（动力机械及工程专业论文）柴油机掺烧生物柴油的燃烧模拟与试验研究.pdf

江苏人学硕士学位论文 摘要 节能与环保已成为当今内燃机行业研究的两个热点问题。随着石化能源的日益枯 竭，寻找清洁、高效的柴油机替代燃料已成为柴油机可持续发展的关键。生物柴油以其 良好的燃料特性和再生性能，被认为是一种优良的柴油机替代燃料。 本文以常柴股份有限公司1 8 6 f a 柴油机为研究样机，通过数值模拟与试验相结合的 方法研究了掺烧不同比率生物柴油对原发动机的影响。利用a v i _ , 公司的f i r ev 2 0 0 8 软 件对1 8 6 f a 柴油机燃烧室进行了动网格划分，模拟了b 0 和b 2 0 两种燃油的燃烧过程， 并通过示功图的对比，验证了模型建立的准确性。分析了两种掺烧率下燃油的温度场、 浓度场、喷雾特性以及n o x 和s o o t 的排放特性。模拟分析结果表明：掺烧生物柴油后， 燃油蒸发困难，燃油附着于燃烧室壁上，整个燃烧持续期延长；存在局部较高的燃烧温 度；燃油的喷雾贯穿距离增大；n o x 和s o o t 的排放特性分析表明n o x 排放有所增加， 而s o o t 的排放基本持平。根据模拟分析结果，通过适当增大涡流比和推迟喷油的方法， 提出了同时减少两种排放物的方案。 本文分析比较了4 种掺烧率下示功图和放热规律，对掺烧不同比率生物柴油的燃烧 循环变动情况进行了分析，给出了表征燃烧循环各参数在不同负荷时的统计规律，并分 析供油提前角对燃烧循环变动的影响。结果表明，随生物柴油掺烧率的增大，缸内压力 峰值增大，放热率峰值减小，对应的曲轴转角提前。同时，生物柴油掺烧可显著改善中 小负荷的燃烧循环变动，当生物柴油的掺烧比率超过5 0 时，各参数的循环变动增大， 需要对原机参数进行适当调整。掺烧生物柴油后发动机的压力升高率显著增大，致使三 种掺烧率下发动机都有不同程度的工作粗暴倾向。对原机的相关参数进行优化匹配，可 以获得较好的排放性能和工作稳定性。 关键词：柴油机，生物柴油，数值模拟，排放，燃烧循环变动 江苏大学硕十学位论文 e n e r g ys a v i n ga n dg r e e n h o u s eg a sr e d u c t i o nh a v eb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c hi nt h e 丘e l d o fi ce n g i n ei n d u s t r i e s d i e s e le n g i n e sa r ew i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i e sf o ri t sh i g h t h e r m a le f f i c i e n c ya n dl o we x h a u s tg a se m i s s i o n w i t ht h ed r y i n gu po ff o s s i l e n e r g y r e s o u r c e s ，t os e e kc l e a na n dh i 曲e f f i c i e n ta l t e r n a t i v e si st h ek e vt ot h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fd i e s e le n g i n e b i o d i e s e l ，f o ri t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e p r o d u c i b i l i t y , i sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n ga l t e r n a t i v ef u e l sf o rd i e s e le n g i n e i nt h i sp a p e r b a s e do n1 8 6 f ad i e s e le n g i n ep r o d u c e db yc h a n g c h a id i e s e le n g i n ec o ， l t d ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ee f f e c to fb l e n d i n gb i o d i e s e l 谢md i e s e li nd i 虢r e n tp r o p o r t i o n s o nc o m b u s t i o na n de m i s s i o n ac o m p a r a t i v es t u d yi sc a r r i e do u tt h r o u g ht h ec o m b i n eo f e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sc a nb ec o n l u d e di n t o t w op a r t s ，e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n i nt h ep a r to fs i m u l a t i o n ，u s i n gt h ec f ds o f t w a r ea y lf i i 己ev 2 0 0 8 t h ec o m b u s t i o n c h a m b e rm o d e lw a sb u i l tu pa n dt h ec o m b u s t i o ns i m u l a t i o nt h a tf u e l e d 、析lb 2 0a n db 0w a s c o n d u c t e d t h r o u g ht h ec o m p a f i s o no fi n d i c t e dd i a g r a m s ，t h em o d e la c c u r a c yw a sv e r i f i e d t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ef u e lc o n c e n t r a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c so fi n j e c t i o na n dt h e e m i s s i o no fn o xa n ds o o tt h a tf u e l e dw i t hb 0a n db 2 0w e r ea l s oa n a l y z e d t h es i m u l a t i o n a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e r ew a si m p a c to nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sw h i l eu s i n gt h eb l e n d i n g f u e l t h ei m p a c tt h a tf u e l e d ，i t hb 2 0s p e c i f i c a l l ye x p r e s s e dt h a tt h ef u e la t t a c h e dt ot h e c h a m b e rw a l la n di tw a sh a r dt oe v a p o r a t e ：t h ee n t i r ec o m b u s t i o nd u r a t i o ne x t e n d e d ；p r e s e n c e o fl o c a lh i g l lc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ；f u e li n j e c t i o np e n e t r a t i o ni n c r e a s e d ；t h en o xe m i s s i o n i n c r e a s e dw h i l et h es o o te m i s s i o nw a se s s e n t i a l l yf l a tc o m p a r e dt ot h er e s u l t st h a tf u e l e d 谢t l l b 0 a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，p r o g r a mt h a tc a nr e d u c et h ee m i s s i o no fn o xa n d s o o ts i m u l t a n e o u s l yw a sp r o v i d e dt h r o u g hi n c r e a s i n gt h es w i r lr a t i oa n da d j u s tt h ef u e ls u p p l y a d v a n c e da n g l e i nt h ee x p e r i m e n tp a r t h e a tr e l e a s ea n di n d i c a t e dd i a g r a mt h a tf u e l e dw i t hd 插陌r e n tf i l e l p r o p o r t i o n sw e r ea n a l y z e d r n l er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fb i o d i e s e lp r o p o r t i o n t h ep e a l 【o fc y l i n d e rp r e s s u r ei n c r e a s e s ；w h i l en l ep e a ko fh e a tr e l e a s ed e c r e a s e sa n dt h e i r c o r r e