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        乙醇/柴油燃料配制和對柴油機性能影響的模擬

        2012-03-07 09:06:26張志強趙福全于冠軍韓杰磊
        同濟大學學報(自然科學版) 2012年8期
        關鍵詞:柴油溶劑燃料

        張志強,趙福全,2,于冠軍,韓杰磊

        (1.同濟大學汽車學院,上海201804;2.浙江吉利汽車研究院有限公司,浙江杭州311201)

        隨著全球氣候惡化和溫室效應加劇,以及近年來逐漸形成的對發(fā)展低碳經濟的要求和不斷更新的日益嚴苛的排放法規(guī),柴油機憑借其在CO2排放和油耗方面的優(yōu)勢,在商用車和乘用車領域內所占份額不斷擴大,這給柴油的市場供應提出了一個巨大的考驗.據(jù)統(tǒng)計,2010年12月底中國石化生產柴汽比已經高達2.17[1],以致需要大量進口原油來煉制出滿足需求的柴油.

        燃料乙醇作為一種可再生能源,可通過對含淀粉的農產品或含纖維素的廢棄作物發(fā)酵制取.目前,乙醇/汽油混合燃料已經得到大量的研究和應用[2-4].乙醇作為含氧燃料,與柴油形成混合燃料將能夠有效地減少柴油機的碳煙(soot)和未燃碳氫[5],同時也能夠很好地緩解目前柴油的供需緊張問題.

        由于乙醇分子為極性結構,而柴油具有非極性分子結構的特點,導致乙醇和柴油之間無法直接形成均勻和穩(wěn)定的混合燃料.同時,乙醇/柴油混合燃料的物性參數(shù)隨著乙醇體積分數(shù)和溫度的不同而出現(xiàn)較大變化,這對柴油機的燃料噴射、燃燒和排放特性帶來重要的影響.

        本文首先根據(jù)相似相溶原理選擇四種助溶劑(分別為兩種醇類和兩種酯類),對其助溶特性和長期穩(wěn)定性進行研究;然后對配制得到的乙醇/柴油混合燃料進行密度、表面張力和黏度等物性參數(shù)進行測試和分析,研究其隨乙醇體積分數(shù)和溫度的變化規(guī)律;最后進行乙醇/柴油混合燃料對柴油機性能影響的模擬研究,分析得到最佳的乙醇體積分數(shù).

        1 乙醇/柴油混合燃料的配制

        1.1 助溶劑的選擇

        乙醇柴油混合燃料的配制采用滬四0號柴油和無水乙醇(φ(C2H5OH)=99.7%),其基本參數(shù)如表1所示.

        表1 滬四0號柴油和無水乙醇基本參數(shù)Tab.1 Parameters of Hu IV 0#diesel and ethanol

        乙醇分子為極性結構,無法與主要具有烴基的非極性結構的柴油形成混合燃料.為有助于乙醇在柴油中互溶,必須添加助溶劑.根據(jù)相似相溶原理,助溶劑必需同時具有親油基團和親水基團,其親油基團能夠連接柴油,親水基團能夠連接乙醇,從而實現(xiàn)乙醇和柴油的互相溶解.助溶劑分布在乙醇和柴油的界面上,相當于形成一層保護膜,保證混合燃料處于一種穩(wěn)定狀態(tài).

        選擇的助溶劑有丁醇、庚醇、生物柴油和聚山梨糖醇單油酸酯(Span80),四種助溶劑的基本參數(shù)如表2所示.丁醇和庚醇都同時具有烴基和羥基,滿足作為助溶劑的基團要求;生物柴油和Span80主要的官能團為酯基(R—COO—R′),也帶有一定量的羥基,可以作為乙醇柴油的助溶劑.

        表2 四種助溶劑基本參數(shù)Tab.2 Parameters of the 4solubilizers

        1.2 助溶劑的助溶特性試驗

        試驗過程用的主要儀器:量筒、燒杯、試管、玻璃棒、帶膠圈密封的廣口瓶、推液器和試劑瓶.試驗過程環(huán)境溫度為10~15°C.

        1.2.1 單一助溶劑試驗

        首先研究單一助溶劑的助溶作用,往試管中加入7mL柴油和2mL乙醇,然后用推液器每次加入0.1mL的助溶劑,振蕩攪拌后靜置10min,直到混合溶液變得澄清透明,記錄下此時總共加入的助溶劑體積,試驗結果如圖1所示.

