乙醇/柴油燃料配制和對柴油機性能影響的模擬

第40卷第8期同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 40 No. 82012年8月JOURNAL OF TONGJI UNTVERSITY(NATURAL SCIE2012文章編號:0253-374X(2012)08-1254-07DOI:10.3969/jisn.0253-374x.2012.08.023乙醇/柴油燃料配制和對柴油機性能影響的模擬張志強,趙福全12,于冠軍,韓杰磊(1同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海201804;2漸江吉利汽車(chē)研究院有限公司浙江杭州311201)摘要:選擇丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨糖醇單油酸酯 equivalent indicated specific fuel consumption and combustion(Span80)作為助溶劑,對比研究其助溶效果.按照不同乙醇 noise reduced. The comprehensive performance of the diesel體積分數(10%20%和30%)和溫度范圍(5~60℃),進(jìn)行混 engine is the best when ethanol volume percentage is10%合燃料的密度、表面張力和黏度等物性參數測量,研究其隨機性能的影響結果表明:隨L醇體積分數的增加燃油霧化 parameters; blend fuels of ethanol and diese!; solubilizer多乙醇體積分數和溫度變化的規律.模擬研究混合燃料對柴油Key words: performance of diesel engine; mater效果得到改善,壁面油膜逐漸減少,氮氧化物(NO,)和碳煙(soot)排放逐漸減少;發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性逐漸下降,但是當量比油耗和燃燒噪聲逐漸下降.乙醇體積分數為10%時(shí)柴油機的綜隨著(zhù)全球氣候惡化和溫室效應加劇,以及近年合性能最佳來(lái)逐漸形成的對發(fā)展低碳經(jīng)濟的要求和不斷更新的關(guān)鍵詞:柴油機性能;物性參數;乙醇/柴油混合燃料助溶劑日益嚴苛的排放法規柴油機憑借其在CO2排放和中圖分類(lèi)號:TK407.9文獻標識碼:A油耗方面的優(yōu)勢在商用車(chē)和乘用車(chē)領(lǐng)域內所占份額不斷擴大,這給柴油的市場(chǎng)供應提出了一個(gè)巨大Blend Fuels of ethanol and Diesel Concoction的考驗據統計,2010年12月底中國石化生產(chǎn)柴汽and Its Influence on Diesel Engine Performance比已經(jīng)高達2.17n,以致需要大量進(jìn)囗原油來(lái)煉制出滿(mǎn)足需求的柴油ZHANG Zhigiang', ZHA0 Fuquan.2, YU Guanjun燃料乙醇作為一種可再生能源,可通過(guò)對含淀HAN Jielei粉的農產(chǎn)品或含纖維素的廢棄作物發(fā)酵制取.目前,(1. College of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai乙醇/汽油混合燃料已經(jīng)得到大量的研究和應201804, China: 2. Automobile Engineering Institute, Zhejiang geelyHolding group Co. Ltd, Hangzhou 311201, China)用24.