温度对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响

第2期内燃机2011年4月Internal Combustion EnginesApr. 2011温度对乙醇重整嘛料发动祝充气效率的影响周越,董健,郑亮,欧阳林(武汉理工大学能源与动力工程学院,湖北武汉430063)摘要:一种简化计算公式能够描述进气温度变化对内燃机充气效率的影响。同时采用工作过程仿真和笔者提出的计算公式比较,考虑了发动机负荷、转速、发动机排量、进气入口空气温度和乙醇重整燃料温度等因素,计算分析了温度对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响。简化计算公式的计算结果与工作过程仿真的计算结果非常接近,二者的最大差值小于0.5%;计算结果表明,由于高温乙醇重整燃料引起的进气温度变化,导致充气效率下降3%~7%。关键词:温度;乙醇重整燃料;充气效率;内燃机TK401文献标识码:A文章编号:1000-6494(2011)02-0026-04Effects of Temperature on Charging Efficiency ofEthanol-reforming Fuel EngineZHOU Yue, DONG Jian, ZHENG Liang, OUYANG LinSchool of Energy and Power Engineering, Wuhan University ofScience and Technology, Wuhan 430063, ChinaAbstract: A simplified calculation formula can describe effects of intake temperature variation on charging efficiency ofinternal combustion engine. Compared working process simulation to the formula mentioned above, in view of the followingfactors, engine load, rotate speed, delivery capacity, air temperature in inlet and ethanol reforming fuel temperature, theper analyzes effects of the temperature on charging efficiency. The two calculation results are very approximate. The maxum difference is smaller than 0. 5%. The results show that the variation of intake temperature caused by high-tempera-3%-7%Key words: temperature; ethanol -reforming fuel; charging efficiency; internal combustion engine图1所示为一种内燃机改装的乙醇重整燃料发进气动机系统。催化重整器利用发动机排气提供热量高温重整燃料液体乙醇经过重整器成为富氢的乙醇重整燃料,高混合气温重整燃料完全或者部分替代汽油(柴油),在进气道与空气混合后进入气缸。富氢的乙醇重整燃料有助于改善燃烧。但是相比较原型发动机,乙醇重整燃料发动机的充气○排气效率急剧下降,将导致发动机的动力性能下降2催化重整器乙醇基金项目:湖北省自然科学基金重点项目(2009CDA029);图1乙醇重整发动机系统中央高校基本科研业务费专项资金资助作者简介:周越(1986-),男,湖北黄梅县人,在读硕士,主要研究方向是内燃机代用燃料与性能优化。HCNMHG收稿日期:2010-11-25第2期周越等:温度对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响文献[2]提出了乙醇重整燃料对发动机充气效率的影响的计算公式,可以预测完全燃用或者部分2乙醇重整燃料温度对进气(入口)温度的掺烧乙醇重整燃料对S发动机充气效率和柴油机影响充气效率的影响。假定系统混合前后的压力相等,且系统中各组实际上乙醇重整燃料对发动机充气效率的影分的压力相等,系统混合前后的总摩尔量相等。响可能比文献[2]中计算公式的计算结果偏大,这根据理想气体状态方程和数学推导,与重整燃是因为文献[2]中的计算公式均未考虑高温乙醇重料混合后的进气入口温度可以表示为整燃料引起的进气温度变化对充气效率的影响。t'=n Vd·A·L)事实上,在乙醇重整发动机中,由于高温重整燃料采用预混合方式进入气缸,将使得混合气的温度有所提高,而且进气(人口)温度的变化将影响缸内进气终点的气体温度,导致充气效率下降,见图2t+d:A··(2)中·A·lo·ur+空气温度t式中,t为重整燃料混合前的进气入口温度,K;为与重整燃料混合后的进气入口温度,K;t为重混合后温度t高温重整燃料t整燃料温度,K;no,n/分别为空气摩尔量和重整燃料的摩尔量,mol;Va,V分别为空气在气缸中所占的容积和重整燃料在气缸中所占的容积,L;λ,L0分别为乙醇重整发动机的过量空气系数和乙醇重整进气终点燃料的理论空燃比;μ。为空气的平均分子量,缸壁温度tu缸内气体温度Tkg/mol;μ为重整燃料的平均分子量。可根据重整燃料的各组分的摩尔浓度x;和各组分的分子量u1计算求取(μ=Σx·μ;);为重整燃料的(热量)当图2重整燃料温度对充气效率的影响量掺烧比例,即d=(掺烧的乙醇重整燃料量·乙醇重整燃料热值)(原型发动机燃料量·原型发动1乙醇重整燃料温度对充气效率的影响机燃料热值)。对于完全燃用重整燃料d=1.0;对假定进气过程中气体常数不随温度变化,单独部分掺烧(例如柴油机)中<1.0。