燃料油膜蒸发的热重分析法研究

第51卷第11期2006年6月学通扳燃料油膜蒸发的热重分析法硏究胡宗杰①李理光于水①①上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海2000②同济大学汽车学院,上海201804E-mail:zongjie-hu@sjtu.edu.cn)摘要为深入理解不同壁面温度下的燃料油膜蒸发特性,对热重分析法和石油产品馏程测定法进行了比较.采用热重分析法在不同气氛流量和不同升温速率下,研究了不同初始厚度的90#汽油、93#汽油和O排#柴油油膜的蒸发特性,分析了加热速率、油膜厚度和气氛流量等对油膜蒸发的影响.结果表明,燃料在热重分析仪中所处的状态和环境接近内燃机中油膜的实际情况,所得结果可用于分析发动机内燃料油膜的蒸发规律;热重分析仪能用来模拟影响油膜蒸发的主要因素,可以对加热速率和油膜厚度等影喲因素进行定量的基础研究;要实现油膜较快地完全蒸发,首先要有足够高的壁面温度;提高升温速率和减小油膜厚度将缩短油膜蒸发时间;强烈的气流运动对加快油膜蒸发非常重要.加热速率为100℃/min时所得的结果,对研究柴油机冷起动和暖机工况下的油膜蒸发很有参考价值;在快速蒸发过程中,分子间强烈的相互作用使多组分互溶性混合物的蒸发并不严格按照各组分的沸点从低到高依次进行,高沸点组分会在未达到其沸点之前就已禪发;对0辩柴油,若壁面温度达到250℃,着壁油膜即能充分蒸发关键词热重分析法油膜蒸发壁面温度由于油束或混合气与壁面的相互作用,通常内优点.然而,均质压燃发动机对混合气的均质程度要燃机里都存在壁面燃料油膜.对于进气道喷射汽油求较高,釆用液体燃料时,如何制备均质混合气和减机,油束会撞击进气道壁面和进气阀背面形成油少湿壁是主要难点之一膜口2,造成进入缸内的混合气不均匀,燃油输运滞多数情况下,设计人员尽量减少燃油碰壁的发后和空燃比的瞬态漂移等例.研究证明液态油膜的存生,也有学者尝试利用油束碰壁现象来改善燃油分在是造成进气道喷射汽油机未燃碳氢排放的重要原布及与空气的混合无论采取何种技术路线,都需因之一,在冷起动和暖机工况下,油膜对有害排放的要深入研究燃料油膜蒸发的规律和特性.如前所述影响将更加突出2.与进气道喷射汽油机相比,直进气道、进气阀、活塞顶和缸套等表面都可能出现油喷汽油杋可提高约10%的转矩并降低约20%的油耗,膜,而不同湿壁位置的壁面温度相差甚大,油膜表面但直喷汽油机将产生更多的总碳氢和颗粒物排放.的气流扰动各不相同,且壁面温度和气流扰动随时研究表明,在推迟喷射模式下运行时,活塞顶上存在间变化明显.因此,内燃机内燃料油膜的蒸发环境复油膜是总碳氢排放高的主要原因;排气阀下方缸套杂多变,对其进行模拟实验研究是非常困难的.根据和活塞顶上的油膜将成为提前喷射模式下总碳氢排热学原理,建立油膜蒸发的数学模型是人们分析燃放高的主要原因;油膜的存在也被认为是颗粒物排料油膜蒸发规律和特性的有效途径之一,但模型验放增加的主要原因.对小缸径直喷柴油机,油束碰证往往缺乏直接可靠的实验数据.在中央喷射和进壁是常见现象,在燃烧室表面,尤其在活塞顶凹坑内,气道喷射汽油机中,广泛采用τⅩ经验模型来描述燃很容易形成油膜;当负荷提高、供油量增加时,油束油分布,其中τ与油膜蒸发有关,对每种型号的产品碰壁现象更是不可避免.而研究表明缸内油膜是未发动机,τ值都需按发动机转速和冷却水温度进行标燃碳氢和碳烟的重要来源;在冷起动工况下,缸内定积聚的液态燃油被认为是造成白烟的主要原因.均中国煤化工续的质量时间曲线质压燃燃烧可以同时降低氮氧化合物和颗粒物排放,温度CNMHG人员已经尝试采用并提高发动机的热效率,还具有燃烧多种燃料的能热重分析法来确定易挥发物质的蒸气压,并显示出力,在一定程度上,它综合了传统汽油机和柴油机的这种方法的优越性.热重分析法也被用来测量颗www.scichina.com1353通报第51卷第11期月2006年6月论文粒物排放中可溶性有机物的比例12,测量柴油机润氮气精密称更滑油中的碳烟含量13热重分析法的原理还被用来模拟燃油、原油和煤液化产品的蒸馏过程4.采用热重分析法原理的热重诺亚克法已显示出其在测定润滑油蒸发损失应用中的优势.作者曾尝试采用热重分析法来分析燃料油膜的蒸发特性6,本文采用ooooo该方法对内燃机内的燃料油膜蒸发开展进一步研究,热电偶1热重分析法与石油产品馏程测定法比较燃料通常,依据其蒸馏温度值分析内燃机内燃料的蒸发情况。