s p o n d e n ta n g l ea d v a n c e dr e s p e c t i v e l y c y c l e b y - c y c l ev a r i a t i o n so fm a i nc o m b u s t i o n p a r a m e t e r sw e r ea l s oa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ei nc y l i n d e rp r e s s u r e so f1 0 0c o m b u s t i o n c y c l e sf o re a c ht e s t 1 1 l es t a t i s t i c a ll a wo ft h ec o m b u s t i o np a r a m e t e r ss u c ha st h ei n d i c a t e d m e a np r e s s u r e ( p m i ) ，t h em a x i m u mc y l i n d e rp r e s s u r e0 m 缸) ，p e a ko fh e a tr e l e a s e ( ( d q d q 0 ) m 由， t h em a x i m u mr a t eo fp r e s s u r er i s e ( ( d p d q 0 ) m 脚【) a n dt h e i rc o r r e s p o n d e n ta n g l e s ，i g n i t i o nt i m e a td i f f e r e n tl o a d sw e r ef o u n do u t n l er e a s o n st h a tl e a dt ot h ec y c l e b y - c y c l ev a r i a t i o nw e r e f o u n do u tb ya d j u s t e dt h ef u e ls u p p l ya d v a n c e da n g l e 1 n h er e s u l t ss h o wt h a tb i o d i e s e l b l e n d i n gc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ec y c l e - b y c y c l ev a r i a t i o na tl o wa n dm e d i u ml o a d w h e nt h ep r o p o r t i o no fb i o d i e s e lb l e n d e dw i t hm o r et h a n5 0 t h ev a r i a t i o no fc o m b u s t i o n r e l a t e dp a r a m e t e r si n c r e a s es i g n i f i c a n t l y , e s p e c i a l l yt h er a t eo fp r e s s u r er i s e ，r e s u l t i n gi nt h e t e n d e n c yo fk n o c kp h e n o m e n a 江苏大学硕士学位论文 i nc o n c l u s i o n ，d i e s e le n g i n ec o f u e l i n ga p p r o p r i a t ep r o p o r t i o no fb i o d i e s e li sf e a s i b l e t h ed i e s e la n db i o - d i e s e lc o - f u e l i n gh a sab i te f f e c to nt h ec o m b u s t i o n t oo p t i m i z ea n dm a t c h r e l a t e dp a r a m e t e r sc a na c h i e v eg o o de m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gs t a b i l i t y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，b i o d i e s e l ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e m i s s i o n ，c y c l e b y - c y c l e v a r i a t i o n m - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书 不保密日 学位论文作者签名： r 丸汐 叫9 年乡月f ，日 指导教师签名： 妒细年6 月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 蚓。