乙醇/柴油燃料配制和对柴油机性能影响的模拟

第40卷第8期同济大学学报(自然科学版)Vol 40 No. 82012年8月JOURNAL OF TONGJI UNTVERSITY(NATURAL SCIE2012文章编号:0253-374X(2012)08-1254-07DOI:10.3969/jisn.0253-374x.2012.08.023乙醇/柴油燃料配制和对柴油机性能影响的模拟张志强,赵福全12,于冠军,韩杰磊(1同济大学汽车学院,上海201804;2渐江吉利汽车研究院有限公司浙江杭州311201)摘要:选择丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨糖醇单油酸酯 equivalent indicated specific fuel consumption and combustion(Span80)作为助溶剂,对比研究其助溶效果.按照不同乙醇 noise reduced. The comprehensive performance of the diesel体积分数(10%20%和30%)和温度范围(5~60℃),进行混 engine is the best when ethanol volume percentage is10%合燃料的密度、表面张力和黏度等物性参数测量,研究其随机性能的影响结果表明:随L醇体积分数的增加燃油雾化 parameters; blend fuels of ethanol and diese!; solubilizer多乙醇体积分数和温度变化的规律.模拟研究混合燃料对柴油Key words: performance of diesel engine; mater效果得到改善,壁面油膜逐渐减少,氮氧化物(NO,)和碳烟(soot)排放逐渐减少;发动机动力性逐渐下降,但是当量比油耗和燃烧噪声逐渐下降.乙醇体积分数为10%时柴油机的综随着全球气候恶化和温室效应加剧,以及近年合性能最佳来逐渐形成的对发展低碳经济的要求和不断更新的关键词:柴油机性能;物性参数;乙醇/柴油混合燃料助溶剂日益严苛的排放法规柴油机凭借其在CO2排放和中图分类号:TK407.9文献标识码:A油耗方面的优势在商用车和乘用车领域内所占份额不断扩大,这给柴油的市场供应提出了一个巨大Blend Fuels of ethanol and Diesel Concoction的考验据统计,2010年12月底中国石化生产柴汽and Its Influence on Diesel Engine Performance比已经高达2.17n,以致需要大量进囗原油来炼制出满足需求的柴油ZHANG Zhigiang', ZHA0 Fuquan.2, YU Guanjun燃料乙醇作为一种可再生能源,可通过对含淀HAN Jielei粉的农产品或含纤维素的废弃作物发酵制取.目前,(1. College of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai乙醇/汽油混合燃料已经得到大量的研究和应201804, China: 2. Automobile Engineering Institute, Zhejiang geelyHolding group Co. Ltd, Hangzhou 311201, China)用24.乙醇作为含氧燃料,与柴油形成混合燃料将能够有效地减少柴油机的碳烟(soot)和未燃碳氢Abstract:Fist, butanol, heptanol, biodiesel and sorbitan同时也能够很好地缓解目前柴油的供需紧张问题monooleate were chosen as the solubilizers. The solubilization由于乙醇分子为极性结构,而柴油具有非极性capacity of these solubilizers were researched. Then theexperiments on the ethanol-diesel blend fuels in different分子结构的特点,导致乙醇和柴油之间无法直接形ethanol volume percentages (10%, 20% and 3096)成均匀和稳定的混合燃料.同时,乙醇/柴油混合燃different temperatures(fom5℃to60℃) were conducted.