根据国家标准,内燃机燃料蒸馏温度的测定按石油产品馏程测定法进行,测定装置如图1所铂埚示.该方法要求试样量为100mL,注入蒸馏烧瓶时试样的温度为(20±3)℃;蒸馏汽油和柴油时,从加热开始至达到初馏点(冷凝管下端滴下第1滴馏出液)所需的时间分别为5-10和10~15min;从初馏点至达到90%(体积)馏出温度或95%(体积)馏出温度所经历图2热重分析仪系统示意图的时间约为20min1因此,根据国家标准对汽油和柴油蒸馏温度的规定8分析可知,蒸馏过程中的平可见,燃油在热重分析仪内能以很薄的油膜存在,油均升温速率很低(约为5-12℃min).而且,由于燃料膜温度随炉腔内部温度的升高而迅速升高.为避免盛放在蒸馏烧瓶内,带有温度计的软木塞紧密地塞或减少试样氧化,也为了保护精密称重天平,防止炉在蒸馏烧瓶口内,液面上方无吹扫气流,燃料蒸气腔内的气体进入天平内部,通常从不同方向导入只能扩散流动.定流量的氮气或其他惰性气体,炉腔内的流动气体图2为实验所用热重分析仪的系统示意图.由图会吹扫过油膜表面,能够将燃料蒸气带出炉腔.因此热重分析仪内试样量非常少,受热均匀,升温速率高,表面有一定的气体流动,并可直接获得试样质量与温度间的关系.发动机内燃料油膜的质量非常小,铺展在壁面上,受热均匀,升温迅速,表面气体流动复杂.有研究表明,壁面温度和气体流动是影响油膜蒸发的重要因素.因此,虽然依据石油产品馏程测定法的测定结果来评价燃料本身的蒸发特性具有普遍意义,但燃料在热重分析仪中所处的状态和环境更接近内燃机中燃料油膜的实际情况,所得结果可能更适用于分析发动机内燃料油膜的蒸发规律和特性,尤其便于研究油膜蒸发与壁面温度的相关性,建立相关数值模拟模型.仪器及参数诜柽图1石油产品馏程测定装置中国煤化工1.冷凝管;2.冷凝器;3.进水支管;4.排水支管;5.蒸馏烧瓶;6.量50, TA Instruments公筒;7.温度计:8.石棉垫;9.上翠;10.喷灯;1.下罩;12.支架;司)口cNMH量灵敏度小于01吗g13.托架所用坩埚是内径为96mm的薄壁平底铂金坩埚.加1354www.scichina.com第51卷第11期200年6月斜通颉热速率分别为10,30.50和100℃/min.保护气氛N2)流量分别为30,60和100mL/mnin,环境温度约25℃试样分别为90#汽油,93#汽油和0#柴油,其理化特性参数见文献[18]对Kato1, gonzalez20和许斯都等人2研究结果的分析表明,100℃/min的加热速率与冷起动过程90#13.9gm中活塞温度的升高速率相近似.发动机类型、运行工况和湿壁位置不同,燃料油膜厚度差异很大Almkvist等人2采用激光诱导荧光法测量汽油机进气道某区域的油膜厚度时发现,因喷油策略、喷油器坩埚湿度/C和运行工况不同,油膜厚度为0~50μ m. Stanton等图4不同燃料油膜蒸发过程比较人23开展的模拟计算表明,在冷起动工况,直喷大缸径柴油机活塞顶表面的最大油膜厚度会大于200μm.垂直上升趋势.而柴油油膜在100℃之前蒸发非常缓本实验过程中,用移液器将不同体积的微量试样添慢,蒸发率基本上不超过10%,100℃以后,蒸发明显加到坩埚内,根据坩埚几何尺寸、试样密度和初始质加快,呈现先慢后快的蒸发过程量可计算得出试样初始油膜厚度(图例).实验结果曲由于当试样质量相对稳定时热重分析仪才开始线均以约95%(质量)的试样已蒸发为终点加热,所以实验过程中发现,加入汽油试样时,开始3结果与分析阶段的质量变化非常快,分析仪认为质量还没有稳图3所示为不同加热速率下,坩埚内无试样和有定,并不加热,当汽油试样中沸点非常低的组分基本定厚度0柴油油膜时,炉内温度随时间变化的情挥发完毕,试样质量变化趋缓时,热重分析仪才开始况,气氛流量均为60mL/min.图3表明,尽管坩埚内加热.因此,实验所得数据实际上对应汽油中沸点较试样的蒸发是吸热过程,图2中热电偶所测温度仍能高组分的蒸发过程.而当加入柴油试样时,不出现质代表坩埚温度或试样温度.由于热惯性,开始阶段潟量稳定过程,热重分析仪会立即开始加热,实验结果度响应滞后,实测温升曲线的斜率小于设定的加热可以描述柴油所有组分的蒸发过程.因此,采用热重速率,但实际升温速率可以很快达到设定值分析法来研究多组分挥发性试样的蒸发时,应在环境温度低于该试样快速蒸发阶段所处温度范围的条件下进行.