年 f 泌陟 月切日 f 江苏大学硕上学位论文 引言 第一章绪论 1 8 9 2 年，德国工程师鲁道夫( d r r u d o l f d i e s e l ，1 9 5 8 1 9 1 3 年) 发明了压缩着火式 内燃机，所用的燃料有煤油、花生油等。1 8 9 5 年他又提出了利用各类动、植物油脂为原 料，与甲醇或乙醇等醇类物质经过交脂化反应改性，使其最终成为可供内燃机使用的燃 料。但他的观点并没有引起足够的重视，主要原因是当时有足够的石化柴油供应。然而， 矿物质能源是不可再生资源。根据已探明的世界石油蕴藏量和今天的消耗速度，估计最 多能满足人类对石油5 0 。1 0 0 年的需求。自上世纪7 0 年代的“石油危机 以来，人们已 经着力寻找可替代石化能源的清洁代用燃料。目前石油代用燃料主要有：天然气( c n g 、 l n g ) 、液化石油气( l p g ) 、醇类燃料( 甲醇、乙醇) 、二甲醚( d ) 、氢和生物质能 等。预计到本世纪中叶，石油代用燃料将在能源结构中扮演重要角色，而在这些代用燃 料中又以生物质能和太阳能等清洁的可再生能源的发展前景最为看好。 近年来随着我国汽车保有量的不断上升，数量庞大的发动机在燃烧矿物能源的过 程中排放出数亿吨计的有害气体和温室气体，成为大气污染和“温室效应 加剧的主要 源头。发动机的主要污染物有：c o ，h c ，n o x ，和颗粒物p m ，另外还有醛类、苯类 等。同时导致“温室效应 的c 0 2 也大量来自汽车的尾气排放。据统计i ，北京市气体 污染物c o 、h c 、n o x 中的6 1 、5 5 、8 7 来自于汽车排放的尾气。上海市中心城区 三种污染物c o 、h c 、n o x 中的8 6 、9 6 、5 6 来自于汽车排放的尾气。基于此世界 各国都制定了越来越严格的强制排放法规，同时将发展清洁环保型能源列入国家发展的 长期规划。 所以从能源和环境两方面考虑，寻找清洁、可再生的发动机替代燃料已成为发动 机行业研究的热点和主要方向。生物柴油是一种可再生的含氧燃料，可以任意比例与柴 油混合或单独使用，获得优良的发动机动力性和较低的排放性能，因而对于生物柴油在 柴油机上的使用研究越来越受到人们的重视。 江苏大学硕士学位论文 1 1 生物柴油的发展概况 1 1 1 生物柴油的特点 生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油 脂、餐饮废油等为原料油，通过与低分子量的醇类进行酯交换反应而制成的脂肪酸甲酯 或乙酯燃料【2 l 。它不含或只有含量极低的芳香族化合物、硫化物等有害成分，它的含氧 量远高于普通石化柴油。这些特征决定了生物柴油能够比较完全地燃烧，降低排放，对 环境更为有利。生物柴油与石化柴油相比有如下优点： 1 ) 可再生性。生物柴油与石油、煤等矿物质能源不同，它来源于植物体内对太阳光合 作用所储存的化学能。因而供应量永远不会减少和枯竭。 劲优良的环保性能。在石化柴油被广泛用于工业文明以创造财富的同时，弊端也相伴 而来，“酸雨及土壤和地下水污染一直困扰着人们。酸雨是由于燃料中富含的硫在 燃烧氧化后所致。而生物柴油含硫量极低，使得二氧化硫和硫化物的排放量远低于 普通的石化柴油，可减少约3 0 ( 有催化剂时为7 0 ) 的排放量；生物柴油中不含 对环境会造成污染的芳香烃，因而废气对人体损害低于柴油。检测表明，与石化柴 油相比，使用生物柴油可降低9 0 的空气毒性，降低9 4 的患癌率；由于生物柴油 含氧量高，使其燃烧时排烟较少，一氧化碳的排放与普通柴油相比减少约1 0 ；此 外生物柴油的生物降解性高；燃烧生物柴油所释放的c 0 2 低于油料植物生长过程中 吸收的c 0 2 ，有助于减少温室气体的排放【2 】。 2 0 0 2 年美国环保署( e p a ) 发表了一份关于生物柴油较石化柴油排放对比的报剖3 1 ， 如下表所示： 表1 - 1e p a 对b 2 0 、b 1 0 0 与石化柴油的排放评估 e m i s s i o n sb 2 0b 1 0 0 1 ) 具有较好的安全性能。闪点是衡量生物柴油在运输、储存和使用过程中的安全性的 江苏人学硕十学位论文 重要指标。生物柴油的碳链的平均长度比普通石化柴油长，闪点一般在1 0 0 ( 2 以上， 比普通石化柴油高。由于闪点高，在运输、储存和使用过程中，不像普通石化那样 易燃易爆。另外，生物柴油是动、值物的油脂，无毒，生物降解率可达9 8 ，是石 化柴油的2 倍。 2 ) 良好的燃料性能。生物柴油可以与柴油以任意比例混合或单独在现有的柴油机上使 用，柴油机不需要作任何改动。生物柴油的十六烷值比石化柴油高，着火性能比石 化柴油好，其燃烧均匀，热功率高，燃油消耗少，热值大，动力性比其它柴油机代 用燃料好。在无添加剂时，生物柴油的冷凝点达2 0 c ，因而生物柴油作为柴油机代 用燃料时具有良好的低温起动性能。 3 ) 较好的润滑性能，发动机的使用寿命长。发动机的寿命与油品的腐蚀性有很大的关 系，油品的含硫量对发动机的寿命影响很大。硫醇等活性含硫物对金属直接腐蚀或 其燃烧后产生的s 0 ：和s 0 。等硫化物会严重腐蚀高温区的机体，对发动机的寿命影响 很大。