燃料特性对乙醇-正丁醇-十四烷燃油雾化特性的影响分析

第6卷第1期汽车工程学报Vol 6 No I2016年1月Chinese journal of Automotive EngineeringJan.2016燃料特性对乙醇-正丁醇十四烷燃油雾化特性的影响分析胡鹏,王伟,琚雪明(奇瑞汽车股份有限公司动力总成技术中心,安徽,芜湖241009)摘要:为探讨燃料特性促进柴油机缸内乙醇柴油雾化过程的影响机理,采用单组份十四烷代替实际多组分柴油,利用经典KH模型和TAB模型数值分析燃料特性对乙醇一正丁醇一十四烷混合燃料初次和二次雾化的影响规律。结果表明,十四烷中掺混乙醇和正丁醇后初次雾化团块液核半径和破碎时间均降低,有助于燃油在喷油器油嘴附近撕裂,促进柴油机近喷嘴区燃油初次雾化;在相冋的条件下,乙醇柴油理化性质对二次雾化的影响很小;液滴半径越小,破碎后 Sauter平均半径和破碎时间对半径増量敏感性越强,越容易发生二次雾化;良好初次雾化和液滴蒸发特性促进液滴二次雾化和液滴蒸发。关键词:内燃机;乙醇柴油:燃料特性;初次雾化;二次雾化中图分类号:TK402文献标识码: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基金项目:江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXZZ120675)中国煤化工参考文献引用格式胡鹏,王伟,琚雪明燃料特性对乙醇一正丁醇-十四烷燃油雾化特性的影响分析门汽车工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汽车工程学报第6卷随着石油供需矛盾的不断加剧,代用清洁燃料而是连续的射流。连续射流在缸内各种动力和静力的研究越来越受到重视。乙醇是一种可再生的清洁的作用下破裂,其破裂过程与单个油滴的破裂过程含氧燃料,借助助溶剂制备乙醇柴油,具有广阔的有很大的区别。利用 Reize等建立的KH模型描述应用前景。随着柴油机向着高效、清洁和低CO2排连续射流破碎过程9(图1),油团半径r和液放发展,需要深入了解多组分燃料乙醇柴油在缸内雾流的破裂时间r由式(1)和式(2)计算。雾化燃烧行为的细节,利用燃料的理化性质协同燃烧边界优化控制燃烧路径,实现“油、气、室”三者的优化匹配。在柴油机和直喷式汽油机中,都是oo opoo o将燃油直接喷λ燃烧室内,液相燃油射流要经历破oRDooR碎和雾化、蒸发、与空气混合直至燃烧。oL/D国内外许多学者研究了乙醇柴油燃料理化特性n对内燃机燃烧和排放的影响4,结果表明,柴油中掺混醇后,燃油雾化效果改善,油气混合速率提高。上述研究结果是各种因素的综合效果,笔者为了探明乙醇柴油燃油特性促进缸内燃油雾化蒸发的图1射流破裂KH模型根本原因,对燃油进入缸内后的物理化学子过程进行逐步研究。首先研究正十二烷单液滴在含乙醇氛图中:L为喷嘴孔长,cm;D为喷嘴直径,R围中的蒸发特性以及乙醇柴油液滴蒸发特性,为转角半径,cm:u为小油滴相对速度,cms;L1结果表明,空气中含低质量分数乙醇蒸气对十二烷为破裂长度,cm;F为初始油滴半径,cm;为波长,单液滴蒸发没有明显影响,这说明乙醇柴油中优先cm:;η为波高,cms蒸发出来的低质量分数的醇蒸气(由于柴油机燃油r'=B0A。(1)质量占缸内气体质量分数很低)对柴油蒸气扩散的3726B7传质数没有影响,同时乙醇柴油中由于掺混乙醇而显著促进液滴蒸发。式中:B=061;A为对应于燃料表面 Kelvin-Helmholtz内燃机燃油射流属于喷雾流,在喷嘴附近存在波的波长,cm;r为破碎前的油团半径,cm;g为丝状和膜状液流以及其进一步分裂的液滴群。由于初期形成的液流和液滴后期进一步分裂有相似性,Kelvin-Helmholtz波的频率;B1为常数,其值为40。因此本文在相同环境条件下研究燃料特性对单一液由式(1)和式(2)可知,作用在射流表面增长最快的扰动波波长A可反映液滴破碎后半径规律,流油团和液滴破碎的影响规律。