高原環(huán)境下噴孔直徑對不同摻混比生物柴油燃燒與排放的影響
發(fā)布時間：2020-02-14 19:23
【摘要】：以高原高壓共軌柴油機為研究機型,根據臺架試驗和發(fā)動機結構參數,運用AVL Fire構建其三維計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)計算模型并進行模型驗證。在海拔1 890m高原大氣環(huán)境下,對B0、B10和B100三種燃料發(fā)動機采用0.10mm、0.15mm和0.20mm孔徑直徑噴油器時的燃燒過程與排放特性進行仿真模擬對比研究。計算結果表明:對于三種燃料,隨著噴孔直徑減小,燃燒始點提前,燃油消耗速率與累計放熱率升高,缸內燃燒溫度和OH活性基濃度增大,燃空當量比降低,NO排放增加,碳煙和CO排放則減小;隨著噴孔直徑增大,B100的燃燒消耗速率低于B0;采用相同噴孔直徑時,NO隨著生物柴油摻混比增大總體升高,B100的碳煙和CO排放明顯低于B0,而B10的碳煙隨著噴孔直徑增大稍高于B0。
【圖文】：
２０１６年第４期內燃機工程一情況，使Ｂ１００的燃燒消耗速度高于Ｂ０。在０．２０ｍｍ噴孔直徑時，Ｂ１００的自含氧量不足以彌補由于霧化質量差所導致的燃燒速率降低，因此Ｂ１００的燃燒消耗速率低于Ｂ０。圖３不同噴孔直徑對缸內燃油質量分數的影響圖４為不同噴孔直徑影響下，Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００的累計放熱率曲線對比。從圖４可以看出，由于生物柴油的低熱值低于純柴油，導致在相同噴孔直徑下的累計放熱率隨著生物柴油摻混比的增加而減��；但是，隨著噴孔直徑的增加，生物柴油與純柴油的累計放熱率差距逐漸縮校這是因為噴孔直徑增加使不同燃油與空氣的混合質量變差，一部分燃料不完全燃燒導致了累計放熱率的降低，從而縮小了不同燃料之間的累計放熱率差距。對于三種不同燃料，隨著噴孔直徑的減小，燃燒始點提前，累計放熱率增加。這是因為噴孔直徑的減小提高了燃油噴霧的霧化效果及其與空氣的混合速率，著火更易，燃燒更為充分致使累計放熱率升高，如：當噴孔直徑從０．２０ｍｍ減小到０．１０ｍｍ，Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００的累計放熱率分別增加了２０．７７％、２１．１８％和１８．３６％。此外，三種燃料的噴孔直徑每增加０．５ｍｍ，燃燒持續(xù)期延長約７°～１１°，而燃燒重心推后４°～５°。這是因為隨著噴孔直徑的增加，，燃料與空氣的混合速率降低，燃燒過程變緩所致。圖４不同噴孔直徑對累計放熱率的影響３．２不同噴孔直徑對不同燃料排放特性的影響隨著發(fā)動機排放法規(guī)日益嚴格，大幅降低氮氧化物（ＮＯｘ）和碳煙排放已成為必然趨勢。對于柴油機，ＮＯｘ和碳煙排放較高且二者之間存在此消彼長
２０１６年第４期內燃機工程圖７不同噴孔直徑對ＣＯ排放的影響圖８不同噴孔直徑對缸內溫度場的影響凹坑靠近燃油碰壁的一側和擠流區(qū)域中。在噴孔直徑一定時，隨著生物柴油機摻混比增加，發(fā)動機缸內燃燒溫度降低，原因是生物柴油的熱值低于石化柴油。然而，由于柴油４２．５ＭＪ／ｋｇ和生物柴油３８．０５ＭＪ／ｋｇ的熱值相差不是很大，缸內的溫度差異在相同噴孔直徑下變化不大。圖９為不同噴孔直徑對ＯＨ自由基在缸內分布的影響。ＯＨ自由基的濃度主要在高溫反應階段迅速生成，其濃度極大影響碳煙的氧化反應［１４］。由圖８和圖９可見，ＯＨ主要分布于溫度１５００Ｋ以上的區(qū)域。同一曲軸轉角下，０．１０ｍｍ噴孔直徑的ＯＨ大量生成，其主要分布在凹坑之內；而０．２０ｍｍ噴孔直徑的ＯＨ生成量顯著減少。此外，采用相同噴孔直徑時，Ｂ１００的缸內ＯＨ自由基生成量高于Ｂ０。圖９不同噴孔直徑對羥基（ＯＨ）分布的影響圖１０為Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００采用０．１０ｍｍ和０．２０ｍｍ噴孔直徑時的燃空當量比缸內分布。由圖１０可見，在０．１０ｍｍ噴孔直徑時的氣態(tài)燃料分布較為均勻，且液態(tài)燃油較少；而在０．２０ｍｍ噴孔直徑時，Ｂ１０的燃油分布較集中，液態(tài)燃油的液滴比較多，并且液滴直徑也較大。在相同噴孔直徑時，Ｂ１０由于摻混生物柴油，其噴霧霧化效果變差，導致缸內燃空當量比最高。Ｂ１００因含有１０％左右的原子氧，彌補了由于燃油黏度高、霧化差所引起的缸內燃空當量比增大的情況，從而缸內燃空當量比最校圖１１為Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１０