料的物性参数随着乙醇体积分数和温度的不同而出The experiential formulas about density, surface tension and现较大变化,这对柴油机的燃料喷射燃烧和排放特viscosity varied with ethanol volume percentage and性带来重要的影响temperature were generalized Finally, the simulation本文首先根据相似相溶原理选择四种助溶剂research for the effect of ethanol volume percentages on the(分别为两种醇类和两种酯类),对其助溶特性和长diesel engine performance was conducted. With the increasingof ethanol volume percentage, the fuel atomizing process期稳定性进行研究;然后对配制得到的乙醇/柴油混NO, and soot emissions合燃料进行密度、表面张力和黏度等物性参数进行decreased, engine power performance penalized, while测试和分析,研究其随乙醇体积分数和温度的变化收稱日期:2011-05-28基金项目:国家自然科学基金(51006075);上海市重点学科建设项目(B303)中国煤化工第一作者:张志强(1985-),男博士生,主要研究力向为内燃机燃烧与排放控制. E mailCNMHG通讯作者:赵福全(1963—),男,教授博士生导师工学博士,主要研究方向为内燃机燃烧E-mail:Zhaotq@geely.com第8期张志强等:乙醇/柴油燃料配制和对柴油机性能影响的模拟1255规律;最后进行乙醇/柴油混合燃料对柴油机性能影1.2.1单一助溶剂试验响的模拟研究,分析得到最佳的乙醇体积分数首先研究单一助溶剂的助溶作用,往试管中加人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的助溶剂,振荡搅拌后静置10min,直到混合溶液变得澄清透明,记录下此时总共加入的助溶1.1助溶剂的选择剂体积试验结果如图1所示乙醇柴油混合燃料的配制采用沪四0号柴油和1.4无水乙醇(g(C2HOH)=99.7%),其基本参数如表1所衰1沪四0号柴油和无水乙醇基本参数Tab 1 Parameters of Hu IV 0* diesel and ethanol基本参数沪四0号柴油无水乙醇(7分子式C2 HoH000(S)/l0十六烷值闪点/℃13.5低热值/kJ·kg1)42.60庚醇生物柴油Span80沸点/℃180.0~330.078.5图1单一助溶剂添加体积汽化潜热/(kJ·kg-1)着火界限/%1.5~7.64.3~19.0Fig 1 Volumes of the single solubilizers对比两种醇类的添加体积可知,碳原子数较大乙醇分子为极性结构,无法与主要具有烃基的的庚醇所需添加的体积较少,比丁醇具有更好的助非极性结构的柴油形成混合燃料.为有助于乙醇在溶效果;两种酯类的助溶效果对比,Span80的助溶柴油中互溶,必须添加助溶剂.根据相似相溶原理,效果更好;醇类比酯类具有更好的助溶能力助溶剂必需同时具有亲油基团和亲水基团,其亲油1.22复合助溶剂试验基团能够连接柴油,亲水基团能够连接乙醇,从而实考虑“醇类+酯类”形成的复合助溶剂效果进行现乙醇和柴油的互相溶解.助溶剂分布在乙醇和柴复合助溶剂试验.具体方案如下:方案1(丁醇十生物油的界面上,相当于形成一层保护膜,保证混合燃料柴油)方案2(丁醇+Span80)方案3(庚醇+生物处于一种稳定状态柴油)和方案4(庚醇+Span80),复合助溶剂中两种选择的助溶剂有丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨试剂的体积比分别为3:7,5:5和7:3糖醇单油酸酯(Span80),四种助溶剂的基本参数如如图2所示,随着复合助溶剂中醇类体积比的表2所示,丁醇和庚醇都同时具有烃基和羟基,满足增加,所需添加的助溶剂体积逐渐减小,助溶效果得作为助溶剂的基团要求;生物柴油和Span80主要的到增强,表明复合助溶剂的助溶效果受醇类的影响官能团为酯基(RCX-R),也带有一定量的羟较大;庚醇型的复合助溶剂比丁醇型的复合助溶剂基,可以作为乙醇柴油的助溶剂衰2四种助溶剂基本参数Tab 2 Parameters of the 4 solubilizers5:5基本参数T醇庚醇生物荣油Span80投07分子式 C,OH C;H15OHC2 HsOc分子量水溶解性微溶微溶难溶难溶密度(20°C)0.8080.8220.870~0.8900.9861.2助溶剂的助溶特性试验试验过程用的主要仪器:量筒、烧杯、试管、玻璃方案1卡案4中国煤化工棒、带胶圈密封的广口瓶、推液器和试剂瓶.试验过程环境温度为10~15°CFig 2 VoYHCNMHGzerg同济大学学报(自然科学版)第40卷的助溶效果要好;与单一醇类助溶剂(庚醇)相比,复接触,在该液体中拉动铂金板所需拉力由液体表面合助溶剂助溶效果欠佳,所以选择庚醇为助溶剂张力和板的面积所决定,如此便测得表面张力采用1.2.3不同体积分数乙醇混合燃料的配制的仪器为上海方瑞仪器公司的QBZY-1表面张力以庚醇为助溶剂,配制ED0,ED20和ED30混仪测量量程为0~99mN·m1,测量精度为0.1合燃料(ED代表乙醇/柴油混合燃料,数字代表乙醇mN·m-1.