（动力机械及工程专业论文）jx493柴油机燃用生物柴油的燃烧分析及试验研究.pdf

摘要 摘要 生物柴油具有可再生性、绿色性，既能增强能源安全、改善环境，还能开 拓新的经济产业链，被认为是解决全球能源危机的最理想途径之一，逐渐成为 柴油替代燃料中的焦点。 本文试验部分对j x 4 9 3 柴油机在工况点1 8 0 0 r p m 1 2 0n m 下，利用自编 l a b v i e w 示功图采集软件对柴油机燃用b 0 、b 1 0 、b 2 0 、b 3 0 四种不同燃料时 进行缸压数据采集，并用l a b v i e w 编程燃烧分析软件分析相应燃料的燃烧特性。 试验结果表明，随着生物柴油掺入量的增加，压力峰值和压力升高率峰值都下 降且减小幅度逐渐增大，并且其对应的曲轴转角略有提前；燃烧迟滞，放热率 峰值减小且对应的曲轴转角明显后移，累积放热明显下降；前期放热率逐渐减 小，后期放热率略有增大。 本文利用f i r e 软件对j x 4 9 3 柴油机燃烧过程的多维模拟建立于生物柴油物 性参数估算基础上，通过试验数据的验证模拟模型，对喷雾和燃烧模拟结果进 行了瞬态分析，从气缸内瞬态变化推断导致试验结果中b 0 、b 1 0 、b 2 0 放热规 律变化和区别的原因。模拟分析结果还表明：燃料中生物柴油含量越高，索特 直径和贯穿距会越大，缸内气体运动强度会得到增强，缸内平均温度会下降但 是存在局部高温区域。 从试验和模拟结果分析来看，混合燃料b 1 0 与石化柴油在燃烧性能方面相 差不大，并且b 1 0 的压力升高率峰值较低，会使得柴油机工作较为柔和，受到 的冲击负荷将会减小，振动和噪音也会下降，所以b 1 0 代替石化柴油是实际可 行的。 关键词：生物柴油；l a b v i e w ；燃烧特性；f i r e a b s t r a c t a b s t r a c t b i o d i e s e li sar e n e w a b l ea n dg r e e ne n e r g yr e s o u r c e ，n o to n l ye n h a n c i n ge n e r g y s e c u r i t ya n di m p r o v i n gt h ee n v i r o n m e n t ，b u ta l s oc r e a t i n gan e we c o n o m i c a li n d u s t r i a l c h a i n ，s oi ti sc o n s i d e r e do n eo ft h eb e s tw a y st os o v l et h eg l o b a le n e r g yc r i s i sa n d b e c o m i n gt h ef o c u so ft h ed i e s e la l t e r n a t i v ef u e l s i nt h i s p a p e r , t h ee x p e r i m e n t sw e r e u n d e rl o a da t8 0 0 r p m 12 0n m ，a n d c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u e lb 0 、b10 、b 2 0 、b 3 0w a st e s t e da n da n a l y s e db y al a b v i e w p r o g r a m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i t l lt h ei n c r e a s ei nt h e a m o u n to fb i o d i e s e lm i x e di n t ot h ef u e l ，t h ep e a ko f p r e s s u r ea n dp r e s s u r er i s er a t e d e c l i n e d ，t h e i rc o r r e s p o n d i n gc r a n ka n g l ew a ss l i g h t l ya d v a n c e d ，t h es t a r ta n de n do f c o m b u s t i o nw a s p o s t p o n e d ，t h ep e a ko fh e a tr e l e a s er a t ed e c r e a s e da n di t s c o r r e s p o n d i n gc r a n ka n g l es i g n i f i c a n t l ys h i f t e db a c k ，t h ec u m u l a t i v eh e a tr e l e a s e d e c l i n e d ，h e a tr e l e a s er a t ei nt h ep r o p h a s eg r a d u a l l yd e c r e a s e db u ts l i g