生物柴油的含硫量极少，使用生物柴油，柴油机的寿命会得到更好的保障。 此外，生物柴油的优异润滑性能使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率降低。 虽然生物柴油具有上述的种种优点，但在柴油机燃用生物柴油的过程中仍然面临如 下一些问题：由于生物柴油的粘度高，影响生物柴油的喷射和雾化效果，并且易堵塞过 滤装置，在燃油系统中易产生沉淀。另外生物柴油燃烧的残留物呈微酸性，对气缸有轻 微的腐蚀性。由于生物柴油中含氧，因而其氧化稳定性差，n o x 的排放不好。生物柴油 中含有微量甲醇与甘油，会逐渐降解与之接触的橡胶零件，如橡胶膜、密封圈、燃油管 路等。甘油容易形成甘油皂堵塞输油管道和喷油嘴。 1 1 2 生物柴油在国内外的应用现状 1 1 2 - 1 国外生物柴油的发展状况 生物柴油突出的环保性和可再生性引起了世界上许多国家，尤其是资源贫乏国家的 高度重视。近年来，西方国家加大生物柴油商业化投资力度，使生物柴油的投资规模增 大，开工项目增多。美国、欧盟、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在积极 发展这项产业。 欧盟是全球最大的生物燃料生产国，总产量约占世界的8 0 。生物柴油也是欧盟最 重要的生物燃料。按照京都议定书，欧盟2 0 0 8 - - 2 0 1 2 年间要减少排放8 。为此，欧盟 最近发布了两项新的指令以推进生物燃料在汽车燃料市场上的应用。新指令要求各国降 低生物柴油税率，并对生物柴油在欧洲汽车燃料中的销售比例做出规定，有效地促进了 江苏人学硕上学位论文 生物柴油市场的稳定增长。到2 0 0 7 年，欧盟生物柴油销售额将从2 0 0 0 年的5 亿美元增 至2 4 亿美元1 4 l 。表卜2 是世界主要国家生物柴油发展规划及现状。目前欧盟推广生物柴 油的目标是：到2 0 1 0 年欧盟2 5 国生物柴油的消费量达到1 6 5 0 万吨，占石化柴油消费 量的5 7 5 。德国是最早开发利用生物柴油的国家，在2 0 0 3 年，德国已有1 5 0 0 个加油 站提供混有生物柴油的柴油，其中包括约1 0 的加油站提供纯的b 1 0 0 生物柴油，目前几 乎所有的加油站的柴油中都混有生物柴油，仅2 0 0 7 年上半年德国的生物柴油消费量就 达到1 5 0 万吨。 表卜2 世界主要国家生物柴油发展目标及主要原料 2 1 t a b l e1 2t a r g e t so fb i od i e s e ld e v e l o p m e n ta n dm a i nf e e d s t o c ki nm a i nc o u n t r i e si nt h e w o r l d 2 0 世纪9 0 年代初，美国开始将生物柴油投入商业应用，目前已成为美国增长最快 的替代柴油燃料【5 1 。美国现在的生产能力为3 0 , - - - 5 0 万吨年。在美国生物柴油主要用于 拥有加油站的巴士公司和汽车运输公司。以b 2 0 ( 即2 0 ( 体积比) 生物柴油与8 0 石化 柴油，余类推) 为主要燃料。美国政府近日发布了关于生物燃料的行动规划，以促进加 快发展可持续的生物燃料工业，美国农业部和能源部表示，这一计划将在今后十年内使 美国汽油消费减少2 0 。总部在美国加利福利亚的s r i c 咨询公司发布报告称，到2 0 1 2 年美国将引领生物柴油市场，届时美国的生物柴油消费量将占全球总量的1 9 。同时s r i c 调查显示，2 0 0 2 年欧洲主要的生物柴油生产地区产量占全球份额的8 3 ，到2 0 0 7 年这 江苏大学硕 二学位论文 一数据下降到4 6 ，而北美和亚洲分别上升2 3 和1 9 。 日本早在1 9 9 5 年开始研究废弃食用油生产生物柴油，目前年产4 0 万吨。此外，意 大利、奥地利、比利时、丹麦、韩国、巴西、阿根廷等国也纷纷参与生物柴油研发领域 的竞争，在生物柴油应用研究和产业化方面取得了长足的进展【7 卅。 1 1 2 2 我国生物柴油的发展状况 我国生物柴油的研究与发展虽然起步较晚，但发展速度较快。闵恩泽院士在绿色 化学与化工一书中首先明确提出发展清洁燃料生物柴油的课题。其中，海南正和生物 能源有限公司于2 0 0 1 年9 月建成了年产1 万吨生物柴油试验厂，生物柴油品质达到美 国生物柴油标准，价格也具有相当的市场竞争力。四川古杉油脂化学公司也形成了年产 1 万吨的规模，在成都等城市的加油站可提供生物柴油成品油。上海内燃机研究所做了 大量基础性试验探索。此外，中国科学院、中国农业科学院、华中农业大学、四川大学、 江苏大学、华中科技大学等大专院校和科研院所均设立了生物柴油相关研究工作机构， 并取得了一系列成果【协1 3 1 。预计到2 0 1 0 年，我国的生物柴油生产规模将达到2 0 0 万吨， 生物柴油在成品油市场上占有的比例将达到5 。1 0 2 1 。 虽然生物柴油在我国的发展迅速，但还存在诸如技术标准、生产标准、环境配套不 健全，没有相应的法规政策进行引导、规范等影响生物柴油发展的因素。而且由于我国 人均耕地少，为了保证我国粮食安全，发展生物柴油应当在不与粮食作物争地的情况下 种植油料作物，杜绝“与农争粮( 油) 、与粮( 油) 争地 的现象。 