考虑重整燃料温度对乙醇重整发动机充气效率的图3为乙醇重整燃料温度变化对进气温度的影影响可表示为响。图4为入口温度变化对进气温度的影响。计算中取过量空气系数λ=1.2,重整率为50%,乙醇体n’_M'_T(1)积百分比75%,当量掺烧比d=1.0,重整反应按照式中,,n′分别为不考虑重整燃料温度和考虑C2H3OH+H2O→2CO+4H2计算重整燃料温度影响时乙醇重整发动机的充气效率;由图3和图4可见,随着重整燃料温度的增加,M,T分别为不考虑重整燃料温度影响时缸内进气混合后的进气温度t呈线性增加。入口空气温度的变化会改变混合后气体的温度水平,但是变化规律终点的空气量和温度。M,T′分别为考虑重整燃料和变化幅度都基本相同。温度影响时缸内进气终点的空气量和温度。式(1)的物理意义明确而且形式简单,但是实入口空气温度293K入口空气温度273K际应用中却很不方便,这是因为难以确定由于进气入口空气温度313K温度变化导致的缸内进气终点的气体温度。因此340330将乙醇重整燃料温度对充气效率的影响转化为320下两个问题a.乙醇重整燃料温度对进气(入口)温度的280影响。36中国煤化工4428438448458b进气温度变化对缸内进气终点的气体温度CNMHG的影响。图3重整燃料温度对进气道混合气温度的影响内燃机011年4月燃料温度工作过程仿真计算采用AVL- BOOST软件的燃料温度燃料温度473K倒拖模型,考虑了气缸壁温度、发动机转速、发动机排量、进气入口空气温度和乙醇重整燃料温度等因330320素,计算分析了温度对乙醇重整燃料发动机充气效如310率的影响。简化计算公式的计算结果与工作过程仿真的计算结果非常接近,二者的最大差值小于2702532632732832933033130.5%。入口温度/K图5为不同的当量壁温t时,公式(4)的计算图4人口温度对进气道混合气温度的影响结果与 BOOST仿真结果的对比;图6为不同的进气3进气温度变化对充气效率(缸内进气终点入口温度t时,对比公式(4)与仿真计算,重整燃料的气体温度)的影响温度对充气效率的影响;图7为不同转速条件下,对空气沿进气道进入气缸,进气入口温度和缸内比公式(4)与仿真计算,重整燃料温度对充气效率进气终点的气体温度之间存在比较复杂的传热和的影响;图8为不同的发动机排量时,公式(4)的计气温度变化对缸内进气终点的气体温度的影响。物化“可Osm仿真结果的对比;图9为不同入口气体流动过程,目前尚未见有采用简单公式描述算结果与利用现有的发动机工作过程仿真软件可以计算进温度时,公式(4)的计算结果与 BOOST仿真结果的但是这种仿真计算都是针对具体的特定发动机和图5、图6、图7、图8、图9计算结果还表明,由工况,不能给出“进气温度变化对充气效率(缸内进于高温乙醇重整燃料引起的进气温度变化,将导致气终点的气体温度)的影响”的一般描述充气效率下降3%~7%。通过对“空气沿进气道进入气缸”过程的分析一公式计算研究,设想将进气温度变化对充气效率(缸内进气t=420Kt=293K仿真计算终点的气体温度)的影响表示为s0.97T0.96(3)0950.94式中,t,T分别为不考虑重整燃料温度时的进310315气入口温度和缸内进气终点温度,K;t',T分别为重整燃料温度/K考虑重整燃料温度时的进气入口温度和缸内进气公式计算终点温度,K,'根据公式(2)计算求取;t为进气过t=420Kt=293K仿真计算程中的当量壁温,K,主要考虑气缸内壁温度,其温0.98度范围取380-470K;a,a2分别为重整燃料混合096前、后的当量传热系数0.95式(3)的物理意义明确而且形式简单,式(3)表31示“空气沿进气道进入气缸”为加热温升过程,而且重整燃料温度/K温度的增加与当量壁温和气体温度之差密切相关。公式计算通过工作过程仿真计算和数据处理,取式(3)t=380Kt=293K仿真计算0.98中当量传热系数a=a=3,进气温度变化对充气效率(缸内进气终点的气体温度)的影响可以表0.96为m_ T-3TYh中国煤化工CNMHG第2期周越等:温度对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响公式计算一仿真计算L=420Kb=273K仿真计算t=420Kt=273K公式计算00000310重整燃料温度/K250260270280290300310320重整燃料温度/K公式计算t=420Kt=293K仿真计算图9不同人口温度的影响9%结论a.所提出的简化计算公式能够比较准确描述进30531525气温度变化对内燃机充气效率的影响;计算公式能重整燃料温度/K够描述由于髙温乙醇重整燃料引起的进气温度变公式计算化对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响。420Kt=313K仿真计算b.简化计算公式与工作过程仿真计算的比较s0.98考虑了气缸壁温度、发动机转速、发动机排量、进气0.96入口空气温度和乙醇重整燃料温度等诸多因素320325330335简化计算公式的计算结果与工作过程仿真的计算重整燃料温度/K结果非常接近,二者的最大差值小于0.5%。图6不同进气人口温度影响C.简化计算公式的物理意义明确而且形式简单,使用方便。公式计算仿真转速1000r/仿真转速1500r/mi仿真转速200/d.由于高温乙醇重整燃料引起的进气温度增加,将导致充气效率下降3%~7%0.96e.应综合考虑乙醇重整燃料组分和组分浓度变化导致的充气效率下降,以及进气温度增加所导致的充气效率下降。310315重整燃料温度/K[参考文献]图7不同转速的比较[1 Heywood J. B, Internal Combustion Engine Fundamer公式计算一仿真排量043Ltals. McGraw -hill. 1988一仿真排量09L仿真排量16L2]董健,李格升,黄勇.乙醇重整燃料对内燃机充气效率的影响[J].内燃机,2009,(2)0.96[3]黄勇,董健,李格升.含水乙醇蒸气对内燃机充气效率的影响[J].车用发动机,2008,(5)315重整燃料温度/K图8不同排量的比较中国煤化工CNMHG