以下分析所用试样皆为0#柴油31加热速率的影响图5和6所示为气氛流量均为60mL/min,初始0.0 um IOUT/min油膜厚度相近情况下,加热速率对油膜蒸发过程的影响.从图中可以看出,当加热速率为30,50和100℃/min时,加热速率的改变对达到同样蒸发比例所需温度的影响不大.但当加热速率为10℃/min时,达到同样蒸发比例所需温度较上述三种加热速率下200250300加热过间S所需温度低.分析认为,在壁面温度很低,升温速率图3不同加热速率下有无油膜时坩埚温度变化历程很小的情况下,时间在油膜蒸发中的作用将显现出来.由图5和6可见,在初始油膜厚度相近情况下,图4所示为当加热速率为30℃/min,气氛流量为虽然加热速率不同占沮却很相近,并低于60mL/min时,90#汽油,93#汽油和0#柴油油膜蒸发250°中国煤化工的95%体积)蒸馏过程的比较.由图可见,要达到相同的油膜蒸发比例,温度CNMHG相差甚远.分析认汽油所需温度明显比柴油所需温度低.特别是在蒸为原因在于:(1)0#柴油是多种互溶性碳氢化合物的发比例低于10%时,汽油油膜蒸发非常迅速,几乎呈混合物,在快速蒸发过程中,当低沸点组分从混合物www.scichina.com研引通抠第51卷第11206年6月1200+1249μm10/min10001+123.3 um 50T/min130μmo0tmin404号9P号7150200甘埚温度/C已蒸发质占原质量的百分北%图5油膜厚度约120μm时加热速率对蒸发过程的影响图7油膜厚度约120μm时加热速率对蒸发时间的影响F+195.2 um 10C/min09*1781+1952m082012um178.214.lm100202me 214. um0320②860甘祸温度/C落发质星占原质電的百分比/%图6油膜厚度约200μm时加热速率对蒸发过程的影响图8油膜厚度约200μm时加热速率对蒸发时间的影响内扩散出去时,由于分子间的强烈作用、部分高沸点32油膜厚度的影响组分会被带走,所以在未达到其沸点之前,较重组分图9和10所示气氛流量为60mL/min,加热速率可能已挥发,造成0#柴油的蒸发过程并不严格按照分别为50和100℃/min时,初始油膜厚度对油膜蒸发各组分的沸点从低到高依次进行,证明了 Senda等过程的影响.由图可知,减小油膜厚度能够降低同比人関的模拟计算结果;(2)如前所述,本实验与石油例蒸发所需温度.原因在于,如果油膜厚度较薄,从产品馏程测定法在试样量、加热速率和试样容器等方热表面到整个油膜的热传导速度较快,油膜底部轻面存在较大差异.需要指出的是,石油产品馏程测定法得到的是蒸发体积百分比,本实验所得为质量百分比由于初始油膜厚度接近,终点温度相近,因此,超随加热速率增大,达到相同温度所需时间必然减少,如图7和8所示.所以提高加热速率虽对终点温度影响不大,但能明显减少蒸发时间.热重分析仪可以实现较高的加热速率,但目前较难达到油膜铺展到炽热壁面时的实际升温速度.不过由于100/min的加中国煤化工热速率与冷起动过程中活塞温度的升高速率近似HCNMH GO 200 250此加热速率下所得结果对研究发动机冷起动和暖机湿度/℃工况下的油膜蒸发将很有参考价值图9加热速率为50℃/min时油膜厚度对蒸发过程的影响1356www.scichina.com第51卷第11期2006年6月荸通扳70μm的柴油油膜才能基本完全蒸发,因此燃油必将09考24m130pm在燃烧室内积聚,很容易产生白烟排放.对比分析图3358n7,8和图11,12可见,与降低油膜厚度相比,提高升0.6温速率对缩短油膜蒸发时间的作用更加明显3.3气氛流量的影响图13和14分别为气氛流量对油膜蒸发过程和蒸旋02发时间的影响.由图可知,气氛流量增加将加快油膜蒸发,缩短蒸发时间,降低蒸发终点温度.尽管热重101o2020分析仪气氛流量较小,但它的微小变化也对油膜的坩涡温度/℃蒸发产生了明显的影响,而发动机内的气流运动复图10加热速率为100℃/min时油膜厚度对蒸发过程的影响杂多变,本实验结果间接表明油膜表面的气流运动将对油膜的蒸发产生非常重要的影响质组分输运到油膜表面的阻力较小,时间较短.