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柴油機(jī)摻燒生物柴油的燃燒模擬仿真

時(shí)間:2023-04-30 21:05:48 資料 我要投稿
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柴油機(jī)摻燒生物柴油的燃燒模擬仿真

摘 要 應(yīng)用三維CFD軟件AVL FIRE2010,對(duì)CA6DF2D-21柴油機(jī)在同一工況下分別燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真,得出不同摻燒比下柴油機(jī)的扭矩、燃油消耗率、NOX排放量和Soot排放量,建立了評(píng)價(jià)柴油機(jī)綜合燃燒性能的綜合加權(quán)評(píng)分法,通過(guò)量化計(jì)算,得到標(biāo)定工況下,使柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等綜合性能達(dá)到最優(yōu)的生物柴油摻燒比為B10。本文的研究為生物柴油在柴油機(jī)上的廣泛應(yīng)用提供了有力的理論依據(jù)。   關(guān)鍵詞 FIRE;生物柴油;燃燒模擬;摻燒比   中圖分類號(hào):TK464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2013)18-0031-03   柴油機(jī)燃用一定摻燒比的生物柴油是必然趨勢(shì),它不僅可緩解石油能源危機(jī),還可改善大氣環(huán)境。目前,國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出許多生物柴油使用方面的研究成果,主要集中在生物柴油的燃燒與噴霧特性方面,但對(duì)重型柴油機(jī)摻燒生物柴油開展多維數(shù)值模擬的研究還較少。本文利用FIRE軟件對(duì)CA6DF2D-21柴油機(jī)在同一工況下燃用B0、B10、B20和B50進(jìn)行仿真研究,對(duì)不同摻燒比下柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性進(jìn)行仿真分析,建立了評(píng)價(jià)柴油機(jī)綜合燃燒性能的計(jì)算方法,通過(guò)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析得出綜合性能最優(yōu)的摻燒比,為生物柴油在柴油機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用提供有力的參考依據(jù)。   1 模擬計(jì)算條件   本文以6缸、直列、直噴、增壓中冷式柴油機(jī)CA6DF2D-21為研究對(duì)象,摻加的生物柴油是由唐山金利海生物柴油股份有限公司生產(chǎn)的地溝油制生物柴油。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)見表1。   利用Masher工具創(chuàng)建燃燒室的2D網(wǎng)格和3D網(wǎng)格。CA6DF2D-21柴油機(jī)使用6孔噴油器,圓周方向均勻分布,孔徑大小相同,流量一樣,為了減小計(jì)算量,只取氣缸圓周的1/6進(jìn)行建模,網(wǎng)格模型建好后,對(duì)其進(jìn)行了必要的網(wǎng)格質(zhì)量檢查,沒有發(fā)現(xiàn)負(fù)面網(wǎng)格和扭曲網(wǎng)格等。燃燒室的2D和3D網(wǎng)格分別如圖2、圖3所示。   3 混合燃料燃燒過(guò)程的模擬仿真   在同一工況和負(fù)荷下,利用FIRE軟件分別對(duì)CA6DF2D-21柴油機(jī)燃用B0、B10、B20和B50混合燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算,得出反映柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的典型指標(biāo)——扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot排放量。   3.1 模型校正   對(duì)缸內(nèi)燃燒仿真時(shí),常將計(jì)算所得的示功圖與試驗(yàn)所測(cè)的示功圖進(jìn)行對(duì)比,來(lái)驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。圖4所示為試驗(yàn)測(cè)得的示功圖與模擬計(jì)算的示功圖曲線,從圖中可以看出,二者變化趨勢(shì)吻合良好,說(shuō)明所選模型和模型的邊界條件等參數(shù)合理。   3.2 模擬計(jì)算結(jié)果   模擬計(jì)算前,建立了湍流模型(采用修正方程)、燃燒模型(采用渦破碎模型(Eddy breakup model))、NOX生成排放模型(采用擴(kuò)展的澤爾多維奇(Extended zeldovich)模型)、Soot生成模型(采用Hiroyasu的碳煙生成模型)。模擬計(jì)算結(jié)果匯總成表3。   3.3 指標(biāo)綜合評(píng)價(jià),確定最佳摻燒比   扭矩、燃油消耗率、NOX和Soot值等單項(xiàng)指標(biāo)不能反映使用燃料的整體性能,運(yùn)用加權(quán)綜合評(píng)分法求綜合指標(biāo),加權(quán)綜合評(píng)分值Yi的計(jì)算公式為:  。