本文編號：2579590
【圖文】：
２０１６年第４期內燃機工程一情況，使Ｂ１００的燃燒消耗速度高于Ｂ０。在０．２０ｍｍ噴孔直徑時，Ｂ１００的自含氧量不足以彌補由于霧化質量差所導致的燃燒速率降低，因此Ｂ１００的燃燒消耗速率低于Ｂ０。圖３不同噴孔直徑對缸內燃油質量分數的影響圖４為不同噴孔直徑影響下，Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００的累計放熱率曲線對比。從圖４可以看出，由于生物柴油的低熱值低于純柴油，導致在相同噴孔直徑下的累計放熱率隨著生物柴油摻混比的增加而減��；但是，隨著噴孔直徑的增加，生物柴油與純柴油的累計放熱率差距逐漸縮校這是因為噴孔直徑增加使不同燃油與空氣的混合質量變差，一部分燃料不完全燃燒導致了累計放熱率的降低，從而縮小了不同燃料之間的累計放熱率差距。對于三種不同燃料，隨著噴孔直徑的減小，燃燒始點提前，累計放熱率增加。這是因為噴孔直徑的減小提高了燃油噴霧的霧化效果及其與空氣的混合速率，著火更易，燃燒更為充分致使累計放熱率升高，如：當噴孔直徑從０．２０ｍｍ減小到０．１０ｍｍ，Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００的累計放熱率分別增加了２０．７７％、２１．１８％和１８．３６％。此外，三種燃料的噴孔直徑每增加０．５ｍｍ，燃燒持續(xù)期延長約７°～１１°，而燃燒重心推后４°～５°。這是因為隨著噴孔直徑的增加，，燃料與空氣的混合速率降低，燃燒過程變緩所致。圖４不同噴孔直徑對累計放熱率的影響３．２不同噴孔直徑對不同燃料排放特性的影響隨著發(fā)動機排放法規(guī)日益嚴格，大幅降低氮氧化物（ＮＯｘ）和碳煙排放已成為必然趨勢。對于柴油機，ＮＯｘ和碳煙排放較高且二者之間存在此消彼長
２０１６年第４期內燃機工程圖７不同噴孔直徑對ＣＯ排放的影響圖８不同噴孔直徑對缸內溫度場的影響凹坑靠近燃油碰壁的一側和擠流區(qū)域中。在噴孔直徑一定時，隨著生物柴油機摻混比增加，發(fā)動機缸內燃燒溫度降低，原因是生物柴油的熱值低于石化柴油。然而，由于柴油４２．５ＭＪ／ｋｇ和生物柴油３８．０５ＭＪ／ｋｇ的熱值相差不是很大，缸內的溫度差異在相同噴孔直徑下變化不大。圖９為不同噴孔直徑對ＯＨ自由基在缸內分布的影響。ＯＨ自由基的濃度主要在高溫反應階段迅速生成，其濃度極大影響碳煙的氧化反應［１４］。由圖８和圖９可見，ＯＨ主要分布于溫度１５００Ｋ以上的區(qū)域。同一曲軸轉角下，０．１０ｍｍ噴孔直徑的ＯＨ大量生成，其主要分布在凹坑之內；而０．２０ｍｍ噴孔直徑的ＯＨ生成量顯著減少。此外，采用相同噴孔直徑時，Ｂ１００的缸內ＯＨ自由基生成量高于Ｂ０。圖９不同噴孔直徑對羥基（ＯＨ）分布的影響圖１０為Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００采用０．１０ｍｍ和０．２０ｍｍ噴孔直徑時的燃空當量比缸內分布。由圖１０可見，在０．１０ｍｍ噴孔直徑時的氣態(tài)燃料分布較為均勻，且液態(tài)燃油較少；而在０．２０ｍｍ噴孔直徑時，Ｂ１０的燃油分布較集中，液態(tài)燃油的液滴比較多，并且液滴直徑也較大。在相同噴孔直徑時，Ｂ１０由于摻混生物柴油，其噴霧霧化效果變差，導致缸內燃空當量比最高。Ｂ１００因含有１０％左右的原子氧，彌補了由于燃油黏度高、霧化差所引起的缸內燃空當量比增大的情況，從而缸內燃空當量比最校圖１１為Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１０
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本文編號：2579590
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