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)

?

甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)燃燒仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)車輛代用燃料，通過(guò)建立柴油機(jī)的燃燒模型，計(jì)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(guò)單缸機(jī)試驗(yàn)，探索出甲醇柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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?jiǎng)恿?。其燃料的單一性，給戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的補(bǔ)給帶來(lái)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(dòng)力需求是一項(xiàng)不容忽視的問(wèn)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(jià)格低、來(lái)源廣而日益突出。本文對(duì)甲醇柴油混合燃料缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真建模與計(jì)算。通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒模型、發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱模型、熱力學(xué)基礎(chǔ)模型以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，分別對(duì)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(duì)甲醇柴油燃料缸內(nèi)燃燒的影響。為探索甲醇柴油對(duì)裝甲車輛柴油機(jī)的可用性，在數(shù)值仿真計(jì)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(tái)架試驗(yàn)，分析柴油添加甲醇后其動(dòng)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(duì)柴油機(jī)性能的影響主要由其缸內(nèi)的燃燒過(guò)程決定。燃燒過(guò)程是一個(gè)氣相熱化學(xué)反應(yīng)，本文通過(guò)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(jì)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(jì)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(gè)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(shí)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(shí)氧化反應(yīng)歷程的影響[4]。通過(guò)甲醇氧化與正庚烷氧化機(jī)理的對(duì)比，得到混合燃料受甲醇影響分為：甲醇脫氫反應(yīng)對(duì)混合燃料的影響；甲醇脫氫反應(yīng)對(duì)柴油脫氫自由基的影響。

對(duì)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(duì)自由基的爭(zhēng)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(gè)反應(yīng)。

2　混合燃料燃燒計(jì)算分析

2.1甲醇柴油混合燃料燃燒計(jì)算分析

為了簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)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?？梢钥闯?，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(shí)放熱率和累計(jì)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(shí)放熱率峰值相比于柴油下降了0.3%、6.4%、10.1%、12.0%、13.3%、對(duì)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(guò)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(tái)架試驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)仿真模型對(duì)于甲醇柴油混合燃料的影響，通過(guò)單缸機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證甲醇柴油混合燃料中甲醇比值的增加，對(duì)柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒特性以及性能的影響。本次試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)。在多組試驗(yàn)過(guò)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)燃燒柴油與M5、M10、M20、M30和M35放熱率、累計(jì)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(shí)放熱率峰值降低5.1%、13.7%、25.1%、34.1%、39.3%，所對(duì)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(kāi)始放熱時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

圖10為最大扭矩工況時(shí)燃燒混合燃料與純柴油時(shí)的扭矩對(duì)比圖。試驗(yàn)表明：在最大扭矩工況時(shí)，燃用混合燃料時(shí)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(shí)甲醇柴油混合燃料與純柴油扭矩對(duì)比

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)仿真模型計(jì)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(tái)架進(jìn)行了純柴油和混合燃料的負(fù)荷特性試驗(yàn)，分析在實(shí)際臺(tái)架中甲醇柴油混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，動(dòng)力性下降17.4%超過(guò)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]李向榮.內(nèi)燃機(jī)燃燒科學(xué)與技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012(4)：476-477.

[2]曹進(jìn)喜.甲醇柴油的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2010(6)：41-44.

[3]孫俊,高孝洪.船舶內(nèi)燃機(jī)燃燒模型及應(yīng)用[J].船海工程,2003(2):14-16.

[4]郭鵬.柴油機(jī)燃用甲醇柴油混合燃料的仿真分析[D].太原：太原理工大學(xué),2011.

[5]趙蒙生.甲醇柴油燃料的實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2010.

[6]張全逾,王俊杰,柯鳳琴.內(nèi)燃機(jī)燃燒測(cè)試分析及實(shí)際應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn),2008(3):28-30.

(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(jiǎn)介：張更云(1966—)，男，博士，教授，主要從事動(dòng)力機(jī)械及工程研究。

中圖分類號(hào)：TJ81；TE665

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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