由于经典的KH和液滴破碎后半径与波长A成正比;Ω和A乘积反TAB模型的有效性已得到研究者验证,因此利用其计算燃油连续射流初次雾化和液滴二次雾化过程映破碎时间,令P=9A,这样破碎时间与Ps探讨乙醇柴油燃料特性并对初次和二次雾化基础问成正比。9和A的计算公式如式(3)。题进行研究,为后续研究乙醇柴油特性对燃油喷雾90(1+04520)(1+0470)流局部的平衡区涡团脉动,以及探明乙醇柴油燃油1+0:8572)特性促进缸内燃油雾化蒸发的根本原因奠定基础。(3)0.34+0.38形e151初次和二次雾化计算模型(1+1406)1or中国煤化工11初次雾化计算式中:下机CNMHG相;为液相表从喷嘴孔射出的燃油实际上并非离散的油滴,面正应力,Pa;P为液相表面密度,kgm3:p为液相第1期胡鹏等:燃料特性对乙醇一正丁醇一十四烷燃油雾化特性的影响分析表面动力粘度系数,Pa·s。无量纲变量被定义为: Sauter平均半径。z=We/Re、T=z√we、We=pr/o、和He2=toup22r/和Re=urp/μ。12液滴二次雾化计算r32(8)直径为d的液滴以速度u在速度为u2的气流中相对运动时,其受力分析如图2所示y(0=n+exp12/cos(ar)+We/12x当地动Pg2r04pr210006090120150180()801.(10)→表面张力),r t一气动压力13混合燃料物性参数计算图2单液滴受力分析研究燃料特性对连续射流初次雾化和液滴二液滴一半对另一半的吸引力为次雾化的影响分析,涉及十四烷、乙醇和正丁醇在由于气流作用在球面上的压力分布,他多54)370K和500时的密度、表面张力和动力粘度系数,f =tdo滴在记十四烷、乙醇和丁醇分别为组分1、组分2和组垂直于气流方向上拉开的力正比于气动压力及液滴分3。本文根据文献[6]和[10],获得三种燃料的的迎风面积:密度、表面张力和动力粘度系数,见表1和表2。=k025d2×052(2±n)表1燃料温度为370K时的物性参数物性参数乙醇正丁醇式中:d为直径,m;o为表面张力系数,Nm;P密度p(kg,m)707.51722.78为气流密度,kg/m3;k为系数;u2和u分别为液滴表面张力可(N,m)196×102172×102178×102和气流速度,m/s动力粘度系数(Pas)714×1043.18×10588×10由于蒸发和气流阻力的作用,上式中的d和u1表2燃料温度为500K时的物性参数是随时间改变的,因此,为处理数据方便,以初始物性参数十四烷乙醇正丁醇直径d和气流速度v2来表示气流与液滴的相对速密度p(kgmy606.970.58570.65度。液滴变形的条件为表面张力a/(N·m2)1.05×1022.18×103644×10动力粘度系数(Pa·s)2.41×104649×103123×104P(6)混合燃料中十四烷、乙醇和正丁醇的质量分数式(6)左边的物理意义为气动力与表面张力分别为y1、y2和y,对应的密度分别P1、P2和P,的比值,即为韦伯数W。摩尔质量分别为M、M2和M,则混合燃料中组分开始变形破碎的韦伯数称为临界韦伯数,记为i的摩尔分数为:,。接下来按照TAB模型计算液滴二次雾化的y/y破碎时间和破碎后半径,具体为:①按式(7)进RYH(11)中国煤化工行计算液滴破裂时间;②联合式(7)~(9),并CNMHG法则进行计算:进行离散,代入t=t可计算分裂产生的油滴群的①乙醇柴油的密度采用式(12)计算;②混合燃料046汽车工程学报第6卷的表面张力、粘度和摩尔质量用式(13)计算。0.065月(12)0.059P=∑x/P。(13)0.057式中:P为混合燃料物性值(除密度外);x为第i0.055十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10种组分的摩尔分数;P为第i种组分的物性值。油品b)不同燃料对P的影响2计算结果与分析图3燃料特性对燃料初次雾化影响21对初次雾化的影响注:喷孔直径为0235mm;液滴与气相相对速度为40m/s;介质密度12kg/m3;燃油温度为370K;N和E后面数字分别代表图3为燃料特性对初次雾化特征参数Ω和Ps正丁醇和乙醇的质量分数变化的影响关系。