乙醇作為含氧燃料,與柴油形成混合燃料將能夠有效地減少柴油機的碳煙(soot)和未燃碳氫Abstract:Fist, butanol, heptanol, biodiesel and sorbitan同時(shí)也能夠很好地緩解目前柴油的供需緊張問(wèn)題monooleate were chosen as the solubilizers. The solubilization由于乙醇分子為極性結構,而柴油具有非極性capacity of these solubilizers were researched. Then theexperiments on the ethanol-diesel blend fuels in different分子結構的特點(diǎn),導致乙醇和柴油之間無(wú)法直接形ethanol volume percentages (10%, 20% and 3096)成均勻和穩定的混合燃料.同時(shí),乙醇/柴油混合燃different temperatures(fom5℃to60℃) were conducted.料的物性參數隨著(zhù)乙醇體積分數和溫度的不同而出The experiential formulas about density, surface tension and現較大變化,這對柴油機的燃料噴射燃燒和排放特viscosity varied with ethanol volume percentage and性帶來(lái)重要的影響temperature were generalized Finally, the simulation本文首先根據相似相溶原理選擇四種助溶劑research for the effect of ethanol volume percentages on the(分別為兩種醇類(lèi)和兩種酯類(lèi)),對其助溶特性和長(cháng)diesel engine performance was conducted. With the increasingof ethanol volume percentage, the fuel atomizing process期穩定性進(jìn)行研究;然后對配制得到的乙醇/柴油混NO, and soot emissions合燃料進(jìn)行密度、表面張力和黏度等物性參數進(jìn)行decreased, engine power performance penalized, while測試和分析,研究其隨乙醇體積分數和溫度的變化收稱(chēng)日期:2011-05-28基金項目:國家自然科學(xué)基金(51006075);上海市重點(diǎn)學(xué)科建設項目(B303)中國煤化工第一作者:張志強(1985-),男博士生,主要研究力向為內燃機燃燒與排放控制. E mailCNMHG通訊作者:趙福全(1963—),男,教授博士生導師工學(xué)博士,主要研究方向為內燃機燃燒E-mail:Zhaotq@geely.com第8期張志強等:乙醇/柴油燃料配制和對柴油機性能影響的模擬1255規律;最后進(jìn)行乙醇/柴油混合燃料對柴油機性能影1.2.1單一助溶劑試驗響的模擬研究,分析得到最佳的乙醇體積分數首先研究單一助溶劑的助溶作用,往試管中加人7m柴油和2mL乙醇,然后用推液器每次加入乙醇/柴油混合燃料的配制0.1mL的助溶劑,振蕩攪拌后靜置10min,直到混合溶液變得澄清透明,記錄下此時(shí)總共加入的助溶1.1助溶劑的選擇劑體積試驗結果如圖1所示乙醇柴油混合燃料的配制采用滬四0號柴油和1.4無(wú)水乙醇(g(C2HOH)=99.7%),其基本參數如表1所衰1滬四0號柴油和無(wú)水乙醇基本參數Tab 1 Parameters of Hu IV 0* diesel and ethanol基本參數滬四0號柴油無(wú)水乙醇(7分子式C2 HoH000(S)/l0十六烷值閃點(diǎn)/℃13.5低熱值/kJ·kg1)42.60庚醇生物柴油Span80沸點(diǎn)/℃180.0~330.078.5圖1單一助溶劑添加體積汽化潛熱/(kJ·kg-1)著(zhù)火界限/%1.5~7.64.3~19.0Fig 1 Volumes of the single solubilizers對比兩種醇類(lèi)的添加體積可知,碳原子數較大乙醇分子為極性結構,無(wú)法與主要具有烴基的的庚醇所需添加的體積較少,比丁醇具有更好的助非極性結構的柴油形成混合燃料.為有助于乙醇在溶效果;兩種酯類(lèi)的助溶效果對比,Span80的助溶柴油中互溶,必須添加助溶劑.