1 1 3 我国发展生物柴油的意义和前景 我国液体燃料短缺，能源消费结构性矛盾长期存在。发展生物柴油产业，部分替代 石化柴油已成为当前可再生能源发展的必然趋势。生物柴油作为柴油机的替代燃料，不 仅具有优越的排放水平，在改善环境的同时，对我国的农业经济的支持也不可估量，其 经济性和生态效益倍受关注f l o i 。 1 1 能源安全的需要。柴油机作为高效的热机被广泛应用于国民经济的各个领域，推动 了其它产业的发展，然而，传统的石化柴油供应已越来越紧张。我国现在已经是世 界第三大石油消费国和第二大石油净进口国，2 0 2 0 年后，我国将成为世界第一大石 油净进口国。在5 0 年后，随着石化柴油的大幅减产，我国的石油战略安全形势将更 为严峻。着力发展生物柴油，加大生物柴油在柴油机上的应用研究以及生产、储运、 销售等方面的配套研究可以大力推广生物柴油的使用，大量代替石油进口，从一定 程度上缓解能源紧张的状况。 江苏大学硕士学位论文 萄生物柴油对我国农业经济的发展不可估量。我国幅员辽阔，油料、林木资源丰富， 但现有的资源没有得到有效的开发和利用。在这些地区种植木本植物，在提供油料 作物的同时，还可以保持水土改善环境；我国还存在大量的冬闲田、荒坡滩涂地和 海滩盐碱地，以其作为基地，大面积种植油菜，不仅能提供生物柴油原料来源，而 且还有利于实现生物柴油的产业化；我国是一个农业大国，小型农用柴油机如农业 机械、林业机械、小型发电机组在我国的用途广、产量大，在这些柴油机上使用生 物柴油在储存、运输上都极为方便。随着生物柴油加工工艺的完善，生产成本不断 降低，在一些地区种植油料作物，可以做到生物柴油的种植、产销配套。不仅可以 推广生物柴油的使用，还可以广泛缓解我国农村地区柴油紧张的状况。 1 1 4 我国生物柴油发动机应用研究现状 柴油机掺烧生物柴油必然对原柴油机的工作过程产生影响。这种影响由所掺烧生物 柴油的比例和生物柴油自身的物理化学属性有关。国内已经有很多关于柴油机掺烧不同 比例生物柴油的研究，大多集中在掺烧生物柴油后的柴油机动力性、经济性与排放情况。 同济大学的胡志远【1 1 】等人对不同比例的生物柴油柴油混合燃料的密度、粘度、表面 张力、十六烷值、闪点、润滑性、硫含量、凝固点等理化性质做了测试研究。发现生物 柴油柴油混合燃料理化特性有着下述的规律： 1 ) 密度、粘度随着生物比例的增大而增大。 2 ) 表面张力因生物柴油的引入而变小，有利于改善雾化效果。 3 ) 十六烷值随生物柴油比例的增加而加大，有利于缩短滞燃期，改善冷起动性能。 4 ) 硫含量降低有利于减小微粒的排放。 5 ) 凝固点和冷滤点比生物柴油高，在寒冷地区使用时，必须解决生物的低温流动 性问题。 江苏大学通过以豆油为原料、乙醇为反应醇制取的生物柴油在江动z h l l l 0 和扬柴 y z 4 1 0 2 q 柴油机上进行了柴油机掺烧生物柴油的对比试验【1 2 1 ，主要的生物柴油掺烧比 例为0 、2 0 、5 0 和1 0 0 ，对比分析了柴油机的排放性能。 研究发动机缸内燃油喷射、油气混合、雾化和燃烧是诊断燃烧过程进行完善程度最 直接的方法。高速摄影被广泛应用于柴油生物柴油混合燃料缸内工作过程的研究。 上海交通大学李旭升【1 3 1 等人采用高速摄影的方法研究了常压下油泵转速、喷孔直径和启 喷压力对混合燃料喷雾特性的影响。江苏大学王忠【1 4 】等人，采用a v l 5 1 3 型高速摄像机， 江苏人学硕士学位论文 使用直径为4 n u n 的内窥镜直接高速摄影的方法，在4 9 0 q 柴油机上对掺烧生物柴油混合 燃料的燃烧过程进行了试验研究。 对发动机缸内工作过程研究的另一个有效的工具就是多维数值模拟，对生物柴油一 一柴油混合燃料燃烧过程的数值模拟还主要集中于零维和准维模型上，而零维和准维模 型由于对燃烧喷雾过程采取诸多的假设和经验性公式，使得此类模拟难以得到较为理想 的结果。 1 2 内燃机燃烧过程数值模拟概述 2 0 0 7 年，菲亚特公司在1 8 个月内完成了新款5 门掀背车“b r a v o 从草图到产品生 产的全部过程，这一前所未有的研发速度正是得益于c a e ( c o m p u t e ra i de n g i n e e r i n g ) 计算机辅助工程在汽车设计上的应用，大量的模拟设计和虚拟测试技术取代了样车 试验，节省了数千万美元的成本投入，并将研发周期缩短了几个月。国内的汽车和发动 机生产商已经越来越意识到c a e 在产品研发和性能优化中的作用，并纷纷与国外知名先 进模拟技术公司合作。如奇瑞汽车与奥地利a v l 公司合作开发的多系列数款发动机已经 投入生产。c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 作为c a e 的重要组成之一，广泛应 用于发动机的研发、优化和整机性能预测，如缸内瞬态流动，预混合气的火焰传播，喷 雾混合和燃烧，喷嘴内流动，进、排气道改进和优化，冷却水套分析，后处理器内流动 化学反应及热传导。 内燃机燃烧模拟对于试验研究和指导实际设计均有重要意义。借助于内燃机燃烧模 型，可以分析气缸内燃烧的产生和发展的具体情况，有助于分析、理解燃烧过程的机理， 明确各种现象间的相互内在关系，有利于选型设计以及优化内燃机的燃烧过程。