h t l yi n c r e a s e d i nt h ea n a p h a s e m u l t i d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no ft h ed i e s e lc o m b u s t i o nu n d e rf i r ew a sb a s e d o nt h ee s t i m a t e so ft h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h eb i o d i e s e l ，w h i c hw a sv e r i f i e db y t h e d a t af r o mt h ee x p e r i m e n t s t h r o u g ht h et r a n s i e n ta n a l y s i so ft h es p a ya n dc o m b u s t i o n s i m u l a t i o n ，t h i sp a p e ri n f e r r e dt h er e a s o n so ft h ec h a n g e sa n dt h ed i f f f e r e n c eo f c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb 0 、b10 、b 2 0 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o w e dt h a t t h eh i g h e rt h ec o n t e n to ft h eb i o d i e s e li nt h ef u e lw a s ，t h eh i g h e rt h es a u t e rd i a m e t e r a n dp e n e t r a t i o ng o t ，t h eg r e a t e rt h ec y l i n d e rg a se x e r c i s ei n t e n s i t ye n h a n c e d ，t h el o w e r t h ec y l i n d e ra v e r a g et e m p e r a t u r eb e c a m eb u tt h e r ew e r es o m el o c a lh i 曲t e m p e r a t u r e z o n e s f r o mt h e a n a l y s i s o fe x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h ec o m b u t i o n p e r f o r m a n c eo fb 10i sg r e a t l ys i m i l a rt od i e s e l ，m e a n w h i l e t h ep e a ko fp r e s s u r er i s e r a t ew a sl o w e rw h i c hm a d et h ed i e s e le n g i n ew o r ks o f t l ya n dr e d u c e di m p a c tl o a d 、 v i b r a t i o na n dn o i s e s ob10i n s t e a do fd i e s e li sf e a s i b l e k e yw o r d ：b i o d i e s e l ；l a b v i e w ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；f i r e i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 生物柴油的发展概况 世界范围内逐渐加快的车辆柴油化趋势，使得未来柴油的需求量会愈来愈 大，并且石油资源日益枯竭的形势和人们环保意识的提高，都大大促进了世界 各国加快柴油替代燃料的开发步伐。生物能源具有的可再生性、绿色性，既能 增强能源安全，并且改善环境，还能开拓新的经济产业链，被认为是解决全球 能源危机的最理想途径之一。进入了2 0 世纪9 0 年代，生物柴油以其优越的环 保性能受到了各国的重视，成为了生物质液体燃料中的焦点。 生物柴油属于生物质能的一种，是原料油通过酯交换工艺，利用热裂解等 技术得到一种长链脂肪酸的单烷基酯，其性能与柴油极为相似的，从而可以代 替石化柴油的再生性燃料，因此称其为生物柴油【i 】。生物柴油的原料油来源途径 十分宽广，例如油料作物、野生油料植物、工程微藻等水生植物油脂、动物油 脂、餐饮垃圾油等。生物柴油的有机成分十分复杂，是由一些分子量大的含氧 量极高的有机物混合而成，混合成分几乎包括如醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、 醇等所有种类的含氧有机物。