由图3可知:(1)十四烷中掺醇后射流表面增长最快的扰动波的波长A降低。与22对液滴二次雾化的影响十四烷相比,N5E5、NSE10、N5E15和N10E10由式(7)可知,临界韦伯数主要与液滴直径、的A降幅分别为476%、7.65%、9.95%和7.96%气流与液滴的相对速度的平方成正比,与燃料的表由于破碎出来的液滴半径正比于增长最快的扰动波面张力成反比。由式(8)可知,破碎时间与燃料的波长,因此十四烷中掺混醇有助于降低连续的射表面张力和密度有关。由文献]中液滴蒸发特性流破碎后团块液核半径。(2)与十四烷相比,所和燃料属性对初始雾化的液滴半径可知,在相同时有乙醇柴油的初次雾化破碎参数P5降低;NE5、刻和相同位置喷入缸内的乙醇柴油和柴油,乙醇柴NE10、NE15和Nl0E10的P3降幅分别为2.12%油液滴比柴油液滴更加容易发生破碎,而发生破碎时间需要进一步考察。接下来研究当介质密度、液4.08%、5.72%和3.59%。由于破碎时间正比于破碎滴直径和气液相对速度相同时,由于燃料配比的改参数Ps,柴油机燃用乙醇柴油时初次雾化破碎时间变导致发生破碎的临界韦伯数及破碎时间具体比例缩短。因此在相同的喷射条件下十四烷掺醇后,有关系。助于燃油在喷油器油嘴附近撕裂,促进缸内燃油初图4为乙醇柴油液滴(温度为370K和500K)次雾化。(3)随着乙醇柴油中添加醇的质量分数的的临界韦伯数和破碎时间的直方图。由图可知增加,乙醇柴油初次雾化后燃料破碎半径和破碎时(1)乙醇柴油的临界韦伯数均高于十四烷,表明乙醇间均降低,且添加相同质量分数的乙醇降低效果更柴油液滴比十四烷更难发生破碎。温度为370K的加明显。液滴临界韦伯数增加幅值较小,而温度为500K的液滴韦伯数増幅较大。与十四烷相比,液滴温度18.5370K时,NE5、N5E10、N5E15和Nl0E0的韦17,5伯数增幅分别为328%494%、6.31%和5.59%0液滴温度为500K时,N5E5、N5E10、NE15和15.5N10E10的韦伯数增幅分别为2167%、38.49%十四烷NSE5N5E10N5E15N10E1055%和中国煤化工柴油的破碎时间油品均高于十四HCNMHG界韦伯数增加相(a)不同燃料对A的影响对应。与十四烷相比,液滴温度350K时,N5E5、胡鹏等:燃料特性对乙醇一正丁醇一十四烷燃油雾化特性的影响分析047N5E10、N5E15和N10E10的破碎时间增幅分别12X为1.83%、270%、3.42%和3.16%;液滴温度为l1×1010X10500K时,N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的回9×10破碎时间增幅分别为10.%、17.45%、24.41%和8×1018.84%。(3)乙醇柴油中乙醇或正丁醇的质量分数7×106×10增加,其临界韦伯数和破碎时间均增加。(4)结合5×1十四烷N5E5N5E0NE15N0E10文献[1]中单液滴蒸发特性,可知在液滴温度升高油品至500K时,液滴中乙醇和正丁醇质量分数非常小,(d)液滴温度500K醇对二次雾化作用较小。也就是说,柴油中掺混乙图4燃料特性对液滴破碎的影响醇,混合燃料液滴临界韦伯数和破碎时间增加,但注:液滴直径为∂0μ:液滴与气相相对速度为4ms:介质密度为kgm是增幅较小。2.0十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10(a)液滴温度370K油品(a)液滴温度370K十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10(b)液滴温度500K十四烷N5E5N5E10N5E15NOE10图5燃料特性对破碎后 Sauter平均半径的影响油品(b)液滴温度500K图5是乙醇柴油液滴(温度为370K和500K)破碎后的 Sauter平均半径变化情况,其中初始参8×10°数和图3一致。