根據相似相溶原理,效果更好;醇類(lèi)比酯類(lèi)具有更好的助溶能力助溶劑必需同時(shí)具有親油基團和親水基團,其親油1.22復合助溶劑試驗基團能夠連接柴油,親水基團能夠連接乙醇,從而實(shí)考慮“醇類(lèi)+酯類(lèi)”形成的復合助溶劑效果進(jìn)行現乙醇和柴油的互相溶解.助溶劑分布在乙醇和柴復合助溶劑試驗.具體方案如下:方案1(丁醇十生物油的界面上,相當于形成一層保護膜,保證混合燃料柴油)方案2(丁醇+Span80)方案3(庚醇+生物處于一種穩定狀態(tài)柴油)和方案4(庚醇+Span80),復合助溶劑中兩種選擇的助溶劑有丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨試劑的體積比分別為3:7,5:5和7:3糖醇單油酸酯(Span80),四種助溶劑的基本參數如如圖2所示,隨著(zhù)復合助溶劑中醇類(lèi)體積比的表2所示,丁醇和庚醇都同時(shí)具有烴基和羥基,滿(mǎn)足增加,所需添加的助溶劑體積逐漸減小,助溶效果得作為助溶劑的基團要求;生物柴油和Span80主要的到增強,表明復合助溶劑的助溶效果受醇類(lèi)的影響官能團為酯基(RCX-R),也帶有一定量的羥較大;庚醇型的復合助溶劑比丁醇型的復合助溶劑基,可以作為乙醇柴油的助溶劑衰2四種助溶劑基本參數Tab 2 Parameters of the 4 solubilizers5:5基本參數T醇庚醇生物榮油Span80投07分子式 C,OH C;H15OHC2 HsOc分子量水溶解性微溶微溶難溶難溶密度(20°C)0.8080.8220.870~0.8900.9861.2助溶劑的助溶特性試驗試驗過(guò)程用的主要儀器:量筒、燒杯、試管、玻璃方案1卡案4中國煤化工棒、帶膠圈密封的廣口瓶、推液器和試劑瓶.試驗過(guò)程環(huán)境溫度為10~15°CFig 2 VoYHCNMHGzerg同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第40卷的助溶效果要好;與單一醇類(lèi)助溶劑(庚醇)相比,復接觸,在該液體中拉動(dòng)鉑金板所需拉力由液體表面合助溶劑助溶效果欠佳,所以選擇庚醇為助溶劑張力和板的面積所決定,如此便測得表面張力采用1.2.3不同體積分數乙醇混合燃料的配制的儀器為上海方瑞儀器公司的QBZY-1表面張力以庚醇為助溶劑,配制ED0,ED20和ED30混儀測量量程為0~99mN·m1,測量精度為0.1合燃料(ED代表乙醇/柴油混合燃料,數字代表乙醇mN·m-1.體積分數ED0代表純柴油),所需庚醇的體積如圖黏度測量方法為旋轉式測量,原理是轉子旋轉3所示過(guò)程中受到待測液體的黏滯阻力產(chǎn)生黏滯扭矩,進(jìn)而帶動(dòng)指針出現一定的偏轉角,再通過(guò)換算得到待一庚醇與乙醇體積比測液體的動(dòng)力黏度.所采用的儀器是上海方瑞儀z庚醇添加體積器公司的NDJ-1S電子黏度儀,測量量程為1100000mPa·s,測量精度為±0.1mPa·s.鯊測量過(guò)程利用上海方瑞儀器公司的DC2006水槽來(lái)保持恒溫,其能夠實(shí)現5~95℃之間的恒溫溫度控制精度為0.1℃2.2不同配比乙醇/柴油混合燃料的物性參數測量2.2.1密度圖3庚醇添加體積和庚醇與乙醇體積比圖4給出不同配比下乙醇柴油混合燃料的密度Fig 3 Volumes of heptanol and volume ratiop(單位為g·cm3)隨溫度T(單位為℃)和乙醇體of heptanol and ethanol積分數的變化關(guān)系在不同溫度時(shí),隨著(zhù)乙醇體積分隨著(zhù)混合燃料中乙醇體積分數的增大需要添數的增大,混合燃料的密度降低;在不同乙醇體積分加的庚醇也增加;其中庚醇和乙醇的體積比為0數,隨著(zhù)溫度的增大,混合燃料的密度基本呈線(xiàn)性降〔如圖3右側所示)這表明每助溶1m的乙醇,需低趨勢要添加0.2mL庚醇,這一比例關(guān)系基本與柴油的體對試驗測試數據進(jìn)行擬合,可得到混合燃料的積無(wú)關(guān)密度p與乙醇體積分數g和溫度T的關(guān)系式為1.2.4混合燃料的長(cháng)期穩定性p=-0.001T+(-0.345g2-0.0493g+0.8369)將ED10,ED20和ED30乙醇/柴油混合燃料密(1)封保存在廣口瓶2個(gè)月后將其取出,混合燃料仍然0.83gEDO澄清透明沒(méi)有分層.