        圖1 單一助溶劑添加體積Fig.1 Volumes of the single solubilizers

        對比兩種醇類的添加體積可知,碳原子數(shù)較大的庚醇所需添加的體積較少,比丁醇具有更好的助溶效果;兩種酯類的助溶效果對比,Span80的助溶效果更好;醇類比酯類具有更好的助溶能力.

        1.2.2 復合助溶劑試驗

        考慮“醇類+酯類”形成的復合助溶劑效果進行復合助溶劑試驗.具體方案如下:方案1(丁醇+生物柴油)、方案2(丁醇+Span80)、方案3(庚醇+生物柴油)和方案4(庚醇+Span80),復合助溶劑中兩種試劑的體積比分別為3∶7,5∶5和7∶3.

        圖2 復合助溶劑添加體積Fig.2 Volumes of the compound solubilizers

        如圖2所示,隨著復合助溶劑中醇類體積比的增加,所需添加的助溶劑體積逐漸減小,助溶效果得到增強,表明復合助溶劑的助溶效果受醇類的影響較大;庚醇型的復合助溶劑比丁醇型的復合助溶劑的助溶效果要好;與單一醇類助溶劑(庚醇)相比,復合助溶劑助溶效果欠佳,所以選擇庚醇為助溶劑.

        1.2.3 不同體積分數(shù)乙醇混合燃料的配制

        以庚醇為助溶劑,配制ED10,ED20和ED30混合燃料(ED代表乙醇/柴油混合燃料,數(shù)字代表乙醇體積分數(shù),ED0代表純柴油),所需庚醇的體積如圖3所示.

        圖3 庚醇添加體積和庚醇與乙醇體積比Fig.3 Volumes of heptanol and volume ratio of heptanol and ethanol

        隨著混合燃料中乙醇體積分數(shù)的增大,需要添加的庚醇也增加;其中庚醇和乙醇的體積比為0.2(如圖3右側所示),這表明每助溶1mL的乙醇,需要添加0.2mL庚醇,這一比例關系基本與柴油的體積無關.

        1.2.4 混合燃料的長期穩(wěn)定性

        將ED10,ED20和ED30乙醇/柴油混合燃料密封保存在廣口瓶.2個月后將其取出,混合燃料仍然澄清透明,沒有分層.這表明經妥當保存,乙醇/柴油混合燃料能夠長期穩(wěn)定存儲.

        2 乙醇/柴油混合燃料物性參數(shù)測量

        2.1 物性參數(shù)測試范圍和方法

        本文對ED10,ED20,ED30乙醇/柴油混合燃料進行密度、表面張力和黏度等關鍵物性參數(shù)測量;測試的溫度為5~60℃,該溫度范圍基本和柴油機中燃料實際溫度范圍一致.

        密度測量根據(jù)經典的阿基米德浮力原理,所采用的儀器是上海方瑞儀器公司的MDY-2電子密度儀,該儀器的測量量程為0.000 1~10.000 0 g·cm-3,測量精度為±0.000 1g·cm-3.

        表面張力的測量方法有毛細上升法、最大氣泡壓力法、拉脫法、滴重法和表面波法[8-9].本文采用拉脫法,其原理是將鉑金板放在液面上與待測液體相接觸,在該液體中拉動鉑金板所需拉力由液體表面張力和板的面積所決定,如此便測得表面張力.采用的儀器為上海方瑞儀器公司的QBZY-1表面張力儀,測量量程為0~999mN·m-1,測量精度為0.1 mN·m-1.

        黏度測量方法為旋轉式測量,原理是轉子旋轉過程中受到待測液體的黏滯阻力,產生黏滯扭矩,進而帶動指針出現(xiàn)一定的偏轉角,再通過換算得到待測液體的動力黏度.所采用的儀器是上海方瑞儀器公司的NDJ-1S電子黏度儀,測量量程為1~100 000mPa·s,測量精度為±0.1mPa·s.

        測量過程利用上海方瑞儀器公司的DC2006水槽來保持恒溫,其能夠實現(xiàn)5~95℃之間的恒溫,溫度控制精度為0.1℃.

        2.2 不同配比乙醇/柴油混合燃料的物性參數(shù)測量

        2.2.1 密度

        圖4給出不同配比下乙醇柴油混合燃料的密度ρ(單位為g·cm-3)隨溫度T(單位為℃)和乙醇體積分數(shù)的變化關系.在不同溫度時,隨著乙醇體積分數(shù)的增大,混合燃料的密度降低;在不同乙醇體積分數(shù),隨著溫度的增大,混合燃料的密度基本呈線性降低趨勢.