体积分数ED0代表纯柴油),所需庚醇的体积如图黏度测量方法为旋转式测量,原理是转子旋转3所示过程中受到待测液体的黏滞阻力产生黏滞扭矩,进而带动指针出现一定的偏转角,再通过换算得到待一庚醇与乙醇体积比测液体的动力黏度.所采用的仪器是上海方瑞仪z庚醇添加体积器公司的NDJ-1S电子黏度仪,测量量程为1100000mPa·s,测量精度为±0.1mPa·s.鲨测量过程利用上海方瑞仪器公司的DC2006水槽来保持恒温,其能够实现5~95℃之间的恒温温度控制精度为0.1℃2.2不同配比乙醇/柴油混合燃料的物性参数测量2.2.1密度图3庚醇添加体积和庚醇与乙醇体积比图4给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(单位为g·cm3)随温度T(单位为℃)和乙醇体of heptanol and ethanol积分数的变化关系在不同温度时,随着乙醇体积分随着混合燃料中乙醇体积分数的增大需要添数的增大,混合燃料的密度降低;在不同乙醇体积分加的庚醇也增加;其中庚醇和乙醇的体积比为0数,随着温度的增大,混合燃料的密度基本呈线性降〔如图3右侧所示)这表明每助溶1m的乙醇,需低趋势要添加0.2mL庚醇,这一比例关系基本与柴油的体对试验测试数据进行拟合,可得到混合燃料的积无关密度p与乙醇体积分数g和温度T的关系式为1.2.4混合燃料的长期稳定性p=-0.001T+(-0.345g2-0.0493g+0.8369)将ED10,ED20和ED30乙醇/柴油混合燃料密(1)封保存在广口瓶2个月后将其取出,混合燃料仍然0.83gEDO澄清透明没有分层.这表明经妥当保存,乙醇/柴油ED10ED20混合燃料能够长期稳定存储0.792乙醇/柴油混合燃料物性参数测量0.772.1物性参数测试范围和方法本文对ED10,ED20,ED30乙醇/柴油混合燃料进行密度、表面张力和黏度等关键物性参数测量;测0731020304050试的温度为5~60℃,该温度范围基本和柴油机中温度/℃燃料实际温度范围一致.图4混合燃料密度随乙醇体积分数和温度的变化关系密度测量根据经典的阿基米德浮力原理,所采Fig 4 Density of the blend fuels variation with ethanol用的仪器是上海方瑞仪器公司的MDY-2电子密度volume percentage and temperature仪,该仪器的测量量程为0.0001~10.00002.2.2表面张力g·cm3,测量精度为士0.000g·cm3.燃料的表面张对沖的睛肚察、初始雾表面张力的测量方法有毛细上升法、最大气泡化、二次雾化和壁d中国煤化工响压力法拉脱法滴重法和表面波法0.本文采用拉乙醇/柴油混NMH单位为脱法,其原理是将铂金板放在液面上与待测液体相mN·m-)随不同乙醇体积分数q和温度T变化关第8期张志强等:乙醇/柴油燃料配制和对柴油机性能影响的模拟系如图5所示.不同温度时,随着乙醇体积分数的增大,混合燃料的表面张力逐渐降低;在不同乙醇体积分数时,随着温度的增大,混合燃料的表面张力呈线EDIO性降低趋势-O--ED20EDO0温度/℃图6混合燃料黏度随乙醇体积分数和温度的变化关系Fig 6 Viscosity of the blend fuels varies with ethanolvolume percentage and temperature温度/"℃图5混合燃料表面张力随乙醇体积分数和温度的变化关系3乙醇/柴油混合燃料对柴油机性能Fig 5 Surface tension of the blend fuels variation with影响的模拟研究ethanol volume percentage and temperature对试验测试数据进行拟合,得到混合燃料的表3.1模拟研究条件和计算模型及验证面张力a与乙醇体积分数g和温度T的拟合公式3.1.1模拟研究条件=-0.0738T+(12.425g2-14.576g+29.105)用于模拟研究的柴油机基本参数如表3所示衰3柴油机基本参数2.2.3黏度Tab 3 Parameters of the diesel engine黏度是流体在流动过程中内部摩擦现象的一种基本参数数值体现内部摩擦越大,黏度越大燃料相对分子质量缸径×冲程/(mm×mm)85×88.1压缩比越大,意味着分子间碳氢键连接越多,其黏度也将越缸数大燃油的黏度对供油系统的润滑性和燃油的喷射冷却方式水冷及雾化过程有非常重要的影响适当的黏度能够保冲程数最大扭矩/(N·m)(转速/(r·min-1))300(2200证供油系统的正常运转,过大或过小的黏度将加剧标定功率/W(转速/x,min-1100(4000)喷油系统的磨损,导致发动机的机械效率降低(.燃涡流比油喷射时的前进速度、喷雾锥角、贯穿距、雾化液滴模拟研究的转速为2200r·min-1,总喷油质量的大小和壁面油膜的形成等都受到黏度影响乙醇/为55mg(预喷油质量和主喷油质量分别为3mg和柴油混合燃料的黏度水(单位为mPa·s)随不同乙醇52mg,喷油定时分别为上止点前CA( crank angle,体积分数和温度变化关系如图6所示不同温度下,CA)为20和上止点前CA为4.