而且还 能在设计阶段预测内燃机的结构参数和运转参数的变化对内燃机性能产生的影响。 柴油机燃烧过程的数值模拟涉及到空气流动，喷雾发展，混合气的形成及燃烧过程， 这正是c f d 所能做到的，柴油机燃烧过程的数值模拟用c f d 语言来描述即是对非常复 杂且边界在快速移动的几何形状内的三维、瞬态、强湍流并且是两相流的多物理过程进 行模拟。通过数值模拟能给出一个满足发动机的各项性能要求( 如燃油经济性、动力性、 排放性及振动噪声等) 、制造成本得到较好控制的设计方案。同时可确定整个系统中所 要优化的部件，如气道形状、燃烧室形状、喷油规律、涡流比和喷油参数的匹配等。 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 柴油机燃烧过程数值模型 按照内燃机结构设计参数对气体流动的影响程度可将燃烧模型分成3 类，即零维模 型、准维模型和多维模型。早在数值计算手段远不如今天这样发达的2 0 世纪5 0 6 0 年 代，人们已经开始对发动机的燃烧进行宏观上的模拟，该模拟过程不涉及燃烧过程的细 节和真实机理，只求能对燃烧过程的整体效果做出一定精度的模拟和预测，这样在柴油 机上就产生了不依赖于流动和喷雾而独立存在的内燃机燃烧模型，其参数在整个气缸内 不随空间变化，计算的全部理论基础为热力学的质量平衡和能量平衡，如柴油机的放热 规律分析。 由于均匀的温度场无法预测人们日益重视的排放指标，因此人们将燃烧室空间人为 的划分为若干个区域，这样在每个区域内方程仍以时间为唯一自变量，而在不同区域之 间，参数的分布是不同的，这样即可对内燃机燃烧过程中的一些关键环节进行现象上的 模拟，如汽油机的火焰传播，柴油机的喷雾混合等。当然，这种模拟只侧重燃烧过程的 表象，而不注重燃烧过程的本质和详细机理。因而，准维模型又被称作现象模型。 只有依靠多维模型，才能了解和掌握内燃机缸内参数随时间和空间的分布和变化规 律，重现缸内过程宏观的表面特性，洞察发动机燃烧过程的详细机理。但求解偏微分方 程，使得计算成本高，而且现阶段的一些数值模型在很大程度上还依赖于经验数据，一 些模型还存在明显的猜测性，而且需要经过实验对模型进行不断的修改和完善。 1 2 2 柴油机燃烧过程的多维数值模拟 柴油机燃烧过程的多维数值模拟主要由三大部分组成：应用单相流体力学对缸内气 体流动进行模拟；应用两相流对燃油喷雾混合过程进行模拟；应用燃烧化学对燃烧过程 进行模拟。 1 2 2 1 湍流流动模型 内燃机缸内始终进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动，这种湍流运动是内燃机 工作和燃烧过程中各个物理化学子过程的一个共同的基础，它决定了缸内各组成成份的 空间和时间分布，对于柴油机，它可能对燃油的混合，雾化、油滴的破碎、组分浓度场、 传热及污染物的形成和发展起着最直接、本质的影响。因此，要正确模拟柴油机的燃烧 过程离不开对缸内湍流运动的正确描述。 标准的r 一占模型是最简单、最完整的湍流模型，其包含两个独立的输运方程：湍 流脉动动能r 方程和湍流动能耗散率g 方程。两方程可独立的解出湍流速度尺度和长度 江苏人学硕士学位论文 尺度。标准r 一占模型自从被l a u n d e r 和s p a l d i n g 1 5 1 提出之后，就成为了工程流场计算中 主要的工具，由于其适用范围广、经济并且有合理的精度，在工程应用的流动和热交换 模拟中应用广泛。模型中采用的方程是通过试验中的现象和经验推导出的，是半经验的 模型。 湍流的大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o nl e s ) 将湍流大、小涡团在数值计算上用 不同方式处理，即把对应于不同尺度涡团的量分为可解尺度量和亚网格尺度量( 小于网 格的长度尺度) 。前者可被计算网格分辨出来，无须加以模化，直接求解n s 方程而得 出，后者因小于网格尺度需借助一定模型。因此，实施大涡模拟需要足够精细的网格， 否则l e s 与普通的湍流全场模拟法就没有本质区别了。 湍流的直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nd n s ) 不借助于任何湍流模型， 利用数值方法直接求解控制湍流运动的三维非定常n s 方程。由于用于d n s 模拟的网格 数多，对计算机能力的要求极高，该方法目前仅限于学术研究，求解范围只局限于低雷 诺数、简单的边界条件问题【1 9 1 。 1 2 2 2 喷雾模型 柴油机燃烧模拟的准确性离不开对燃油喷雾混合的正确描述。燃油的喷射、雾化、 蒸发及其与空气的混合对发动机的燃烧和排放具有关键性作用。然而柴油机缸内燃油喷 雾混合是一个极其复杂的过程，其数值模拟涉及流体雾化、气液两相作用、油滴的聚合 和分裂、燃油碰壁以及传热传质等物理化学过程。 对燃油的喷雾模拟有两种假设，一是认为燃油离开喷嘴后即以气相形式出现，即所 谓气相射流模型，它仍沿用准维模型的思路，但比准维模型优越得多，它无需对喷射锥 角、贯穿度和浓度分布作任何人为假设，只需给定油气射流的初速度和方向，其后续的 演变过程和浓度分布均可自行算出。另一种即是油气两相模型。对油气两相流的研究主 要有两种方法。