        對試驗測試數(shù)據(jù)進行擬合,可得到混合燃料的密度ρ與乙醇體積分數(shù)φ和溫度T的關系式為

        圖4 混合燃料密度隨乙醇體積分數(shù)和溫度的變化關系Fig.4 Density of the blend fuels variation with ethanol volume percentage and temperature

        2.2.2 表面張力

        燃料的表面張力σ對燃油的噴射、破碎、初始霧化、二次霧化和壁面油膜[10]形成有著重要影響.

        乙醇/柴油混合燃料的表面張力σ(單位為mN·m-1)隨不同乙醇體積分數(shù)φ和溫度T變化關系如圖5所示.不同溫度時,隨著乙醇體積分數(shù)的增大,混合燃料的表面張力逐漸降低;在不同乙醇體積分數(shù)時,隨著溫度的增大,混合燃料的表面張力呈線性降低趨勢.

        圖5 混合燃料表面張力隨乙醇體積分數(shù)和溫度的變化關系Fig.5 Surface tension of the blend fuels variation with ethanol volume percentage and temperature

        對試驗測試數(shù)據(jù)進行擬合,得到混合燃料的表面張力σ與乙醇體積分數(shù)φ和溫度T的擬合公式

        2.2.3 黏度

        黏度是流體在流動過程中內部摩擦現(xiàn)象的一種體現(xiàn),內部摩擦越大,黏度越大.燃料相對分子質量越大,意味著分子間碳氫鍵連接越多,其黏度也將越大.燃油的黏度對供油系統(tǒng)的潤滑性和燃油的噴射及霧化過程有非常重要的影響,適當?shù)酿ざ饶軌虮WC供油系統(tǒng)的正常運轉,過大或過小的黏度將加劇噴油系統(tǒng)的磨損,導致發(fā)動機的機械效率降低[11].燃油噴射時的前進速度、噴霧錐角、貫穿距、霧化液滴的大小和壁面油膜的形成等都受到黏度影響.乙醇/柴油混合燃料的黏度η(單位為mPa·s)隨不同乙醇體積分數(shù)和溫度變化關系如圖6所示.不同溫度下,隨著乙醇體積分數(shù)的增大,混合燃料的黏度降低,但在高溫時黏度隨乙醇體積分數(shù)的增大而降低的趨勢減緩;不同乙醇體積分數(shù),隨著溫度的增大,混合燃料的黏度呈指數(shù)降低趨勢.

        對試驗測試數(shù)據(jù)進行擬合,得到混合燃料的黏度η與乙醇體積分數(shù)φ和溫度T的關系式為

        其中:

        圖6 混合燃料黏度隨乙醇體積分數(shù)和溫度的變化關系Fig.6 Viscosity of the blend fuels varies with ethanol volume percentage and temperature

        3 乙醇/柴油混合燃料對柴油機性能影響的模擬研究

        3.1 模擬研究條件和計算模型及驗證

        3.1.1 模擬研究條件

        用于模擬研究的柴油機基本參數(shù)如表3所示.

        表3 柴油機基本參數(shù)Tab.3 Parameters of the diesel engine

        模擬研究的轉速為2 200r·min-1,總噴油質量為55mg(預噴油質量和主噴油質量分別為3mg和52mg,噴油定時分別為上止點前CA(crank angle,CA)為20°和上止點前CA為4°.由于柴油機燃燒室具有軸對稱特點,為節(jié)省計算時間,計算區(qū)域根據(jù)噴油器噴孔數(shù)(8孔)取為燃燒室的1/8,計算過程從進氣門關閉時刻(CA為213°)到排氣門打開時刻(CA為499°).圖7給出位于上止點時刻的燃燒室網格圖,整個燃燒室網格數(shù)為24 127個.

        3.1.2 計算模型及驗證

        計算模型中的湍流模型選取k-ξ-f模型[12],燃油霧化及油膜形成模型分別選取wave和wallfilm模型,燃燒模型選取extended coherent flame-3Z模型(簡稱ECFM-3Zmodel),蒸發(fā)模型選取multicomponent evaporation模型,NOx和soot生成模型分別選取Zeldovich模型和Kennedy-Hiroyasu-Magnussen模型[13].

        圖7 上止點時刻計算網格Fig.7 Calculation model mesh on the TDC

        圖8和圖9為模擬得到的缸壓、NOx和soot排放數(shù)據(jù)與試驗結果的對比,兩者基本一致,說明所建模型是合理的,并能夠應用于后續(xù)模擬研究.

