生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃烧过程模拟与分析

2014年5月现代电子技术May 2014第37卷第10期Modern Electronics TechniqueVol 37 No 10生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃烧过程模拟与分析蒋超宇,姚国仲,申立中,刘少华(昆明理工大学交通工程学院,云南昆明650224)摘要:为了研究生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃烧特性,使用AVL-FBE软件对纯柴油和B3OE10(含30%体积分数的生物柴油,10%体积分数的乙醇和60%体积分数柴油的生物柴油-乙醇-柴油混合燃料)的缸内燃烧和喷雾过程进行模拟分析,将燃烧室进行切片,比较了两种燃料的速度场、压力场和温度场变仳及变化规律。研究结果表明:在燃烧初期,B3OEI0燃烧比柴油慢,随着燃烧的进行,当燃油堆积于燃烧室凹槽后,B3θElθ在缸内的燃烧速度、压力和缸内温度均比柴油低关键词:生物柴油-乙醇-柴油混合燃料;燃烧过程分析;喷雾过程模拟;燃烧室中图分类号:TN91-34;TK421文献标识码:A文章编号: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泛的应用。但是基于试验条件、测试技术水平等方面的0引言考虑,试验研究手段又存在着一定的局限性。随着计算生物柴油作为可再生能源,是由动物脂肪或者植物机飞速发展及其计算流体力学、计算传热学等基础理论油通过酯化反应制成的脂肪酸甲酯燃料,且理化特性接研究的深入,柴油机燃烧和喷雾的数值模拟逐渐形成了近柴油。生物柴油相对柴油有较高的十六烷值和闪点个独立的发展分支。它以实验和基本理论的研究成硫含量低。乙醇具有较低的粘度和沸点,有利于改善燃果为基础,通过计算机把实验硏究、理论分析和科学计油混合气的雾化效果。生物柴油和乙醇的“自携氧”特算有机地融为一体。它具有调整参数方便、运行速度点,对于提高发动机的热效率和降低碳烟排放具有积极快、成本低的优点,可以在众多的影响因素中找岀关键作用。近年来国内外硏究人员对柴油机燃用生物柴油的控制变量,优化实验与设计方案,降低产品的研制周和乙醇进行了大量研究。研究发现,完全燃烧乙醇,技期及费用术难点是乙醇在缸内着火非常困难。生物柴油的粘度鉴于模拟仿真的可靠性及方便性,在互溶范围内,大,雾化性能差,喷油器易结、堵塞,蒸发性差造成冷启将生物柴油、乙醇、柴油分别按照体积比为30%,10%动困难。考虑生物柴油和乙醇的理化特性及其在发动60%配置成B3OE10混合燃料,采用AVL-FIRE软件对机上的应用情况,将生物柴油、乙醇和柴油混合,能够很B30E10在缸内的燃烧和喷雰过程进行模拟计算,分析好地运用燃料各自的优势,在保证柴油机的动力性、燃其变化发展规律及其与柴油的差异。油经济性变化不大的同时,有效降低碳烟的排放。试验研究作为探索柴油机燃烧过程的主要手段,得到了广Ⅰ计算模型建立及验证1.1试验燃料禾中国煤化工试验燃料的收稿日期:2014-0208HHCNMHG用发动机参数6现代电子技术2014年第37卷如表1和表2所示。发动机为直列四缸、四冲程、水冷7=450+80×(n-100/3000高压共轨柴油机。T=530+70×(n-1000/300表1试验燃料的主要理化性质式中:h为行程;n为转速;h为最大气门冲程。生物柴油柴油B30E10计算得到,湍流动能TKE=22.2338m2/s2,湍流长相对密度0.88000.78930.83790.8451度尺寸TIS=0.004827m,缸盖壁面温度为T=544K缸套壁面温度T=482K,活塞顶部温度T=558K十六烷值31861.4计算模型选取运动粘度1.2湍流模型选择目前广泛使用的是K-Zeta-F双方程燃料低热值26.77842.84540.3湍流模型,计算方法采用 Simplec,燃烧模型选择 Coher-含氧量1034.80ent flame model(相关火焰模型),NOx的生成模型采用表2发动机主要参数Extended Zeldovich,碳烟生成模型选择 Kinetic model计算中的喷雾破碎模型采用了wAVE离散模型,此模发动机型号YN30CER标定功率/标定转速79 kw/2 200 r/min型认为不稳定波的振幅大于临界值时,液滴即将发生分缸径x行程x连杆长度95mmx105mmx170mm裂,而且调参数不多,结果可靠。