一种是只把液体相作为连续介质，以欧拉方式研究其流场，而把油滴相 作为离散体系，应用拉格朗日运动坐标系研究油滴或油滴群在流场中的动力学和热力学 特性，即欧拉拉格朗日法：另一种是不仅把流体视为连续介质，同时把油滴相也视为连 续介质，认为其在空间中有连续的速度、温度等参数分布，即欧拉欧拉法，又称双流体 法。从上述两种观点出发，分别发展出离散液滴模型( d d m ) 和连续液滴模型( c d m ) 。 由于c d m 计算量太大，d d m 广泛应用于柴油机燃油喷射的模拟中。l o sa l a m o s 实验室 和英国帝国理工学院于1 9 8 0 年各自独立地发展了这种方法，并获得了较满意的结果【1 5 】。 江苏大学硕上学位论文 1 2 2 3 湍流燃烧模型 发动机缸内的燃烧属于湍流燃烧，湍流对燃烧过程中的传热和传质起着不可忽视的 作用，而化学反应是否能够产生和反应速度也受反应机理本身的影响，如温度、物质浓 度等等。所以如何考虑湍流与化学反应之间的相互作用是燃烧模型需要解决的首要问 题。 柴油机湍流燃烧模型主要有基于湍流混合速率的湍流旋涡或涡团破碎模型( e d d y b r e a ku pe b u ) 、基于湍流火焰面几何描述的拟序火焰燃烧模型( c o h e r e n tf l a m e l e t m o d e lc f m ) 、基于概率密度方法的概率密度函数模型( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o np d f ) 在曾 守o e b u 模型的基本思想是对预混火焰，湍流燃烧区中的已燃气体和未燃气体都是以大 小不等并作随机运动的涡团形式存在，化学反应就在这两种涡团的交界面上发生，并假 设化学反应时间尺度远小于湍流时间尺度，化学反应速率取决于未燃涡团在湍流作用下 破碎成更小涡团的速率，而此破碎速率正比于湍流脉动动能k 的耗散率。这样就将湍 流基本参数r 和s 联系起来。e b u 模型原则上只适用于预混燃烧。m a g n u s s e n 等【1 5 】在此 基础上提出一种可同时用于预混和扩散燃烧的模型。其基本思想是燃烧速率是由燃料和 氧化剂在分子尺度水平上相互混合的速率所决定的，即由两种涡团的破碎率和耗散率所 决定。对扩散燃烧，燃料和氧化剂分别形成两种涡团；对预混燃烧，两种涡团则是由已 燃气体形成的“热”涡团和未燃气体形成的“冷”涡团。燃烧总是在两种涡团的界面上 进行。 c f m 模型采用火焰面密度的方法描述火焰的发展过程，该模型假设反应区域与湍 流尺度相比很薄，湍流对当地的火焰结构没有影响，在分析湍流火焰时，将其视为单纯 的几何曲面，火焰面仅仅是新鲜预混气与己燃气体之间( 对预混燃烧) ，或燃料与氧化 剂之间( 对扩散燃烧) 的一个无限薄界面，化学反应很快，反应区无限薄，在这一区域 反应物的浓度为零。近年来发展起来的e c f m 3 z t 捌( e x t e n d e dc o h e r e n tf l a m em o d e l 3 z o n e ) 模型被广泛应用于柴油机燃烧过程的模拟，这个燃烧模型是在基于火焰面密度方 程上增加了混合模型，并有三个区域混合来描述空气区，混合区和燃油区，能描述非均 匀湍流预混合和扩散燃烧过程【1 5 , 2 0 , 2 1 ，2 5 】。 p d f 方法是最近几年发展进来的求解湍流燃烧的新方法。通过求解完全格式的p d f 输运方程，求出所有有关流动与燃烧的参量，但计算量非常大，目前工程应用中比较普 遍的是简化的p d f 模型，假定瞬时化学反应速率为温度和混合分数或者温度和氧浓度 江苏大学硕上学位论文 的函数。p d f 模型广泛应用于汽油机燃烧过程的模拟【1 5 】。 1 3 内燃机工作过程模拟分析软件 目前比较有代表性的应用于内燃机工作过程的模拟分析软件有：c o m p u t a t i o n a l d 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 以及美国l o s a l a m o s 国家 实验室推出的k i v a 系列程序等。 本文采用a v l 公司的f i r e v 2 0 0 8 软件对柴油机燃用不同燃油的燃烧过程进行数值 模拟。f i r e 软件是基于有限容积法的用于模拟内燃机中的流动、喷雾、燃烧等过程的 专业c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 软件。拥有全自动、半自动以及手动方式生 成静网格和动网格的前处理器；同时还包含了丰富的湍流模型、燃烧模型、喷雾模型以 及排放物( n o 和s o o t ) 的生成模型等。湍流模型有标准r 一模型、雷诺应力模型r e m ( r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ) 、大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 和a v l 自定义的湍 流模型。燃烧模型主要有涡破碎模型e b u ( e d d yb r e a k u p ) 、拟序火焰模型c f m ( c o