        3.2 乙醇/柴油混合燃料對燃油霧化和油膜形成的影響

        圖10給出不同乙醇體積分數(shù)下蒸發(fā)燃油、碰壁燃油和壁面形成的油膜的質量分數(shù)的對比(質量分數(shù)為對應質量占噴油質量的分數(shù);壁面統(tǒng)指燃燒室表面、缸壁面和缸蓋底面等計算域內部壁面).

        伴隨著乙醇體積百分比的增大,混合燃料的表面張力和黏度逐漸降低(如圖5和6所示),這有利于加快燃油的蒸發(fā)和減少碰壁后燃油在壁面上的堆積[10].如圖10所示混合燃料的蒸發(fā)燃油質量分數(shù)逐漸增加,燃油的霧化效果得到改善;碰壁燃油質量分數(shù)逐漸減少,在壁面形成的油膜逐漸減少,這樣將有利于減少對缸壁機油的侵蝕[14]和降低碳氫排放.

        3.3 乙醇/柴油混合燃料對燃燒過程的影響

        不同乙醇體積分數(shù)下缸內壓力、溫度、放熱率和累計放熱量的對比分別如圖11和12所示.

        由于乙醇的低熱值較低(見表1),與柴油摻混后將導致混合燃料的低熱值降低,所以隨著乙醇體積分數(shù)的增加,混合燃料的累計放熱量逐漸降低,缸內壓力和溫度也有一定程度的降低,如圖11所示.另外,由于乙醇的十六烷值較低,與柴油摻混后將延長混合燃料的滯燃期,如圖12所示.在CA為350°到360°范圍ED0有明顯的預混燃燒放熱,而混合燃料(ED10,ED20和ED30)出現(xiàn)預混燃燒的相位較為滯后,并且現(xiàn)象較不明顯.

        圖11 不同乙醇體積分數(shù)下缸內壓力和溫度Fig.11 Cylinder pressure and temperature with different ethanol volume percentages

        3.4 乙醇/柴油混合燃料對排放物生成的影響

        圖13給出了不同乙醇體積分數(shù)下的NOx和soot生成的對比.從NOx生成機理可知,缸內溫度越高越有利于NOx的生成.而從圖11可知,隨著乙醇體積分數(shù)的增加,缸內溫度逐漸降低,進而NOx排放逐漸減少.soot生成主要條件為局部當量比大于1.5和缸內溫度大于1 500K.乙醇作為含氧燃料,與柴油摻混后,能夠提高混合燃料中氧含量,進而降低當量比,并且缸內溫度得到一定降低,所以隨著乙醇體積分數(shù)的增加,soot排放逐漸減少.

        3.5 乙醇/柴油混合燃料對動力性、當量比油耗和燃燒噪聲的影響

        本文采用平均指示有效壓力PIMEP來衡量使用混合燃料時柴油機的動力性.由于混合燃料的低熱值不同,本文采用當量比油耗BEISFC[15]來比較使用混合燃料時柴油機的油耗,其計算公式如下:

        式中:BISFC是混合燃料的指示燃油消耗率,HD是柴油的低熱值,HL是混合燃料的低熱值,其計算公式如下:

        式中:ρD為柴油密度,ρE是乙醇密度,HE是乙醇的低熱值.

        燃燒噪聲采用響振強度[16-17]R來評價,響振強度越大代表燃燒噪聲越大,響振強度計算公式如下:

        綜合而言,在保證柴油機動力性下降不多的前提下,ED10(即乙醇體積分數(shù)為10%)能夠使柴油機的燃燒霧化效果得到改善,NOx和soot排放降低,當量比油耗和燃燒噪聲減少,因而是綜合性能最佳的混合燃料方案.

        圖14 不同乙醇體積分數(shù)下PIMEP,BEISFC和R值為對比Fig.14 PIMEP,BEISFCand Rwith different ethanol volume percentages

        4 結論

        (1)醇類助溶劑比酯類和“醇類+酯類”組成的復合助溶劑具有更好的助溶效果.本文最終選擇庚醇作為助溶劑,并發(fā)現(xiàn)隨著乙醇濃度的增加,需要添加的庚醇量呈線性增加.

        (2)獲得由滬四0號柴油和無水乙醇配制得到的混合燃料的密度、表面張力和黏度隨乙醇體積分數(shù)和溫度變化的經驗公式.

        (3)隨著乙醇體積分數(shù)的增加,混合燃料的霧化效果有所改善,在壁面形成油膜明顯減少;由于低熱值的降低導致累計放熱量、缸內壓力和溫度降低,動力性下降,當量比油耗和燃燒噪聲降低;對缸內溫度的降低和提高燃料中氧含量有利于減少NOx和soot排放.

        (4)ED10是綜合性能最佳的混合燃料方案.

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