生物柴油的研究始于2 0 世纪五六十年代，发展于 七十年代；到了八十年代中后期欧洲各国、美国等相继成立专门研究机构，投 入大量的人力物力进行生物柴油研究，并且政府也通过政策优惠手段鼓励生物 柴油的研究、生产和应用，自此生物柴油这一新经济产业得到了迅猛地发展。 1 1 1 国外发展现状 据报告，2 0 0 1 年全球生物柴油生产量为9 5 9 亿升，而2 0 0 9 年全球生物柴 油生产量增长到1 5 7 6 0 亿升，年均增长率为4 1 9 。随着各国政府能源独立性 的提高和对能源需求结构调整的各方面支持及鼓励的加强，估计到2 0 2 0 年生物 柴油市场生产量可达4 5 2 9 1 亿升，其2 0 0 9 年至2 0 2 0 年间年均增长率可达 1 0 1 。欧洲是2 0 0 9 年生物柴油领先的生产和消费市场，占全球生产份额4 9 8 ； 美国占全球生产份额3 2 8 ，位居全球第二位；亚太地区虽然仅占4 4 的份额， 但其增长趋势日益加快【2 1 。 ( 1 )欧盟 第1 章绪论 生物柴油、生物乙醇和沼气已经成为欧盟的生物能源产业主要领域，其中 生物柴油位居需求量第一位。据调查，生物燃料占欧盟运输燃料总消费量的2 0 0 6 年、2 0 0 7 年和2 0 0 8 年三年市场份额分别约为2 0 6 、2 4 9 和2 6 8 。其中， 生物柴油、生物燃料乙醇和纯植物油占欧盟生物运输燃料消费量的百分比依次 为7 5 、2 0 和5 3 1 。 按照京都议定书规定，欧盟2 0 0 8 - - 2 0 1 2 年间要减少c 0 2 排放量8 。 为了达到这一目标，欧盟制订了欧盟生物燃料战略，到2 0 1 0 年生物燃料占 全部燃料的比重将增长到5 7 5 。此外，欧盟也发布了两项与其生物柴油生产相 适应的指令减低生物柴油的税率；2 0 0 9 年以后，强制性地规定生物燃料调配入 车用燃料的掺入量最小值为1 ，计划将2 0 2 0 年生物柴油的市场占有率提高至 1 2 。对使用替代燃料的立法支持和差别税收的刺激，大大提高了生物柴油与其 他柴油燃料的竞争力。目前，欧盟已步入生物柴油技术发展成熟阶段，生物柴 油生产能力现约为2 2 0 0 万吨。欧盟生物柴油委员会于2 0 1 0 年7 月2 3 日发布的 统计数字显示，2 0 0 9 年欧盟生物柴油生产量增长1 6 。6 至9 0 0 万吨，这一增长 率远低于前4 年中3 年的生产增长率( 2 0 0 8 年为3 5 ，2 0 0 7 年为1 6 ，2 0 0 6 年为5 4 ，2 0 0 5 年为6 5 ) 。尽管生产增长较慢，欧盟仍然是世界上领先的生物 柴油生产地区，生物柴油占欧盟生物燃料生产量约7 5 。 德国是较早开发利用生物柴油的欧盟主要成员国之一，约有2 0 以上的油 菜籽可以直接用于生产生物柴油，现在大概有2 0 家生产生物柴油企业，德国境 内生物柴油加油站每年以7 的速度增长，每十个加油站就有一个可以提供生物 柴油，生物柴油成为第一个在德国全国范围都可以获得的替代燃料【4 j 。德国油料 促进组织( u f o p ) 预示【5 ，2 0 1 0 2 0 1 5 年，将配拨1 8 0 万公顷或可耕地的1 5 生产菜籽油，将产油2 8 0 万吨，除去食品用6 0 万吨，再加上进口8 0 万吨，可 用于生物柴油就有3 0 0 万吨菜籽油；进口1 0 0 万吨大豆油和棕桐油，使可用于 生物柴油的总量达到4 0 0 万吨。以柴油消耗量约3 0 0 0 万吨来估算，生物柴油将 占有德国柴油市场的1 3 。 ( 2 ) 美洲 美国主要发展大豆油为原料的生物柴油，是世界上第二大生物柴油生产国。 美国政府一直通过各种刺激措施和政策举措鼓励生产和使用生物柴油。为了满 足2 0 0 7 年能源独立和安全法( e i s a ) 的规定，可再生燃料标准2 ( r f s2 ) 计 划业已出台， r f s2 规定生物柴油到2 0 1 2 年最少生产1 0 亿加仑，比现在要高 2 第1 章绪论 出5 0 以上。2 0 0 8 年，美国生物柴油产量为2 7 0 万吨，仅向欧盟地区出1 5 1 生物 柴油就超过了1 5 0 万吨。近年，欧盟对美国进口的生物柴油开始征收临时反倾 销和反补贴关税，使得美国生物柴油出口市场需求疲软，再加之原材料价格涨 高，导致2 0 1 0 年生物柴油产量下降至1 1 0 万吨，相对于2 0 0 9 年的1 9 0 万吨下降 了约7 3 。 巴西2 0 0 5 年1 月颁布了1 1 0 9 7 2 0 0 5 法案，大力鼓励小生产商和农场主进行 生物柴油产业发展，并强制性要求将生物柴油混入石化柴油中：2 0 0 8 年1 月要 求混入2 ，2 0 0 8 年7 月至2 0 0 9 年6 月增加到3 ，2 0 0 9 年7 月则为4 ，到 2 0 1 3 预计达到5 t 引。由于政策支持和国内积极投资，巴西的生物柴油生产高速 发展着，巴西政府提前了有关柴油添加剂规定这一目标，决定从2 0 1 0 年1 月1 日起开始在市场上销售的柴油中添加5 的生物柴油。目前，巴西共有约4 3 家 生物柴油生产厂，其每年生产能力估计为3 6 亿升。2 0 1 0 年巴西生物柴油产量将 达到2 1 0 万吨，比2 0 0 9 年产量1 4 0 万吨增长4 5 。 