甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)燃燒仿真分析與試驗驗證

張更云，陳　龍，李若亭

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 　100072)

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甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)燃燒仿真分析與試驗驗證

張更云，陳龍，李若亭

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

摘要：為探索戰(zhàn)時車輛代用燃料，通過建立柴油機(jī)的燃燒模型，計算分析不同比值甲醇柴油混合燃料的缸內(nèi)燃燒壓力、溫度、放熱規(guī)律，并通過單缸機(jī)試驗，探索出甲醇柴油混合燃料對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷的作用規(guī)律及摻混比值。

關(guān)鍵詞：甲醇柴油； 仿真分析； 燃燒模型

本文引用格式：張更云，陳龍，李若亭.甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)燃燒仿真分析與試驗驗證[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(6):145-148.

Citationformat:ZHANGGeng-yun,CHENLong,LIRuo-ting.SimulationAnalysisandExperimentalVerificationAboutCombustionofMethanolandDieselFuelinCylinder[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):145-148.

往復(fù)活塞式柴油機(jī)仍是坦克裝甲車輛的主要動力。其燃料的單一性，給戰(zhàn)爭環(huán)境的補(bǔ)給帶來了潛在的不良影響，因此其代用燃料能否滿足坦克裝甲車輛動力需求是一項不容忽視的問題[1]。目前代用燃料如醇類柴油、生物柴油等自身含氧、易摻混，特別是醇類中的甲醇，由于易獲得、易制取、價格低、來源廣而日益突出。本文對甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行仿真建模與計算。通過建立發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒模型、發(fā)動機(jī)傳熱模型、熱力學(xué)基礎(chǔ)模型以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，分別對甲醇柴油混合燃料的燃燒規(guī)律、熱負(fù)荷以及機(jī)械負(fù)荷進(jìn)行分析，研究轉(zhuǎn)速及循環(huán)供油量的變化對甲醇柴油燃料缸內(nèi)燃燒的影響。為探索甲醇柴油對裝甲車輛柴油機(jī)的可用性，在數(shù)值仿真計算的基礎(chǔ)上，將混合燃料加入目前裝甲車輛的150單缸柴油機(jī)進(jìn)行臺架試驗，分析柴油添加甲醇后其動力性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的變化規(guī)律。

1　柴油機(jī)燃燒模型建立

甲醇柴油對柴油機(jī)性能的影響主要由其缸內(nèi)的燃燒過程決定。燃燒過程是一個氣相熱化學(xué)反應(yīng)，本文通過構(gòu)建柴油機(jī)的基本模型、傳熱模型及反應(yīng)機(jī)理分析計算放熱率、燃燒速度、滯燃期等影響柴油機(jī)性能的參數(shù)。

1.1柴油機(jī)基本模型

選用ICEngine模塊[2]進(jìn)行燃燒模擬計算，由于此模塊為均質(zhì)壓燃模型，因此作出幾點(diǎn)假設(shè)：燃燒室看做絕熱系統(tǒng)；在整個均質(zhì)壓燃系統(tǒng)中，所有氣體均為理想氣體；由于均質(zhì)狀態(tài)，所以同一時刻在氣缸內(nèi)每一點(diǎn)的壓力、溫度、各組分濃度處處相等。

由熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程得：

1.2柴油機(jī)傳熱模型

ICEngine模塊采用的是Woschni傳熱模型[3]，其傳熱系數(shù)為

1.3甲醇柴油混合燃料機(jī)理構(gòu)建

甲醇的氧化反應(yīng)歷程與柴油有著明顯不同，甲醇柴油混合燃料的燃燒特性不僅受各燃料的理化性質(zhì)影響，也受各組分燃燒時氧化反應(yīng)歷程的影響[4]。通過甲醇氧化與正庚烷氧化機(jī)理的對比，得到混合燃料受甲醇影響分為：甲醇脫氫反應(yīng)對混合燃料的影響；甲醇脫氫反應(yīng)對柴油脫氫自由基的影響。