由于加热速率不变,所需温度降低,蒸发所需时间也必然19389m3ni减小,如图11和12所示808*3431m100ml由图12还可知,对厚度为70μm的O#柴油油膜加热速率为100℃/min时,其快速蒸发阶段(蒸发比例10%95%的持续时间也将超过50s.这表明在冷504起动阶段,发动机需要工作许多循环后,初始厚度为0.3坩埚湿度/℃叫图13加热速率为50°/min时气氛流量对蒸发过程的影响号201.2um337.5pm20304050250卫蒸发质导上标质晕的百分式%图11加热速率为50℃/min时油膜厚度对蒸发时间的影响89 unmL/in号337.5μm60 mL/minl60*343.1m100 mL/min0.1020.3040.50.6070.80910已蒸发质量占惊质的百分比/%图14加热速率为50℃/min时气氛流量对蒸发时间的影响80壁面温度和壁面-油膜间的热交换决定了油膜的+70.1m*1130升温法酬的悬京沮度,油膜附近气体的流场中国煤化工因此,要实现油膜较i0200056n0°8090m快地CNMH的壁面温度.降低油已蒸发厌量占原质量的百分比膜厚度,提高升温速率将减少油膜蒸发时间,强烈的图12加热速率为100℃/min时油膜厚度对蒸发时间的影响气体流动对加快油膜蒸发非常重要.对于0#柴油,若www.scichina.com135聶通报第51卷第11期12006年6月论文壁面温度达到250℃,着壁油膜即能充分蒸发.SAE Paper, 970043由于气氛流量较小,本实验所用热重分析仪尚3 Li J. Collings N. atake manifolds of SI engines and its application in transient condi-无法模拟汽油机进气道内油膜表面的气体流动,也tions. SAE Paper, 1999-01-1314无法模拟缸内油膜附近的气体流动.但上述分析表4 Iwamoto. Noma K. Nakayama O.cta. Development of gasoline明,热重分析仪可以进行有关加热速率和油膜厚度5 Arcoumanis C. Chang jC. flow and heat transfer cha对油膜蒸发影响的基础研究.由于热重分析仪能同of impinging transient diesel sprays. SAE Paper, 940678时测得精确的质量和温度,在一定程度上,它能为油6 Lippert M A. Stanton W D.ReDR. et al. Investigating the ef膜蒸发模型的验证提供准确定量的实验数据.ect of spray targeting and impingement on diesel engine cold startSAE Paper, 2000-01-0269结论7 Zhao F Q(Frank), Thomas W A, Dennis N A, et al. Homogeneouscharge compression ignition(HCCI) engines: Key research and(1)依据石油产品馏程测定法的测定结果来评development issues. Society of Automotive Engineers Inc USA,价燃料本身的蒸发特性具有普遍意义.燃料在热重8 Urlaub A G Chmela F G High-speed, multifuel engine: L9204分析仪内所处的状态和环境更接近内燃机中的实际FMV. SAE Paper, 740122情况,所测得的结果可用于分析发动机内燃料油膜9LuHQ. Henein NA. Walter B. Simulation of diesel engines的蒸发规律.热重分析仪能够用来模拟影响油膜蒸cold-start. SAE Paper 2003-01-008010 Pichon C, Risoul V, Trouve G, et al. Study of evaporation of or-发的主要因素,可以对加热速率和油膜厚度等影响ganic pollutants by thermogravimetric analysis: Experiments and因素进行定量的基础研究.