近年来，阿根廷生物柴油生产规模得到不断扩大发展，并且阿根廷政府政 策规定要求成品油中必须添加生物燃油且其添加量为7 ，阿根廷生物柴油产量 逐年递增。2 0 0 9 年阿根廷的生物柴油产量为1 1 8 万吨，出口量为1 1 5 万吨，国 内生物柴油消费量为2 万吨。2 0 1 0 年生物柴油产量比2 0 0 9 年增长了约5 6 ，达 到了1 8 5 万吨，其中出口量为1 3 3 万吨，国内生物柴油消费量为5 3 万吨，已经 超过了美国成为世界第四大生物柴油生产国。阿根廷目前有2 3 个生物柴油工厂， 嘉吉公司和美洲公司还计划于2 0 1 1 年在阿根廷中部的圣菲省建造大型生物柴油 工厂，设计年产量分别可达到2 4 万吨和2 2 万吨。目前阿根廷政府正在制定一 系列鼓励生物柴油生产和使用的政策，预计阿根廷生物柴油产能未来还将进一 步提高。 哥伦比亚2 0 0 4 年开始从棕榈油中提炼生物柴油，现阶段正研究用松子油、 蓖麻、甜菜、向日葵籽和大豆作生物燃料的原材料，并计划进一步开发新型原 料，如甘薯粉、高梁、香蕉、鳄梨和咖啡豆残渣等。生物柴油在哥伦比亚发展 也生机勃勃，2 0 0 9 年哥伦比亚已有6 家棕油生物柴油厂运行中，其全国生物柴 油产量估计为4 8 4 万吨。 ( 3 ) 亚洲其它国家 马来西亚的棕榈油是生物柴油主要原材料，2 0 0 8 年出口约1 4 2 1 万吨棕榈油， 全球棕榈油的4 2 ，5 产自马来西亚。马来西亚1 9 8 0 年开始生物燃料发展，1 9 8 2 第1 章绪论 年开始在实验室研究棕榈油生物柴油，1 9 8 4 年建立了生产量为3 0 0 0 吨的试验工 厂。2 0 0 8 年马来西亚生物柴油协会( m a l a y s i a nb i o d i e s e la s s o c i a t i o n ，m b a ) 统 计了全国有l o 种植物可生产生物柴油，其总产能为1 2 0 万吨年。2 0 0 9 年又增 加了4 种植物，每年可增加1 9 万吨生物柴油 _ ”。据美国农业部海外农业服务中 心报告显示，马来西亚2 0 0 9 年产量为2 2 2 万吨，预计2 0 1 0 年产量为2 7 5 万吨。 印度尼西亚生物柴油原料主要来自棕榈原油、麻风树，政府指定国家石油 公司通过全国各地加油站推销生物柴油，自2 0 0 8 年以来，在雅加达、巴厘岛等 地已有2 0 0 多个加油站销售生物柴油。2 0 0 7 年，印度尼西亚投产1 9 家生物柴油 厂，产能达到1 7 5 万吨哺1 。 日本1 9 9 3 年推出了“能源与环境领域综合技术开发推进计划”开始研究生物 柴油，同年，染谷商店集团有限公司成功研发出从i o o l 废食用油中加工出9 5 l 的v d f ( v e g e t a b l ed i e s e lf u e l ) 或b d f ( b i o d i e s e lf u e l ) 一j 。1 9 9 9 年建立了2 5 9 l d 的以煎炸油为原料、采用酯交换工艺生产生物柴油的工业化实验装置，2 0 0 5 年日本生物柴油年生产能力已达4 0 万吨【1 刚，2 0 0 9 年在京都建成总耗资1 0 亿日 元的日生产能力可达3 万升的生物柴油工厂。 韩国2 0 0 2 年从德国引进了生产技术，生物柴油的生产能力为1 0 万吨年。 此后，韩国消化吸收国外技术，积极地自主研究发展本国生产技术，先后成立 了1 6 - 2 0 家生物柴油企业。据估计，s k 化学公司、爱京油化公司、3 m 公司、 艾慕集团k a y a 能源公司等等企业的设计生产能力都在3 万吨年以上，其中艾 慕集团能源公司生产能力可达4 8 万吨年【l 。 1 1 2 国内发展现状 我国生物柴油这一课题最先由著名学者闵恩泽院士明确提出的，2 0 世纪8 0 年代时国内就开始对植物油进行了试验探索，随后部分设计院、研究所、高校、 企业都不同程度进行了生物柴油的研究。正是由于国家大力支持和相关研究， 使得生物柴油成为国内快速发展的新兴产业。 我国政府在政策和措施方面对生物柴油的研究和发展十分重视。2 0 0 4 年，科 技部高新技术和产业化司启动了“十五”国家科技攻关计划“生物燃料油技术 开发”项目。2 0 0 5 年，涵盖了生物柴油的替代燃料发展战略研究开始进行，同 年4 月，国家发改委工业司主办了生物能源和生物化工产品科技与产业发展战 略研讨会，探讨了生物柴油发展问题。2 0 0 5 年5 月，国家“8 6 3 计划 生物和 4 第1 章绪论 现代农业技术领域中的“生物能源技术开发与产业化”项目提前启动，并发布 设有的“生物柴油生产关键技术研究与产业化”相关课题的指南。2 0 0 6 年1 月 1 日我国开始实施可再生能源法，正式将生物柴油加入到能源发展的优先领 域。2 0 0 6 年7 月1 日中国生物质燃料工艺、装备及国家标准交流会在上海成功 举办，会议上通过了由中国石油化工科学研究院负责起草的柴油机燃料调和 生物柴油( b d l 0 0 ) 国家标准。2 0 0 7 年5 月正式颁布实施生物柴油国家标准 0 3 1 0 0 ) ，该标准将对推动我国生物质能源产业的健康快速发展具有重大战略意 义。