這表明經(jīng)妥當保存,乙醇/柴油ED10ED20混合燃料能夠長(cháng)期穩定存儲0.792乙醇/柴油混合燃料物性參數測量0.772.1物性參數測試范圍和方法本文對ED10,ED20,ED30乙醇/柴油混合燃料進(jìn)行密度、表面張力和黏度等關(guān)鍵物性參數測量;測0731020304050試的溫度為5~60℃,該溫度范圍基本和柴油機中溫度/℃燃料實(shí)際溫度范圍一致.圖4混合燃料密度隨乙醇體積分數和溫度的變化關(guān)系密度測量根據經(jīng)典的阿基米德浮力原理,所采Fig 4 Density of the blend fuels variation with ethanol用的儀器是上海方瑞儀器公司的MDY-2電子密度volume percentage and temperature儀,該儀器的測量量程為0.0001~10.00002.2.2表面張力g·cm3,測量精度為士0.000g·cm3.燃料的表面張對沖的睛肚察、初始霧表面張力的測量方法有毛細上升法、最大氣泡化、二次霧化和壁d中國煤化工響壓力法拉脫法滴重法和表面波法0.本文采用拉乙醇/柴油混NMH單位為脫法,其原理是將鉑金板放在液面上與待測液體相mN·m-)隨不同乙醇體積分數q和溫度T變化關(guān)第8期張志強等:乙醇/柴油燃料配制和對柴油機性能影響的模擬系如圖5所示.不同溫度時(shí),隨著(zhù)乙醇體積分數的增大,混合燃料的表面張力逐漸降低;在不同乙醇體積分數時(shí),隨著(zhù)溫度的增大,混合燃料的表面張力呈線(xiàn)EDIO性降低趨勢-O--ED20EDO0溫度/℃圖6混合燃料黏度隨乙醇體積分數和溫度的變化關(guān)系Fig 6 Viscosity of the blend fuels varies with ethanolvolume percentage and temperature溫度/"℃圖5混合燃料表面張力隨乙醇體積分數和溫度的變化關(guān)系3乙醇/柴油混合燃料對柴油機性能Fig 5 Surface tension of the blend fuels variation with影響的模擬研究ethanol volume percentage and temperature對試驗測試數據進(jìn)行擬合,得到混合燃料的表3.1模擬研究條件和計算模型及驗證面張力a與乙醇體積分數g和溫度T的擬合公式3.1.1模擬研究條件=-0.0738T+(12.425g2-14.576g+29.105)用于模擬研究的柴油機基本參數如表3所示衰3柴油機基本參數2.2.3黏度Tab 3 Parameters of the diesel engine黏度是流體在流動(dòng)過(guò)程中內部摩擦現象的一種基本參數數值體現內部摩擦越大,黏度越大燃料相對分子質(zhì)量缸徑×沖程/(mm×mm)85×88.1壓縮比越大,意味著(zhù)分子間碳氫鍵連接越多,其黏度也將越缸數大燃油的黏度對供油系統的潤滑性和燃油的噴射冷卻方式水冷及霧化過(guò)程有非常重要的影響適當的黏度能夠保沖程數最大扭矩/(N·m)(轉速/(r·min-1))300(2200證供油系統的正常運轉,過(guò)大或過(guò)小的黏度將加劇標定功率/W(轉速/x,min-1100(4000)噴油系統的磨損,導致發(fā)動(dòng)機的機械效率降低(.燃渦流比油噴射時(shí)的前進(jìn)速度、噴霧錐角、貫穿距、霧化液滴模擬研究的轉速為2200r·min-1,總噴油質(zhì)量的大小和壁面油膜的形成等都受到黏度影響乙醇/為55mg(預噴油質(zhì)量和主噴油質(zhì)量分別為3mg和柴油混合燃料的黏度水(單位為mPa·s)隨不同乙醇52mg,噴油定時(shí)分別為上止點(diǎn)前CA( crank angle,體積分數和溫度變化關(guān)系如圖6所示不同溫度下,CA)為20和上止點(diǎn)前CA為4.由于柴油機燃燒室隨著(zhù)乙醇體積分數的增大,混合燃料的黏度降低,但具有軸對稱(chēng)特點(diǎn),為節省計算時(shí)間,計算區域根據噴在高溫時(shí)黏度隨乙醇體積分數的增大而降低的趨勢油器噴孔數(8孔)取為燃燒室的1/8,計算過(guò)程從進(jìn)減緩;不同乙醇體積分數,隨著(zhù)溫度的增大,混合燃氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻(CA為213)到排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻(CA料的黏度呈指數降低趨勢為499°).