1)   式中:為試驗(yàn)序號(hào);表示第項(xiàng)考察指標(biāo);為權(quán)因子系數(shù),,為第項(xiàng)指標(biāo)所占分值,根據(jù)汽車的使用工況確定為:扭矩分值=30,油耗分值=19,NOX排放分值=32,Soot排放分值=19;為第項(xiàng)指標(biāo)的變化范圍,由表3可計(jì)算值分別為:扭矩=61.2,油耗=0.2322,NOX排放量=0.001752,Soot排放量=0.000719。為次試驗(yàn)時(shí)第項(xiàng)指標(biāo)的具體模擬值。   因扭矩指標(biāo)值越大越好,而油耗和氣體排放量越小越好,為了統(tǒng)一求得綜合指標(biāo)的最小值,將扭矩項(xiàng)設(shè)為負(fù)值,用式(1)求得所用各種燃料的綜合加權(quán)評(píng)分值為:=159.315065,=158.460135,=181.821356,=166.045557。這里最小,說(shuō)明在標(biāo)定工況下,最優(yōu)燃料為B10,即摻加10%生物柴油的混合燃料具有最佳綜合燃燒性能。   4 NOX和Soot的排放分析   為了更直觀深入的觀測(cè)和分析燃燒過(guò)程,利用FIRE三維圖功能對(duì)NOX和Soot排放物的生成做進(jìn)一步分析。受篇幅所限,本文只列出摻燒10%生物柴油(B10)時(shí),上止點(diǎn)時(shí)刻柴油機(jī)Soot的排放和上止點(diǎn)后20°CA時(shí)刻N(yùn)OX的排放情況,并進(jìn)行具體分析。   從圖5中的燃油濃度場(chǎng)和圖7的Soot濃度場(chǎng)對(duì)比可知,Soot的生成區(qū)域燃油的濃度較高,其燃空當(dāng)量比大于1.67。從圖6、圖7中的溫度場(chǎng)和Soot濃度場(chǎng)對(duì)比可知,Soot生成區(qū)域溫度較高,Soot中包含的碳煙的產(chǎn)生溫度主要在1500 K-2400 K的溫度區(qū)域,溫度過(guò)低則不利于碳煙生成,但溫度過(guò)高會(huì)促使已生成的碳煙氧化,所以計(jì)算所得的Soot生成區(qū)域符合規(guī)律。   對(duì)比圖8~10可以看出,NOX的生成與溫度有很大關(guān)系,從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分析,當(dāng)反應(yīng)物溫度從2500 K升高到2600 K時(shí),NOX的生成速率要翻一倍。在燃油濃度比較大的區(qū)域,溫度雖然很高,但是NOX的生成速率并不高,這和NOX的高溫富氧形成條件是一致的。   5 結(jié)束語(yǔ)   1)本文利用AVL FIRE2010對(duì)CA6DF2D-21直噴式柴油機(jī)在同一工況和負(fù)荷時(shí)燃用B0、B10、B20和B50進(jìn)行仿真計(jì)算,得到反映柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的各項(xiàng)指標(biāo):扭矩、燃油消耗率、NOX排放量和Soot排放量,并利用所建立的綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行綜合量化,得出最佳摻燒比為B10。   2)綜合分析NOX和Soot空間分布圖可知,NOX生成主要在高溫富氧區(qū),而Soot在高溫富油區(qū),另外Soot的生成溫度比NOX要低,所以Soot的生成要先于NOX,在燃燒后期,生成的Soot會(huì)部分被氧化,所以排氣中的Soot量比缸內(nèi)生成的Soot量要少。   參考文獻(xiàn)   [1]湯東,李昌遠(yuǎn),等.柴油機(jī)摻燒生物柴油NOx和碳煙排放數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(7):1-4.   [2]V. Nagaraju and N. Henein. A. Quader and M. Wu. Effect of Biodiesel (B20) on Performance and Emission in a Single Cylinder HSDI Diesel Engine[J]. SAE PAPER, 2008-01-1401.   [3]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.   [4]Zhang X,Gao G,Li L,Wu Z,Hu Z,Deng J. Characteristics of Combustion and Emissions in a DI Engine Fueled with Biodiesel Blends from Soybean Oil.SAE technical paper,2008-01-1832.   [5]吳健,徐斌,等.基于FIRE的柴油機(jī)燃燒過(guò)程模擬分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2010,39(3):3-4.

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