2 0 1 0 年又颁布了含5 生物柴油的柴油机调合燃料( b 5 ) 国家标准，合 理而严谨的新规范会将我国生物柴油行业引向健康积极的发展轨道上。随着b 5 标准的实施，在未来几年，我国将根据生物柴油产量、市场销售情况、汽车 业反应等综合因素，将进行b 7 、b 1 0 标准的制定，未来将考虑b 2 0 标准的制定。 在生产规模方面，我国生物柴油产业起步比较晚，但近年发展比较迅速。 2 0 0 1 年9 月，由海南正和生物能源公司在河北投资并建成了我国第一家生物柴 油生产工厂，以废烹调油和林木果实种子油等为原料，其年产生物柴油一万吨。 2 0 0 2 年9 月在福建龙岩市，福建卓越新能源发展公司投资1 2 0 0 万元建成了年产 规模大约2 万吨的生产基地，其生物柴油原料来自动植物油脂。2 0 0 6 年9 月1 2 日，中海油在四川签署发展生物柴油的协议，将陆续投资2 3 4 7 亿元在攀枝花建 成一个年产1 0 万吨的生物柴油基地。2 0 0 6 年年底，国内一家由奥地利b i o l u p 独资的生物炼油厂开始生产生物柴油，其产量为1 万吨年，产品全部出口欧盟。 2 0 0 6 年1 2 月，湖南省益阳海纳百川生物有限公司投运了全球第一套生物酶法新 工艺生产生物柴油的工业化装置，其产量为2 万吨年。2 0 0 7 年，天冠集团自主 研发了生产生物柴油技术，以地沟油等废油或野生油料果榨出的非食用油为原 料，建成年产3 万吨生物柴油生产线。据粗略统计，2 0 0 7 年时我国已有万吨以 上大型生物柴油生产企业5 0 余家，但是各企业生产效率不尽相同，其总产量估 计只有3 0 万吨左右。这些企业中，四川古杉集团、江苏太仓的荣利新能源有限 公司等的年生产能力可达1 0 万吨以上；安徽国风生物能源有限公司、江苏南京 清江生物能源科技有限公司等可达5 万吨以上【1 2 】。2 0 0 8 年，中国农技有限公司 ( c a t ) 与广西北海市政府合作，计划投资2 亿美元建立一个年产量达2 0 0 万吨 生物柴油提炼厂。中海油与清华大学合作研究的“车用生物柴油生产标准和发动 机适应性”项目己于2 0 0 9 年1 1 月完成。中海油在海南省已建立了以麻风树为主 要原料的生物柴油生产基地，目前年产量达到了6 万吨年，并且中海油2 0 10 年 5 第1 章绪论 初已开始在海南省全面推广使用b d 5 柴油混合燃料。 按照国家规划，我国生物柴油在“十一五”期间是工业示范阶段，初步实现技 术产业化；“十二五”期间是工业推广阶段，实现产业规模化；“十三五”期间则进 入大发展阶段，大力发展可再生资源，扩大生物柴油的生产能力。据国家发改 委计划，2 0 1 0 年生物柴油年产量达到2 0 万吨，2 0 2 0 年年产量发展到2 0 0 万吨。 1 2 发展生物柴油的意义 生物柴油作为替代燃料是当前可再生能源发展的一个趋势，在我国是一个 新兴的行业，其发展对于我国的环境方面和社会经济方面具有重大现实意义。 1 2 1 环境效益 ( 1 ) 降低c 0 2 排放。美国能源部研究指出 1 3 1 ：从燃料生命循环的角度考虑， 使用含有生物柴油体积分数为2 0 的混合燃料和纯生物柴油较之于燃用石化柴 油，c 0 2 排放分别降低的1 5 6 和7 8 4 。 ( 2 ) 降低空气污染物的排放。生物柴油由于含氧1 0 左右，十六烷值较高， 且不含芳香烃和硫，因此它能使气体排放物中c o 、h c 、微粒、s o x 等污染物 降低，尤是柴油机的排气中气态和颗粒状态多环芳烃和硝基多环芳烃等，在高 浓度环境中对长期暴露下的人体有致癌作用 1 4 , 1 5 】。 ( 3 ) 减少对水体和土壤的污染。生物柴油的生产能回收大量的生活和工业废 油，防止废油进入江河使得水质过度肥化引发“赤潮”等现象。与石化燃料相 比，生物柴油更易生物降解，生物柴油和普通柴油三星期后的生物分解率为9 8 和7 0 ，所以生物柴油在生产和使用中如有泄露，其对土壤的污染比较小。 ( 4 ) 增加国土绿化面积。发展生物柴油产业必将加大栽种油料作物、油料林 木和油料水生植物，这样可以提高我国国土中不适合种植粮食作物的贫瘠荒地 的利用，进而大大增加国土绿化植被面积，有效地控制水土流失，调节环境气 候，保持生态平衡。 1 2 2 社会经济效益 ( 1 ) 发展生物柴油可以缓解我国能源紧张的现状。随着经济的发展，我国原 油生产产量已经远远不能满足国民生产以及日常消费所需，并且柴油占我国石 油消费的比重很大，柴汽油供需不平衡，并且太过依赖进口。近几年，尽管炼 6 第1 章绪论 化企业通过高新技术改造使柴汽油产量不断提高，但仍不能完全解决燃料供应 紧张问题。因此，鼓励和支持发展生物柴油产业，使生物柴油成为我国能源结 构的一个有益的补充，既可以合理地调整国内柴汽供需比例，还可以缓解我国 长期依赖石油进口的压力，对我国的能源安全问题有深远意义。 ( 2 ) 发展生物柴油对我国农业发展及西部地区经济也有积极意义。发展生物 柴油产业可以很好地利用西部贫瘠的未开发土地，刺激油料林业的发展，不会 威胁到粮食安全问题而且利于调整农业结构；同时，利用乡镇民营企业灵活的 机制，建立小规模的生产工厂，于农民手中收集原料，经乡镇工厂加工生产生 物柴油，减少了原料收集和运输成本。