圖7給出位于上止點(diǎn)時(shí)刻的燃燒室網(wǎng)格對試驗測試數據進(jìn)行擬合,得到混合燃料的黏圖,整個(gè)燃燒室網(wǎng)格數為24127個(gè)度n與乙醇體積分數q和溫度T的關(guān)系式為3.1.2計算模型及驗證A計算模型中的湍流模型選取k--f模型],燃其中:油霧化及油膜形A=16.635g2-12.641g+7.001(4)模型燃燒模型選中國煤化工LH wallfilmme-3Z模B=-0.267g3+0.1y2-0.0133g+0.0201型(簡(jiǎn)稱(chēng)ECFM-JCNMHG及怏遠取 multi-(5) component evaporation模型,NO2和soot生成模型同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第40卷分別選取 Zeldovich模型和 Kennedy- Hiroyasu-表面、缸壁面和缸蓋底面等計算域內部壁面)Magnussen模型13.伴隨著(zhù)乙醇體積百分比的增大,混合燃料的表面張力和黏度逐漸降低(如圖5和6所示),這有利于加快燃油的蒸發(fā)和減少碰壁后燃油在壁面上的堆積0如圖10所示混合燃料的蒸發(fā)燃油質(zhì)量分數逐圖7上止點(diǎn)時(shí)刻計算網(wǎng)格ED20ED30Fig 7 Calculation model mesh on the TDC圖8和圖9為模擬得到的缸壓、NO2和soot排04放數據與試驗結果的對比,兩者基本一致,說(shuō)明所建模型是合理的,并能夠應用于后續模擬研究.試驗350370390410430模擬曲軸轉角/(°)a蒸發(fā)燃油0.10出EDIOED20ED300.06200250300350400450500曲軸轉角()圖8試驗和模擬缸壓對比0.02Fig 8 Comparison of the experimental andsimulated cylinder pressure03503703941043045曲軸轉角(°)試驗-模擬b碰壁燃油004EDO0.08EDIOED200.06002503003504004505005曲軸轉角/(圖9試驗和模擬NO2和8oot排放對比Fig 9 Comparison of the experimental and390410simulated NO, and soot emission曲軸轉角/(")油膜3.2乙醇/柴油混合燃料對燃油霧化和油膜形成的圖10不同乙醇體積分數下蒸發(fā)燃油、碰壁燃油和影響油膜質(zhì)」中國煤化工圖10給出不同乙醇體積分數下蒸發(fā)燃油、碰壁Fig10 EvaporatCNMHGinged fuel燃油和壁面形成的油膜的質(zhì)量分數的對比(質(zhì)量分vallum mass fractions數為對應質(zhì)量占噴油質(zhì)量的分數;壁面統指燃燒室with different ethanol volume percentages8張志強,等;乙醇/柴油燃料配制和對柴油機性能影響的模擬1259漸增加,燃油的霧化效果得到改善;碰壁燃油質(zhì)量分300數逐漸減少,在壁面形成的油膜逐漸減少,這樣將有L EDO10利于減少對缸壁機油的侵蝕4和降低碳氫排放=·ED303.3乙醇/柴油混合燃料對燃燒過(guò)程的影響不同乙醇體積分數下缸內壓力溫度、放熱率和累計放熱量的對比分別如圖11和12所示由于乙醇的低熱值較低(見(jiàn)表1),與柴油摻混后將導致混合燃料的低熱值降低,所以隨著(zhù)乙醇體積分數的增加,混合燃料的累計放熱量逐漸降低,缸內壓力和溫度也有一定程度的降低,如圖11所示.另430外,由于乙醇的十六烷值較低,與柴油摻混后將延長(cháng)曲軸轉角(")混合燃料的滯燃期,如圖12所示.