPa,初始溫度T=340K,渦流比取S/T=16。式(1)~式(5)表示湍流動(dòng)能,湍流長(cháng)度,缸2計算結果分析蓋壁面溫度,缸套壁面溫度以及活塞頂部溫度的經(jīng)驗計2.1速度場(chǎng)分布算公式圖4為兩種燃料在不同曲軸轉角下的缸內混合氣TKE(1)速度場(chǎng)分布?？梢钥闯?缸內最大流速出現在上止點(diǎn)的油束噴射附近,恰怏燒后缸內混合氣速度會(huì )TLS=h /2下降,伴隨著(zhù)燃中國煤化工部。主要原因7=520+60X(n-1000/300(3)是缸內的速度CNMHG噴射、缸內燃第10期蔣超宇等生物柴油-乙醇柴油混合燃料的燃燒過(guò)程模擬與分析燒、活塞運動(dòng)等因素共同影響的,當噴油開(kāi)始階段主要聚集。是受燃油的高速?lài)娚浜突钊麎嚎s影響,導致在油束附近形成高速區。在不同曲軸轉角下,B3OE10的速度較純柴油小,主要是由于B30E10相對純柴油粘度較大,導致燃油噴射和燃燒時(shí)油束擴散較慢,缸內的速度相對純柴油較小。(a)純榮油(7158℃A)(b)純柴油(720CA)a)純柴油(7158℃CA)(b)純柴油(720CA)(c)純柴油(739.8CA)(d)B3OE10(7158℃A)7(c)純柴油(298CA)(d)B3OE10(158℃A)(e)B3OE10720°A)(f)B3OE10(7398°CA圖5壓力場(chǎng)分布(e)B30E10720℃CA(B3OE10(729.8℃A)圖4速度場(chǎng)分布22壓力場(chǎng)分布(a)純柴油(7158°CA)(b)純柴油(720°CA圖5為兩種燃料的壓力場(chǎng)分布。從圖中可以看出,當燃油開(kāi)始噴射時(shí),壓力場(chǎng)最大區域主要集中油束中心區域,隨著(zhù)活塞上行,缸內開(kāi)始燃燒后,缸內平均壓力增加,在上止點(diǎn)后10°CA附近出現最大壓力值。由于B30E10粘度比柴油大,導致B30E10燃油在油束分裂過(guò)(c)純柴油(739.8CA)(d)B30E10(7158°CA)程中較慢,燃油和空氣混合相對于柴油較差,燃燒效率降低。而B(niǎo)30E10的熱值低于柴油,在燃燒過(guò)程中放熱量較少,形成局布區域壓力小于柴油。隨著(zhù)燃燒的進(jìn)行,缸內混合氣出現不均勻分布,主要由于活塞下行,缸內混合氣流向間隙形成局部高壓區2.3溫度場(chǎng)分布(e)B30E10(720°CA)(f)B30E100398°CA)圖6為兩種燃油在不同曲軸轉角下的溫度場(chǎng)分布圖6溫度場(chǎng)分布情況。從圖中可以看出:在燃油開(kāi)始噴射,但是還未燃由于B30E10的熱值相對于純柴油較低,導致缸內燒時(shí),缸內溫度比較均勻。在活塞到達上止點(diǎn),缸內體燃燒時(shí)放熱量較小,在燃油開(kāi)始燃燒前,兩種燃油對應積壓縮壁面溫度升高,而油束周?chē)纬煽扇蓟旌蠚?在的缸內溫度相差不大,當燃油和空氣形成可燃氣體開(kāi)始此條件下,這部分可燃氣體開(kāi)始燃燒放熱。在活塞開(kāi)始劇烈燃燒時(shí),B九小于純柴油下行之后,缸內的高溫氣體分為兩部分,一部分隨著(zhù)活中國煤化工塞下行擴散到活塞縫隙,下面的髙溫氣體向燃燒室底部CNMHG下轉第11頁(yè))第10期于彤等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的客戶(hù)信用風(fēng)險評價(jià)1黃雋,章艷紅商業(yè)銀行的風(fēng)險:規模和非利息收入:以美國為例J金融研究,2010(6):79-94.2]席穎淺析我國商業(yè)銀行信用風(fēng)險的防范法制與社會(huì )2011(12):110-1111001203]王珊珊,呂建淺析新巴塞爾協(xié)議及其對我國銀行的影響時(shí)代金融,2011(12):80-81圖4 Logistic回歸預測誤差4]金貝杯簡(jiǎn)述新巴塞爾協(xié)議對舊巴塞爾協(xié)議國際銀行監管思想的發(fā)展[金融天地,2011(2):134-1354結語(yǔ)5 BAESENS B, SETIONO R, MUES C, et al. Using neural network rule extraction and decision tables for credit -risk evalua-我國商業(yè)銀行應積極響應新巴塞爾協(xié)議的要求,提tion [J]. Management Science, 2003, 49(3): 312-329高信用風(fēng)險評估技術(shù),提高信用評估的準確性,促進(jìn)銀61張能福張佳改進(jìn)的KMV模型在我國上市公司信用風(fēng)險度行業(yè)風(fēng)險管理、社會(huì )信用體系的建設。