由于柴油机燃烧室随着乙醇体积分数的增大,混合燃料的黏度降低,但具有轴对称特点,为节省计算时间,计算区域根据喷在高温时黏度随乙醇体积分数的增大而降低的趋势油器喷孔数(8孔)取为燃烧室的1/8,计算过程从进减缓;不同乙醇体积分数,随着温度的增大,混合燃气门关闭时刻(CA为213)到排气门打开时刻(CA料的黏度呈指数降低趋势为499°).图7给出位于上止点时刻的燃烧室网格对试验测试数据进行拟合,得到混合燃料的黏图,整个燃烧室网格数为24127个度n与乙醇体积分数q和温度T的关系式为3.1.2计算模型及验证A计算模型中的湍流模型选取k--f模型],燃其中:油雾化及油膜形A=16.635g2-12.641g+7.001(4)模型燃烧模型选中国煤化工LH wallfilmme-3Z模B=-0.267g3+0.1y2-0.0133g+0.0201型(简称ECFM-JCNMHG及怏远取 multi-(5) component evaporation模型,NO2和soot生成模型同济大学学报(自然科学版)第40卷分别选取 Zeldovich模型和 Kennedy- Hiroyasu-表面、缸壁面和缸盖底面等计算域内部壁面)Magnussen模型13.伴随着乙醇体积百分比的增大,混合燃料的表面张力和黏度逐渐降低(如图5和6所示),这有利于加快燃油的蒸发和减少碰壁后燃油在壁面上的堆积0如图10所示混合燃料的蒸发燃油质量分数逐图7上止点时刻计算网格ED20ED30Fig 7 Calculation model mesh on the TDC图8和图9为模拟得到的缸压、NO2和soot排04放数据与试验结果的对比,两者基本一致,说明所建模型是合理的,并能够应用于后续模拟研究.试验350370390410430模拟曲轴转角/(°)a蒸发燃油0.10出EDIOED20ED300.06200250300350400450500曲轴转角()图8试验和模拟缸压对比0.02Fig 8 Comparison of the experimental andsimulated cylinder pressure03503703941043045曲轴转角(°)试验-模拟b碰壁燃油004EDO0.08EDIOED200.06002503003504004505005曲轴转角/(图9试验和模拟NO2和8oot排放对比Fig 9 Comparison of the experimental and390410simulated NO, and soot emission曲轴转角/(")油膜3.2乙醇/柴油混合燃料对燃油雾化和油膜形成的图10不同乙醇体积分数下蒸发燃油、碰壁燃油和影响油膜质」中国煤化工图10给出不同乙醇体积分数下蒸发燃油、碰壁Fig10 EvaporatCNMHGinged fuel燃油和壁面形成的油膜的质量分数的对比(质量分vallum mass fractions数为对应质量占喷油质量的分数;壁面统指燃烧室with different ethanol volume percentages8张志强,等;乙醇/柴油燃料配制和对柴油机性能影响的模拟1259渐增加,燃油的雾化效果得到改善;碰壁燃油质量分300数逐渐减少,在壁面形成的油膜逐渐减少,这样将有L EDO10利于减少对缸壁机油的侵蚀4和降低碳氢排放=·ED303.3乙醇/柴油混合燃料对燃烧过程的影响不同乙醇体积分数下缸内压力温度、放热率和累计放热量的对比分别如图11和12所示由于乙醇的低热值较低(见表1),与柴油掺混后将导致混合燃料的低热值降低,所以随着乙醇体积分数的增加,混合燃料的累计放热量逐渐降低,缸内压力和温度也有一定程度的降低,如图11所示.另430外,由于乙醇的十六烷值较低,与柴油掺混后将延长曲轴转角(")混合燃料的滞燃期,如图12所示.在CA为350°到图12不同乙醇体积分数下放热率和累计放热量360范围EDO有明显的预混燃烧放热而混合燃料Fg.12 Rate of heat release and accumulated heat(ED10,ED20和ED30)出现预混燃烧的相位较为滞release with different ethanol volume后,并且现象较不明显percentagesEDO. EDIOEDIOED20l2---ED3035037039041043030350370430曲轴转角()曲轴转角(")Noa缸内压力1800EDIO1600ED20-. ED3014000312009002100000137041043030350370390410430曲轴转角(°)曲轴转角(")b缸内温度11不同乙醇体积分数下缸内压力和温度图13不同乙醇体积分数下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/柴油混合燃料对排放物生成的影响越高越有利于NC中国煤化工随着乙图13给出了不同乙醇体积分数下的NO,和醇体积分数的增CNM进而NO2soot生成的对比.