由图可知:(1)十四烷中掺醇后,液滴破碎后 Sauter平均半径变化规律与温度有关,6×10°这是由于液滴破碎后 Sauter平均半径与密度有关,管5×10而十四烷、乙醇和正丁醇三者的密度大小关系取决4×10°于液体温度。当液滴温度为370K时,三者的密度3×10°十四烷N5E5NSE10N5E15NoE10关系为:500K时,TH中国煤化工当液滴温度为CNMHG十四烷>乙醇>(c)液滴温度370K正丁醇。液滴温度为370K,不同配比的乙醇柴油048汽车工程学报第6卷液滴破碎后 Sauter平均半径均增加,但增幅较小,液滴半径5um与十四烷相比, Sauter平均半径增幅分别为1.12%4-液滴半径10pm…·液滴半径195%、2.61%和1.92%。液滴温度为500K时,乙醇柴油液滴破碎后 Sauter平均半径均降低,与8唱回滥塔十四烷相比,该温度下 Sauter平均半径降幅分别为1.70%、3,24%、4.83%和3.27%。(2)随着十四烷LEm.x.0.10.20.30.40.50.60.70.80.9中掺醇比例的增加,破碎后 Sauter平均半径变化幅液滴半径增量△rum值减小。液滴温度为500K时,燃料中乙醇和正丁醇的质量分数很低,因此在柴油中掺混低质量分数图6液滴半径变化对二次雾化特征参数的影响的乙醇或正丁醇,液滴破碎后 Sauter平均半径变化规律更加接近液滴温度为370K的情况。综上所述,时间缩短。结合燃料特性对缸内射流初始雾化的影随着液滴蒸发和破碎的进行,乙醇柴油燃料特性对响,由于初始雾化后形成的液滴群是二次雾化液滴破碎后 Sauter平均半径影响很小。的来源,因此燃用乙醇柴油时缸内射流初次雾化后由图5可知,液滴温度为370K时,乙醇柴油液滴半径的减小会进一步促进液滴二次雾化(2)在燃料特性对临界韦伯数、破碎时间和破碎后 Sauter相同的液滴半径增量的基础上,液滴半径越小,破平均半径的影响非常小。根据计算结果,乙醇柴油碎后 Sauter平均半径和破碎时间对半径增量敏感性本身理化性质并不能促进柴油机缸内二次雾化,对越强。因此当柴油机燃用乙醇柴油时,由于乙醇柴二次雾化起阻碍作用,但影响很小。油具有较好的初次雾化以及蒸发特性,使乙醇柴油23二次雾化参数对液滴半径敏感性分析在柴油机缸内最终雾化效果优于传统燃料柴油。由文献[门]中乙醇柴油和柴油液滴蒸发特性与结论前文所述燃料属性对缸内射流初次雾化的影响可知,(1)十四烷中醇后初次雾化团块液核半径和破相同喷射条件下,乙醇柴油液滴半径小于柴油液滴,碎时间均降低,有助于燃油在喷油器油嘴附近撕裂而液滴二次雾化特征参数与液滴半径有关,因此研究促进缸内燃油初次雾化。随着乙醇柴油中添加醇的液滴二次雾化对液滴半径的敏感性分析,如图6所示质量分数增加,乙醇柴油初次雾化后燃油破碎半径由图6可知:(1)随着液滴半径增幅的增加,和破碎时间均降低,且添加相同质量分数的乙醇降破碎后Saur平均半径和破碎时间的增幅均增加。低效果更加明显。当液滴半径增量为1μm时,液滴半径为10m的破(2)在相同的条件下,乙醇柴油理化性质并不碎后 Sauter均半径和破碎时间增幅分别为997%能促进柴油机缸内二次雾化,对二次雾化起阻碍作和1537%。同时由式(7)可知,破碎时间的降低幅用,但影响很小。与十四烷相比,液滴温度350K时值与液滴半径r3成正比,因此液滴半径降低,破碎N5E5、NE10、N5E15和N10E10的破碎时间增幅分别为1.83%、270%、342%和3.16%鲁液滴半径5um一液滴半径10m(3)在相同的液滴半径增量的基础上,液滴半M·液滴半径15pm径越小,破碎后 Sauter平均半径和破碎时间对半径增量敏感性越强,越容易发生二次雾化。(4)由于初始雾化后形成的液滴群是二次雾化液滴的来0.80.90.10H中国煤化工射流初次雾化后液滴半径增量△rjm液滴半径CNMHG同时乙醇柴油具有良好的液滴蒸发特性,也会促进液滴二次雾化。第1期胡鹏等:燃料特性对乙醇一正丁醇-十四烷燃油雾化特性的影响分析049参考文献( 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