可见，因地制宜地发展生物柴油既能创 造就业机会，又能提高农民的收入，这是有利于西部地区经济的绿色发展。 ( 3 ) 地沟油含有严重超标的过氧化值、酸值等，长期食用可能致癌，所以回 收餐饮废油并转化为生物柴油，可以杜绝不法商人提取地沟油将其作食用油出 售这一危害人民身体健康行为。 1 3 内燃机燃烧过程数值模拟概述1 1 6 , 1 7 】 建立数学模型对内燃机工作过程进行数值模拟的研究已经有了很长的历 史，可以追溯到1 9 世纪末内燃机诞生时。英国的d u g a l dc l e r k 于1 8 8 2 年用空气 准循环分析方法对比研究了各种内燃机的热效率，首创了内燃机工作过程模拟 研究。随后，压燃式内燃机的发明者r u d o l fd i e s e l 对于不同燃烧方式的内燃机 提出一系列的循环模型。至2 0 世纪6 0 年代，现代电子计算机开始应用于内燃 机循环模拟研究领域，其对发动机的动力性和燃油经济性有预测作用。自此， 内燃机工作过程和燃烧过程数学模型的研究随着电子计算机的发展而逐渐向前 发展着，其中内燃机燃烧模型按时间顺序和发展层次大体经历了放热率计算、 零维模型、准维模型和多维模型四个阶段。 ( 1 ) 燃烧放热率的计算，是根据实测的发动机示功图，结合经验传热公式和 能量守恒方程推算出燃烧放热规律，分析燃油燃烧过程的进行情况，这种方法 比较直观简单，具有一定的诊断作用，迄今在性能研究中仍受到重视。 ( 2 ) 零维模型又称单区模型，是指统计分析大量实际工况中的燃烧放热过 程，得到其规律性，然后用经验公式或曲线拟合的数学方法，建立起一些简单 的若干特征参数之间函数关系式，用以表达复杂的燃烧过程。这类模型的共同 特点是假设缸内过程的每一瞬态都是均匀的，忽略其复杂的燃烧物理化学反应 7 第1 章绪论 中间过程，认为燃烧是按一定规律向系统加入热量的过程。这些模型经过实践 证明是有效的，对于分析、计算和预测内燃机性能有极其重要的作用，可以预 估燃烧过程中的主要性能参数，实践证明是有效的，目前仍广泛应用于内燃机 燃烧研究中。但是由于这些模型用简单的数学关系代替了燃烧中燃烧物理一化学 过程的本质，从而无法把握其规律性；其次，均匀态的假设不能预测n o x 及其 它排放物的生成；并且经验系数的选取决定着计算的准确性，恰当与否很大程 度上依赖于内燃机结构型式及工作条件。 ( 3 ) 准维模型又称分区模型，发展于零维模型，可以预测排放特性尤其是 预测n o x 的生成。这类模型加入了喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺度因素， 按火焰位置或喷注空间分布形态，把燃烧室划分成若干几个区域，综合喷雾扩 散、油滴蒸发、混合与卷吸、燃烧火焰传播及己燃区燃烧产物变化等过程，列 出描述分区内各参数随时间变化的关系式组成燃烧模型，对缸内不同区域的燃 烧温度进行预测分析；对于不同的机型，侧重考虑不同的子过程，使放热率更 接近实际情况，并可以预测有害排放物的浓度。 准维模型是当前燃烧模拟研究的重点，目前按照不同的柴油机燃烧过程分 析方式，已发展了多种不同观点、不同功能、不同用途的准维燃烧模型，主要 分为两大类：一是忽略燃料雾化和蒸发过程的气态射流模型，即美国c u m m i n s 公司林慰梓博士等人提出的以气相喷注为基础的“气相喷注燃烧模型”：二是用 燃油油滴的蒸发速度控制燃烧的油滴模型，即日本广岛大学广安博之等人提出 的以油滴蒸发为基础的“油滴蒸发燃烧模型”。 ( 4 ) 多维模型基于质量、动量、能量和化学组分守恒定律，综合考虑气体力 学、化学反应动力学、热交换、质量交换和动量传递等方面，建立结构完整的 多自变量偏微分方程组来描述内燃机燃烧过程。一般是将模拟缸内各个物理化 学过程的若干子模型结合已知的初始条件和适当的边界条件，用数值方法求解， 计算结果能够得到燃烧过程中每时间步长下每一空间位置的有关参数分布情 况，是一种较为精细的模型。多维模型依赖于计算机容量和速度，并且评价多 维模型需要提供更多更准确的试验数据，所以目前处于发展阶段未能较为广泛 应用。 1 4 内燃机工作过程模拟分析软件简介 2 0 世纪7 0 年代以后，数值计算方法和计算流体力学发展渐渐成熟，开发出 8 第1 章绪论 很多内燃机工作过程模拟分析软件，目前比较有代表性的有；美国l o s a l a m o s 国家实验室推出的k i v a 系列程序、c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 公司推出的 s t a r - c d 、奥地利a v l 公司的f i r e 等。 k i v a 系列程序的发展是一直通过不断吸收内燃机模拟领域的优秀成果完 善的过程，其源代码完全开放，可以任意修改和添加所需的模型及子程序，适 应各种燃烧装置，所以k i v a 系列程序得到了全世界范围的广泛应用。但是其网 格生成方法的适用范围有限，有些算例中可能会出现网格畸变情况，使得计算 不稳定。 s t a r - c d 可对多种气门型式、具有复杂几何结构的燃烧室和进气道进行网 格生成，可以实现非结构化网格自动生成，而且含有专门模块生成发动机动网 格；内嵌多种计算模型，满足不同实际问题进行不同模拟分析的要求；计算和 分析时间比较短，所需内存容量不大，在工业领域及各学科得到了广泛的应用。 