對甲醇柴油混合燃料機(jī)理的構(gòu)建，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確描述甲醇與柴油脫氫反應(yīng)對自由基的爭奪。因此，本文基于現(xiàn)有的正庚烷[5]及甲醇機(jī)理構(gòu)建[6]甲醇柴油混合燃料的反應(yīng)機(jī)理，該機(jī)理包含33種物質(zhì)及140個反應(yīng)。

2　混合燃料燃燒計算分析

2.1甲醇柴油混合燃料燃燒計算分析

為了簡便，將柴油與甲醇的混合比值5%、10%、20%、30%、35%用M5、M10、M20、M30、M35表示。

圖1為1 400r/min，最大扭矩點(diǎn)情況下，柴油與不同比值甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)壓力曲線圖?？梢钥闯?，隨著甲醇含量比值的增高M(jìn)5、M10、M20、M30和M35的缸壓曲線整體后移，其峰值分別比純柴油降低2.0%、8.9%、17.3%、21.2%、24.6%。峰值出現(xiàn)時刻分別滯后0.3°CA、1.2°CA、2.2°CA、3.4°CA、4.6°CA。

圖1　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料缸壓曲線

圖2所示為發(fā)動機(jī)在1 400r/min情況下最大扭矩點(diǎn)柴油摻燒不同比例甲醇的混合燃料最大壓升率的變化曲線，可以看出，隨著甲醇添加比值的增加，混合燃料的最大壓升率分別比純柴油低4.0%、5.8%、8.1%、11.3%、15.9%，M5、M10、M20、M30和M35壓升率最大峰值出現(xiàn)時刻分別提前0.4°CA、0.8°CA、1.2°CA、2.2°CA、3.4°CA。

圖2　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料壓升率曲線

圖3為發(fā)動機(jī)1 400r/min情況下最大扭矩點(diǎn)柴油摻燒不同比例甲醇的混合燃料溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。可以看出，隨著甲醇的添加，缸內(nèi)溫度曲線相比純柴油有所降低。其中M5、M10、M20、M30以及M35的缸內(nèi)溫度曲線峰值相比純柴油降低為1.6%、6.2%、17.5%、21.8%及23.6%。

如圖4、圖5為不同比值甲醇柴油混合燃料的瞬時放熱率和累計放熱率曲線。由圖可知，隨著甲醇比值的增加M5、M10、M20、M30和M35的瞬時放熱率峰值相比于柴油下降了0.3%、6.4%、10.1%、12.0%、13.3%、對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別滯后0.5°CA、1.8°CA、2.5°CA、3.8°CA、4.8°CA。

通過上文甲醇柴油混合燃料的缸壓、壓力升高率、缸內(nèi)溫度、放熱率以及放熱百分比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)，隨著混合燃料中甲醇比值的增加，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力降低，缸內(nèi)溫度降低，壓力升高率降低，燃料滯燃期增加。

圖3　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料溫度曲線

圖4　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料放熱率曲線

圖5　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料累積放熱百分比曲線

3　單缸機(jī)臺架試驗與結(jié)果分析

根據(jù)仿真模型對于甲醇柴油混合燃料的影響，通過單缸機(jī)臺架試驗，驗證甲醇柴油混合燃料中甲醇比值的增加，對柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒特性以及性能的影響。本次試驗所使用的單缸機(jī)為150系列單缸機(jī)。參數(shù)如表1所示。

本次試驗基準(zhǔn)油為-10#柴油，在轉(zhuǎn)速1 400r/min下，進(jìn)行負(fù)荷特性試驗。在多組試驗過程中保持柴油機(jī)結(jié)構(gòu)不作任何調(diào)整，參數(shù)保持每組試驗一致。冷卻水溫度控制在75±5℃；機(jī)油溫度控制在60±5℃。待熱機(jī)后，先在中、高負(fù)荷運(yùn)行十五分鐘，然后按試驗設(shè)計測試相關(guān)參數(shù)。

表1　150單缸柴油機(jī)主要參數(shù)