不僅應從技術(shù)層量中的應用小預測,2010(5:50-54面來(lái)改善,更應該從制度層面上進(jìn)行整體完善,從而提7吳松,張冬鵬,胡煊.一種預定義規則的數據挖掘方法在商業(yè)供制度保障。銀行審計中的應用J信息系統工程銀行應借鑒并改進(jìn)國際先進(jìn)的信用評估技術(shù),同時(shí)8李穎超商業(yè)銀行基于KMY模型對上市公司客戶(hù)信用風(fēng)險度還需健全規范內部控制制度、完善信用評估系統、建立量研究D重慶:西南政法大學(xué),2012合理的激勵機制來(lái)加強銀行的信用風(fēng)險管理。此外,企9羅曉光,劉飛虎基于 Logisti歸法的商業(yè)銀行財務(wù)風(fēng)險預警模型研究肌金融發(fā)展研究,2011(11):57-61.業(yè)應增強自身的信用意識和社會(huì )責任感,并建立企業(yè)內01張傳新,王光偉基于主成分分析和 Logit模型的商業(yè)銀行引部的信用風(fēng)險管理制度。最后,政府應完善我國的信用用風(fēng)險度量研究[西部經(jīng)濟管理論壇,2012,23(4):17-2體系的法制建設、信息管理建設,發(fā)揮信用中介的積極梁碩商業(yè)銀行信用風(fēng)險模型研究D北京:首都經(jīng)濟貿易大作用。2011作者簡(jiǎn)介:于彤(1990—),女,江蘇揚州人,碩士。主要從事金融管理研究工作。李海東(1988—),男,江蘇南通人,碩士。主要從事計算機算法設計工作。(上接第7頁(yè))料的試驗研究[廣西大學(xué)學(xué)報,2006,31(3):185-1893結語(yǔ)2]徐國強,張紅梅,高獻坤柴油機燃用生物質(zhì)燃油:柴油混合燃對純柴油和B30E10兩種燃油在2200r/min料燃燒特性的研究河南農業(yè)大學(xué)報,2004,38(2):211-214200N·m工況下的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬計算分析如下3]馬勇,陸蓉蓉,陳懷望.柴油機燃燒室改進(jìn)的模擬仿真研究卩(1)在缸內的燃油噴射階段,油東中心區域壓力較內燃機,2012(1):23-24大,油束邊緣區域速度較高;燃燒后期由于燃油堆積于4 HOON K N,sUYN,1 O-han N. Simulation of biodiesel凹槽處,使缸內的凹槽成為缸內溫度和壓力局部分布較bustion in a light-duty diesel engine using integrated con大區域。pact biodiesel-diesel reaction mechanism [J]. Applied Energy2013,102:1275-12872)在燃燒初期,B3OEl0燃燒比柴油慢,隨著(zhù)燃燒5張夢(mèng)云 DLHI1O5柴油機工作過(guò)程數值模擬與燃燒室改進(jìn)研的進(jìn)行,當燃油堆積于凹槽后,B30E10在缸內的燃燒速究[D鎮江:江蘇大學(xué),2010度、壓力和溫度均低于燃用柴油的對應值。6]姚照輝,吳寶元,梁俊龍沖壓發(fā)動(dòng)機燃燒引起激波運動(dòng)過(guò)程維分析[火箭推進(jìn),2013(2):52-58「η]任正達,聶萬(wàn)勝,陳新華甲烷噴射溫度對燃燒穩定性影響規I]黃錦成,劉海峰,張全長(cháng).柴油機燃用生物柴油和柴油混合燃律研究火箭3(4).36-40中國煤化工作者簡(jiǎn)介:蔣超宇(1989—),男,碩士研究生。研究方向為內燃機測試與控制。CNMHG