本文采用a v l 公司的发动机三维性能模拟分析软件f i r e ，它主要由前处理、 求解器和后处理组成，用于模拟内燃机缸内流动、喷雾、燃烧等过程。通过前 处理器可以实现全自动、半自动或手动方式生成静网格和动网格；求解器的数 值计算采用移动边界法，同时含有丰富的湍流、喷雾、燃烧、排放预测等物理 化学模型，并且还有用户自定义功能，对于不同的模拟对象和环境自定义模拟 计算模型，使之与实际情况保证一致性；后处理系统可以生成二维或三维可视 化图形和动画获得高超的视觉效果，能科学地揭示所研究的现象和机理，为发 动机优化设计提供较为直观的依据。 1 5 生物柴油在柴油机上的应用研究 1 9 8 5 年德国工程师迪塞尔最早提出了生物柴油概念，并于19 0 0 年在巴黎博 览会上首次展示了以花生油为燃料的发动机。随后，许多学者专家对柴油机上 的生物柴油应用进行了大量的研究。 s 。s o m 和s k a g g a r w a l 【l 酬模拟了生物柴油喷油器喷嘴内流动和雾化，研究 结果指出生物柴油的空穴现象和湍流现象比石化柴油要弱，其雾化特性较差， 喷雾贯穿距离和s a u t e r 平均直径较高，但雾化锥角比较小。长安大学曹建明教 授等人 1 9 , 2 0 】、同济大学李理光教授等人 2 1 , 2 2 】、江苏大学施爱平和袁银南教授等人 口3 j 分别利用高速摄影法对柴油掺混生物柴油喷雾特性进行研究，都指出随着生 9 第1 章绪论 物柴油掺混比增大，喷雾锥角变小，s a u t e r 平均直径增大，喷油持续期变大。 y uz h a n g 等【2 4 】在涡轮增压四冲程直喷式柴油机上，研究了混合大豆油生物 柴油燃料和普通柴油的使用情况，发现混合燃料在着火方面有点滞后，其燃烧 特性和普通柴油相似。d rm o h a m e dys e l i m 等 2 5 】也通过试验研究了加州希蒙得 木制成的生物柴油的着火滞后期发现：当着火温度和着火压力越大时，着火滞 后期越短。 d ry u s u f a l i 等【2 6 j 研究发现燃用动物酯生物柴油的放热率峰值小于石化柴油 后。b r a j e n d r ap r a s a t h 等暖7 1 的对比试验也指出，燃用石化柴油时的缸压峰值和 放热峰值均高于燃用生物柴油，燃用生物柴油时缸内平均温度较高。 m g u m u s 2 8 】以榛子油和石化柴油混合燃料进行试验，研究指出：随着燃料 中生物柴油组分增加，滞燃期减小，燃烧开始提前，燃烧持续期增大，缸压峰 值减小，放热率减小，累积放热减小，燃油消耗增加；延迟喷油、增大喷射压 力和压缩比都会使得滞燃期大大减小，缸压峰值和放热率增大，累积放热得到 补偿。 s j i n d a l 2 9 3 0 】也通过调节压缩比、喷射压力、喷油定时和转速研究了燃用纯 麻风树生物柴油时n o x 的排放问题：全负荷燃用生物柴油n o x 排量下降了，压 缩比增加、喷射压力减小、喷油提前都会使n o x 排量增加，n o x 排量随转速上 升先增加后减小；同时还指出适当延迟喷油可以提高指示功、热效率和平均有 效压力，但会增加油耗，排气温度也会上升。 n u s t a 等【3 1 将榛子油油料和废弃向日葵油混合而成混合燃料，研究了其排 放方面：排气温度在全负荷时高于石化柴油，其它负荷状态下相差不大；全负 荷时，低速下混合燃料的c o 高于普通柴油，高速下混合燃料的c o 低于普通柴 油，同时在各速度状态下c 0 2 排量增加了；全负荷时，n o x 略高，但随着负荷 降低n o x 增长会减慢。 m a r i n ak o u s o u l i d o u 等【3 2 】将棕榈油和菜籽油按体积分数1 0 分别混以石化 柴油制成生物柴油进行试验，结果显示：相对于石化柴油，生物柴油在一定程 度上影响了燃烧特性，例如喷油起点变化范围是0 5 + 0 5 a 、总放热量变化范 围为5 + 7 ；在排放方面，n o x 变化范围是一6 v 千4 ，烟度变化范围为 5 0 + 7 0 。 b r u c eh o l d e n 等【3 3 研究指出b 2 0 ( 混有生物柴油体积分数2 0 的混合燃料) 的尾气中p m 、h c 、c o 都减小了，m i c h a e ld f e i s t 和i m a da k h a l e k 3 4 j 同样指 1 0 第1 章绪论 出b 2 0 的尾气p m 、h c 、c o 都低于e p a2 0 0 7 排放标，n o x 要高6 6 5 ，并 且燃料消耗量增加了2 5 3 5 。p a t r i ks o l t i c 等【3 5 】的实验研究中，柴油机燃用 籽油甲酯、纯大豆油和纯菜籽油时功率提高了5 ，但是泵线喷嘴燃油喷射系 统出现寿命问题。 d h q i 等【3 6 】试验研究了生物柴油和微乳化生物柴油，研究指出微乳化的生 物柴油燃烧始点滞后，提高了燃烧质量，能量消耗率较低，并且微乳化的生物 柴油n o x 稍微减少。a g o p i n a t h 等【3 7 】研究了生物柴油中未饱和脂肪酸组分在燃 烧、性能和排放特性，燃烧分析结果显示，越高未饱和脂肪酸含量的生物柴油 有着更长的预混燃烧和更高的压力峰值。 