蒸发模型采用了 Multi燃烧室形式型component模型,这是假设了油滴是在不可压的气体中蒸发的。碰壁模型选择 Walljetl1.2网格划分1.5模型的验证主要研究发动机从进气门关闭(584°CA)到排气门表3和图3表示发动机在2200r/min,200N·m下打开(860CA)时段的缸内燃烧、喷雾情况。图1为缸的缸内压力试验值和仿真值的对比情况。可以看出,仿内上止点的计算网格,网格数为130300个。真结果和试验结果基本一致,误差最大不超过8%。试图2为缸内下止点计算网格,网格数为475300个。验和仿真结果中压力偏差的主要原因是部分边界条件根据经验所得,与真实值有一定差异。但总体来说,试验结果和仿真结果基本吻合,此模型可以用来仿真发动机缸内的燃烧和喷雾过程。表3缸内压力的试验与模拟对比图1计算网格(上止点)曲轴转角PCA320360370420试验压力/ar14.3780.6187.3815.4480.9986.4815.89224247270293316339362385408431454477500图2计算网格(下止点)1.3计算初始条件图3缸内压力试验值与模拟值比较初始压力P=0.188MPa,初始温度T=340K,涡流比取S/T=16。式(1)~式(5)表示湍流动能,湍流长度,缸2计算结果分析盖壁面温度,缸套壁面温度以及活塞顶部温度的经验计2.1速度场分布算公式图4为两种燃料在不同曲轴转角下的缸内混合气TKE(1)速度场分布。可以看出:缸内最大流速出现在上止点的油束喷射附近,恰怏烧后缸内混合气速度会TLS=h /2下降,伴随着燃中国煤化工部。主要原因7=520+60X(n-1000/300(3)是缸内的速度CNMHG喷射、缸內燃第10期蒋超宇等生物柴油-乙醇柴油混合燃料的燃烧过程模拟与分析烧、活塞运动等因素共同影响的,当喷油开始阶段主要聚集。是受燃油的高速喷射和活塞压缩影响,导致在油束附近形成高速区。在不同曲轴转角下,B3OE10的速度较纯柴油小,主要是由于B30E10相对纯柴油粘度较大,导致燃油喷射和燃烧时油束扩散较慢,缸内的速度相对纯柴油较小。(a)纯荣油(7158℃A)(b)纯柴油(720CA)a)纯柴油(7158℃CA)(b)纯柴油(720CA)(c)纯柴油(739.8CA)(d)B3OE10(7158℃A)7(c)纯柴油(298CA)(d)B3OE10(158℃A)(e)B3OE10720°A)(f)B3OE10(7398°CA图5压力场分布(e)B30E10720℃CA(B3OE10(729.8℃A)图4速度场分布22压力场分布(a)纯柴油(7158°CA)(b)纯柴油(720°CA图5为两种燃料的压力场分布。从图中可以看出,当燃油开始喷射时,压力场最大区域主要集中油束中心区域,随着活塞上行,缸内开始燃烧后,缸内平均压力增加,在上止点后10°CA附近出现最大压力值。由于B30E10粘度比柴油大,导致B30E10燃油在油束分裂过(c)纯柴油(739.8CA)(d)B30E10(7158°CA)程中较慢,燃油和空气混合相对于柴油较差,燃烧效率降低。而B30E10的热值低于柴油,在燃烧过程中放热量较少,形成局布区域压力小于柴油。随着燃烧的进行,缸内混合气出现不均匀分布,主要由于活塞下行,缸内混合气流向间隙形成局部高压区2.3温度场分布(e)B30E10(720°CA)(f)B30E100398°CA)图6为两种燃油在不同曲轴转角下的温度场分布图6温度场分布情况。从图中可以看出:在燃油开始喷射,但是还未燃由于B30E10的热值相对于纯柴油较低,导致缸内烧时,缸内温度比较均匀。在活塞到达上止点,缸内体燃烧时放热量较小,在燃油开始燃烧前,两种燃油对应积压缩壁面温度升高,而油束周围形成可燃混合气,在的缸内温度相差不大,当燃油和空气形成可燃气体开始此条件下,这部分可燃气体开始燃烧放热。