圖6和圖7為最大扭矩工況時燃燒柴油與M5、M10、M20、M30和M35六種燃料缸內(nèi)壓力、壓力升高率變化曲線。從圖中可以看出：燃用M5、M10、M20、M30和M35時，缸內(nèi)峰值壓力比燃用純柴油降低2.7%、3.4%、4.2%、4.9%、6.4%，且最高燃燒壓力點(diǎn)比燃用純柴油分別滯后0.3°CA、0.6°CA、1.5°CA、2.3°CA、4.1°CA；混合燃料的壓力升高率分別比純柴油低5.7%、9.2%、10.4%、12.2%、16.8%，出現(xiàn)時刻M5、M10、M20、M30和M35分別滯后0.7°CA、1.2°CA、2.6°CA、3.2 °CA、4.4°CA。M5、M10、M20、M30和M35的著火時刻比純柴油延遲0.6°CA、0.8°CA、1.2°CA、2.3°CA、3.1°CA。

圖6　不同比值甲醇柴油缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

圖7　不同比值甲醇柴油壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

圖8和圖9為最大扭矩工況時燃燒柴油與M5、M10、M20、M30和M35放熱率、累計放熱率變化曲線。由圖可知，燃用純柴油與燃用甲醇柴油混合燃料相比，瞬時放熱率峰值降低5.1%、13.7%、25.1%、34.1%、39.3%，所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后2.5°CA、3.8°CA、4.1°CA、4.3°CA、6.8°CA，開始放熱時刻滯后4.6°CA、5.3°CA、5.7°CA、6.2°CA、7.6°CA。累積放熱率曲線的上升速率比燃用純柴油時緩慢，燃燒持續(xù)期縮短1.6°CA、2.3°CA、3.7°CA、6.4°CA、8.6°CA。

圖8　不同比值甲醇柴油瞬時放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

圖9　不同比值甲醇柴油累計放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

圖10為最大扭矩工況時燃燒混合燃料與純柴油時的扭矩對比圖。試驗表明：在最大扭矩工況時，燃用混合燃料時扭矩分別下降1.7%、6.9%、10.7%、13.1%、14.7%、17.4%。

圖10　最大扭矩工況時甲醇柴油混合燃料與純柴油扭矩對比

4　結(jié)論

通過對仿真模型計算分析確定甲醇柴油混合燃料的大致比值，利用單缸機(jī)臺架進(jìn)行了純柴油和混合燃料的負(fù)荷特性試驗，分析在實際臺架中甲醇柴油混合燃料對發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的影響規(guī)律，得到高配比的甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)壓力最多下降6.4%，著火時刻比純柴油延遲3.1°CA，最大扭矩下降17.4%。隨著甲醇比值的增加，燃料的動力性明顯下降，經(jīng)濟(jì)性下降。根據(jù)混合燃料最大扭矩下降情況，當(dāng)混合比值為35%時，動力性下降17.4%超過了代用燃料不得降低15%的要求，因此為了保證柴油機(jī)的正常運(yùn)行，最終認(rèn)為30%比值為甲醇與柴油混合的最大比值。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.034

收稿日期：2016-01-04；修回日期：2016-01-31

作者簡介：張更云(1966—)，男，博士，教授，主要從事動力機(jī)械及工程研究。

中圖分類號：TJ81；TE665

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0145-04

SimulationAnalysisandExperimentalVerificationAboutCombustionofMethanolandDieselFuelinCylinder

ZHANGGeng-yun,CHENLong,LIRuo-ting

(DepartmentofMechanicEngineering,AcademyofArmoredForceEngineeringInstitute,Beijing100072,China)

Abstract:To explore alternative fuel in wartime, we calculated and analyzed the cylinder pressure, temperature, heat release rule of methanols-diesel fuel with different ratio via establishing the combustion model of diesel engine. Besides the single-cylinder engine performance, fuel economy, mechanical load, thermal load of methanols-diesel fuel and mixing ratio were explored by single-cylinder engine test.

Key words:methanol diesel; simulation analysis; combustion model