在CA為350°到圖12不同乙醇體積分數下放熱率和累計放熱量360范圍EDO有明顯的預混燃燒放熱而混合燃料Fg.12 Rate of heat release and accumulated heat(ED10,ED20和ED30)出現預混燃燒的相位較為滯release with different ethanol volume后,并且現象較不明顯percentagesEDO. EDIOEDIOED20l2---ED3035037039041043030350370430曲軸轉角()曲軸轉角(")Noa缸內壓力1800EDIO1600ED20-. ED3014000312009002100000137041043030350370390410430曲軸轉角(°)曲軸轉角(")b缸內溫度11不同乙醇體積分數下缸內壓力和溫度圖13不同乙醇體積分數下NO2和80ot排放Fig 11 Cylinder pressure and temperature withFig 13 NO, and soot emissions with differentdifferent ethanol volume percentagesethanol volume percentages3.4乙醇/柴油混合燃料對排放物生成的影響越高越有利于NC中國煤化工隨著(zhù)乙圖13給出了不同乙醇體積分數下的NO,和醇體積分數的增CNM進(jìn)而NO2soot生成的對比.從NO生成機理可知,缸內溫度排放逐漸減少.soot生成主要條件為局部當量比大同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第40卷于1.5和缸內溫度大于1500K.乙醇作為含氧燃Pmx均有所降低,所以R降低,柴油機的燃燒噪聲降料,與柴油摻混后,能夠提高混合燃料中氧含量,進(jìn)低而降低當量比,并且缸內溫度得到一定降低,所以隨綜合而言,在保證柴油機動(dòng)力性下降不多的前著(zhù)乙醇體積分數的增加,soot排放逐漸減少提下,ED10(即乙醇體積分數為10%)能夠使柴油機3.5乙醇/柴油混合燃料對動(dòng)力性、當量比油耗和的燃燒霧化效果得到改善,NO2和soot排放降低,燃燒噪聲的影響當量比油耗和燃燒噪聲減少,因而是綜合性能最佳本文采用平均指示有效壓力P來(lái)衡量使用的混合燃料方案混合燃料時(shí)柴油機的動(dòng)力性.由于混合燃料的低熱值不同,本文采用當量比油耗Ba來(lái)比較使用4結論混合燃料時(shí)柴油機的油耗,其計算公式如下:DEISFC(6)HD(1)醇類(lèi)助溶劑比酯類(lèi)和“醇類(lèi)十酯類(lèi)”組成的式中:Bc是混合燃料的指示燃油消耗率,H是柴復合助溶劑具有更好的助溶效果本文最終選擇庚油的低熱值,HL是混合燃料的低熱值,其計算公式醇作為助溶劑,并發(fā)現隨著(zhù)乙醇濃度的增加需要添如下:加的庚醇量呈線(xiàn)性增加(100-)pD HD+pE HE(7)(2)獲得由滬四0號柴油和無(wú)水乙醇配制得到的混合燃料的密度、表面張力和黏度隨乙醇體積分式中:P為柴油密度,是乙醇密度,HE是乙醇的低數和溫度變化的經(jīng)驗公式熱值燃燒噪聲采用響振強度161R來(lái)評價(jià),響振強(3)隨著(zhù)乙醇體積分數的增加,混合燃料的霧化度越大代表燃燒噪聲越大,響振強度計算公式如下:效果有所改善,在壁面形成油膜明顯減少;由于低熱dP值的降低導致累計放熱量、缸內壓力和溫度降低,動(dòng)0.05(399.9TR7P(8)力性下降當量比油耗和燃燒噪聲降低;對缸內溫度的降低和提高燃料中氧含量有利于減少NO2和式中:()是缸內壓力變化最大值率Tm是缸8排放內溫度峰值,Pa是缸內壓力峰值.(4)ED10是綜合性能最佳的混合燃料方案圖14給出不同乙醇體積分數下P,Brs和R的對比(其中各值均除以ED0時(shí)的值按照所得的參考文獻相對值進(jìn)行繪圖).隨著(zhù)混合燃料中乙醇體積分數的增加混合燃料的低熱值降低,Pm降低,柴油機的[1]任寧寧中國石化原油加工量首次突破2億[N中國石化動(dòng)力性降低;Bx逐漸降低,表示混合燃料的能量報,20101220REN Ningning. processed crude oil of China first time breaks利用率得到改善.從圖11可知和20 million tons]. 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