在活塞开始剧烈燃烧时,B九小于纯柴油下行之后,缸内的高温气体分为两部分,一部分随着活中国煤化工塞下行扩散到活塞缝隙,下面的髙温气体向燃烧室底部CNMHG下转第11页)第10期于彤等基于BP神经网络的客户信用风险评价1黄隽,章艳红商业银行的风险:规模和非利息收入:以美国为例J金融研究,2010(6):79-94.2]席颖浅析我国商业银行信用风险的防范法制与社会2011(12):110-1111001203]王珊珊,吕建浅析新巴塞尔协议及其对我国银行的影响时代金融,2011(12):80-81图4 Logistic回归预测误差4]金贝杯简述新巴塞尔协议对旧巴塞尔协议国际银行监管思想的发展[金融天地,2011(2):134-1354结语5 BAESENS B, SETIONO R, MUES C, et al. Using neural network rule extraction and decision tables for credit -risk evalua-我国商业银行应积极响应新巴塞尔协议的要求,提tion [J]. Management Science, 2003, 49(3): 312-329高信用风险评估技术,提高信用评估的准确性,促进银61张能福张佳改进的KMV模型在我国上市公司信用风险度行业风险管理、社会信用体系的建设。不仅应从技术层量中的应用小预测,2010(5:50-54面来改善,更应该从制度层面上进行整体完善,从而提7吴松,张冬鹏,胡煊.一种预定义规则的数据挖掘方法在商业供制度保障。银行审计中的应用J信息系统工程银行应借鉴并改进国际先进的信用评估技术,同时8李颖超商业银行基于KMY模型对上市公司客户信用风险度还需健全规范内部控制制度、完善信用评估系统、建立量研究D重庆:西南政法大学,2012合理的激励机制来加强银行的信用风险管理。此外,企9罗晓光,刘飞虎基于 Logisti归法的商业银行财务风险预警模型研究肌金融发展研究,2011(11):57-61.业应增强自身的信用意识和社会责任感,并建立企业内01张传新,王光伟基于主成分分析和 Logit模型的商业银行引部的信用风险管理制度。最后,政府应完善我国的信用用风险度量研究[西部经济管理论坛,2012,23(4):17-2体系的法制建设、信息管理建设,发挥信用中介的积极梁硕商业银行信用风险模型研究D北京:首都经济贸易大作用。2011作者简介:于彤(1990—),女,江苏扬州人,硕士。主要从事金融管理研究工作。李海东(1988—),男,江苏南通人,硕士。主要从事计算机算法设计工作。(上接第7页)料的试验研究[广西大学学报,2006,31(3):185-1893结语2]徐国强,张红梅,高献坤柴油机燃用生物质燃油:柴油混合燃对纯柴油和B30E10两种燃油在2200r/min料燃烧特性的研究河南农业大学报,2004,38(2):211-214200N·m工况下的燃烧过程进行模拟计算分析如下3]马勇,陆蓉蓉,陈怀望.柴油机燃烧室改进的模拟仿真研究卩(1)在缸内的燃油喷射阶段,油東中心区域压力较内燃机,2012(1):23-24大,油束边缘区域速度较高;燃烧后期由于燃油堆积于4 HOON K N,sUYN,1 O-han N. Simulation of biodiesel凹槽处,使缸内的凹槽成为缸内温度和压力局部分布较bustion in a light-duty diesel engine using integrated con大区域。pact biodiesel-diesel reaction mechanism [J]. Applied Energy2013,102:1275-12872)在燃烧初期,B3OEl0燃烧比柴油慢,随着燃烧5张梦云 DLHI1O5柴油机工作过程数值模拟与燃烧室改进研的进行,当燃油堆积于凹槽后,B30E10在缸内的燃烧速究[D镇江:江苏大学,2010度、压力和温度均低于燃用柴油的对应值。6]姚照辉,吴宝元,梁俊龙冲压发动机燃烧引起激波运动过程维分析[火箭推进,2013(2):52-58「η]任正达,聂万胜,陈新华甲烷喷射温度对燃烧稳定性影响规I]黄锦成,刘海峰,张全长.柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃律研究火箭3(4).36-40中国煤化工作者简介:蒋超宇(1989—),男,硕士研究生。研究方向为内燃机测试与控制。CNMHG