从NO生成机理可知,缸内温度排放逐渐减少.soot生成主要条件为局部当量比大同济大学学报(自然科学版)第40卷于1.5和缸内温度大于1500K.乙醇作为含氧燃Pmx均有所降低,所以R降低,柴油机的燃烧噪声降料,与柴油掺混后,能够提高混合燃料中氧含量,进低而降低当量比,并且缸内温度得到一定降低,所以随综合而言,在保证柴油机动力性下降不多的前着乙醇体积分数的增加,soot排放逐渐减少提下,ED10(即乙醇体积分数为10%)能够使柴油机3.5乙醇/柴油混合燃料对动力性、当量比油耗和的燃烧雾化效果得到改善,NO2和soot排放降低,燃烧噪声的影响当量比油耗和燃烧噪声减少,因而是综合性能最佳本文采用平均指示有效压力P来衡量使用的混合燃料方案混合燃料时柴油机的动力性.由于混合燃料的低热值不同,本文采用当量比油耗Ba来比较使用4结论混合燃料时柴油机的油耗,其计算公式如下:DEISFC(6)HD(1)醇类助溶剂比酯类和“醇类十酯类”组成的式中:Bc是混合燃料的指示燃油消耗率,H是柴复合助溶剂具有更好的助溶效果本文最终选择庚油的低热值,HL是混合燃料的低热值,其计算公式醇作为助溶剂,并发现随着乙醇浓度的增加需要添如下:加的庚醇量呈线性增加(100-)pD HD+pE HE(7)(2)获得由沪四0号柴油和无水乙醇配制得到的混合燃料的密度、表面张力和黏度随乙醇体积分式中:P为柴油密度,是乙醇密度,HE是乙醇的低数和温度变化的经验公式热值燃烧噪声采用响振强度161R来评价,响振强(3)随着乙醇体积分数的增加,混合燃料的雾化度越大代表燃烧噪声越大,响振强度计算公式如下:效果有所改善,在壁面形成油膜明显减少;由于低热dP值的降低导致累计放热量、缸内压力和温度降低,动0.05(399.9TR7P(8)力性下降当量比油耗和燃烧噪声降低;对缸内温度的降低和提高燃料中氧含量有利于减少NO2和式中:()是缸内压力变化最大值率Tm是缸8排放内温度峰值,Pa是缸内压力峰值.(4)ED10是综合性能最佳的混合燃料方案图14给出不同乙醇体积分数下P,Brs和R的对比(其中各值均除以ED0时的值按照所得的参考文献相对值进行绘图).随着混合燃料中乙醇体积分数的增加混合燃料的低热值降低,Pm降低,柴油机的[1]任宁宁中国石化原油加工量首次突破2亿[N中国石化动力性降低;Bx逐渐降低,表示混合燃料的能量报,20101220REN Ningning. processed crude oil of China first time breaks利用率得到改善.从图11可知和20 million tons]. 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ShanghaTongji University, 2007围相关系数接近1,拟合结果可靠拟合式中△T代[3] Charles K. Costenaro D. Assessment of evaporative表蒸发冷却的驱动力,L与液滴面积密切相关,拟合enhancement methods for air-cooled geothermal power结果具有物理意义[C]/The Geothermal Resources Council GRC)(4)对一二排TF6及一三排TF6的冷却效果【g刘乃玲细水雾特性及其拟合曲线进行比较,说明当△TL相同时,一二排海:同济大学,200TF6的喷雾降温效果略好于一三排TF6·即排间距LIU Nailing. Study on characteristic of fine mist and the cooling500mm略好于1000mmeffect in long and narrow space [D]. Shanghai, tongji参考文獻:[5]曹建明.喷雾学[M]北京机械工业出版社,2005:157-194CAO Jianming. Spray [M]. Beijing: China Machine Press,2005:157194[I]马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出[6]连之伟.热质交换原理与设备[M]第二版北京:中国建筑工版社,1998:14.MA Yiwei. Design and application of air-cooled condenser[M].业出版社,2006:128-136Harbin: Harbin Institute of Technology press, 1998: 1-4LIAN Zhiwei. Principle and equipment of heat and mass transfer[2]许旺发.板式湿式空冷器湿球温度迁移特性与优化研究[D]IM]. 2nd ed. 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