采用热重法来研究内燃modelling. Thermochimica Acta, 1997, 306: 143-151机燃料的蒸发时,环境温度应低于该燃料轻质组分I1 Pieterse N, Focke WW. Diffusion-controlled evaporation through的沸点vimetric data. Termochimica Acta, 2003, 406:191-198(2)提高加热速率可缩短蒸发时间,但对所需终2宋崇林王亚权范国梁等热重法测量柴油机排气微粒中有机可溶成分的研究.汽车技术,2000,11:20-22点温度的影响不大,在升温过程中,油膜厚度降低能13魏荣田,周莉,卢文彤。热重分析仪测量柴油机油烟炱含量现减少蒸发所需时间,从而降低所需终点蒸发温度.油器,2003.3:52-53膜表面的气流运动将对油膜的蒸发产生非常重要的14文鹏,李凡,吴争鸣,等.气相色谱和热重技术应用于模拟蒸馏的研究进展.煤炭转化,1997,204):1-8影响.因此,要实现油膜较快地完全蒸发,首先要有15陆沁莹,李桂华,热重诺亚克法——一种新型的润滑油蒸发损足够高的壁面温度,降低油膜厚度,提高升温速率将失测定方法,润滑油,2004,19(2):4749减少油膜蒸发时间,强烈的气体流动对加快油膜蒸16胡宗杰,于水,李理光,燃料油膜蒸发特性与混合气形成边界条件的研究,内燃机学报,2005,23(6):490496发非常重要17梁汉吕.石油化T分析手册.北京:中国石化出版社,2000.143(3)对于0#柴油,若壁面温度达到250℃,着壁14618高莹.中国强制性国家标准汇编(石油卷).北京:中国标准出版油膜能充分蒸发.加热速率为100℃/min时,所得结社,2003.48-49,73-74果对研究柴油机冷起动和暖机工况下的油膜蒸发很Kato N, Moritsugu M, Shimura T, et al. Piston temperature meas有参考价值uring technology using electromagnetic induction. SAE Paper,2001012027(4)在快速蒸发过程中,由于分子间的强烈作用,20 Gonzale m, Borman L g Reitz D R. a study of diesel cold多组分互溶性混合物的蒸发并不严格按照各组分的starting using both cycle analysis and multidimensional calcula-沸点从低到高依次进行,高沸点组分会在未达到其21许斯都,史绍熙,段家修,等.复合式燃烧室壁面温度的变化规沸点之前就已挥发律及其对燃烧过程影响的研究,内燃机学报,1989,7(2):125-130致谢本工作为国家重点基础研究发展规划(编号:2222 Almkvist G, Denbratt I, Josefsson G et al. Measurement of fuel2001CB209201)资助项目film thickness in the inlet port of an S. 1. Engine by laser inducedfluorescence. SAE Paper, 952483参考文献23 Stanton W D, Rutland J C. Modeling fuel film formation and wallI Senda J, Ohnishi M, Takahashi T, et al. Measurement and model- 24中国煤化工90628ing on wall wetted fuel film profile and mixture preparation inindeling and measurement onCNMHGr fuels SAE Paper, 2000-take port of SI engine. SAE Paper, 1999-01-079801-02802 Rudolf H S, Matthew J H, Ronald D M. In-cylinder fuel transpoduring the first cranking cycles in a port injected 4-valve engine.2005-06-08收稿,2006-01-23接受)1358www.scichina.com