许多国内高校和科研院所对生物柴油生产和原料及其混合燃料的雾化、燃 烧、排放等都有相关比较系统的研究，但是原料的不同以及制取工艺的差别， 使得生物柴油的理化特性不同，从而影响了柴油机燃用生物柴油的工作性能。 因此，还需要进行大量的试验研究，以分析生物柴油与石化柴油按不同比例混 合的燃料对柴油机动力与排放性能的影响。 1 6 本文研究内容及路线 本文以江铃汽车股份有限公司j x 4 9 3 型柴油机为研究对象，在燃用4 种不 同混合燃料工作状态下，进行台架试验测量，对比分析不同燃料下的燃烧规律； 并以经验公式估算生物柴油的物性参数，结合台架试验数据，利用f i r e 软件对 柴油机在不同燃料下的燃烧过程进行多维数值模拟分析，主要研究内容如下： ( 1 ) 选用经验公式估算出生物柴油的物性参数，对比分析生物柴油和石化柴 油对喷油、雾化、燃烧有所影响的物性参数。 ( 2 ) 利用l a b v i e w 的图形化编程语言，建立一个用于试验测试中数据采集 的虚拟仪器程序。于f s t 2 e 发动机数控试验台上，将硬件设备和l a b v i e w 软 件开发的程序结合构建试验数据采集系统，并在1 8 0 0 r p m 1 2 0 n m 工况点下采 集分别燃用四种燃料时柴油机缸压信号，利用开发的程序对比分析其示功图和 燃烧规律。 ( 3 ) 利用f i r e 软件建立该机型的燃烧室燃烧模型，选取合适的子模型、准 确的初始条件及边界条件等，结合试验数据验证模型的合理性和准确性，对b 0 、 b 1 0 、b 2 0 的燃烧过程中喷雾特性和燃烧特性进行比较分析。 第2 章生物柴油物性估算 第2 章生物柴油物性估算 燃料在气缸内破碎、雾化、蒸发、燃烧等过程都是受燃料的物理化学性质 影响的，分析燃料物性参数是研究柴油机燃用新型燃料时经济性和动力性、排 放特性的基础。本章通过对生物柴油的临界参数、气化潜热、饱和蒸气压力、 动力粘度、表面张力、导热系数等参数估算，可以定性地判断不同燃料的喷油 雾化性质，从而分析物性参数对柴油机燃烧过程的影响。 生物柴油的生产原料种类繁多，是化学成分极其复杂的有机混合物，其主 要成分含有亚油酸甲酯，油酸甲酯，软脂酸甲酯，亚麻酸甲酯和硬脂酸甲酯【3 8 | ， 可以通过经验公式估算出其部分物性。 表2 1 主要成分【3 8 】 五种成分的化学结构式分别如下： c h 3 ( c h 2 ) 7 c h = c h c h 2 c h = c h ( c h 2 ) 4 c o o c h 3 c h 3 ( c h 2 ) 7 c h = c h ( c h 2 ) t c o o c h 3 c h a ( c h 2 h 4 c o o c h 3 c h s c h 2 c h = c h c h 2 c h = c h c h 2 c h = c h ( c h 2 ) 7 c o o c h 3 c h a ( c h 2 ) 1 6 c o o c h 3 2 1 临界参数 临界参数( 临界温度t c ，临界压力p c ，临界体积v e ) 是物质最重要的物性 参数，物质的各种动力学和热力学性质都可以由这些基本参数进行预测，由此 可见选用合理的数学方法估算得到精度较高的临界参数是十分重要的。 1 2 第2 章生物柴油物性估算 m a r r e r o m a r e j 6 n 和p a r d i l l o f o m d e v i l a 用基团相互作用贡献法论述了求解临 界温度的方程 3 9 】： z = 乃 o 5 8 5 1 - 0 9 2 8 6 m ( t c b k ) 。l - l m ( t c b k ) 。 ( 2 1 ) 、 七一，七 标准沸点： 瓦= m - 0 4 0 4 m ( t b b k ) 。+ 1 5 6( 2 2 ) 七 式中，正为临界温度( k ) ，m 为相对分子量，m 为七基团数，t c b k 、t b b k k 类基团的m a r r e r o m a r e j 6 n 法基团贡献值，可见表2 2 。 表2 2m a r r e r o m a r e j 6 n 法基团贡献值【3 9 1 原子基团对注释tcbk t b b k c h 3 一& 一c h 2 一 c h 3 & 一c o o 】【- 】表示和c h s 一连接 一c h 2 - & 一c h 2 一 c h 2 & 【 c o o -【一 瓣i - c h 2 连接 0 0 2 2 7 19 4 2 5 0 0 2 6 7 4 5 6 9 2 0 0 2 0 6 2 4 4 8 8 0 0 9 9 35 4 1 2 9 一c h = & 一c h 一 【= 】表示两个碳原子双键连接 一1 7 6 6 03 3 4 6 4 对于临界压力和临界体积的估算，采用j o b a c k 法，其误差较小3 媚： _ ( 0 1 1 3 + 0 0 0 3 2 一车嘶卅。) 眨3 ， k = 1 7 5 + z n , ( v c k ) ( 2 4 ) k 式中，为临界压力( b a r ) ，k 为临界体积( c m 3 m 0 1 ) ，m