（轮机工程专业论文）基于gtpower软件的柴油机生物燃料性能比较研究.pdf

分类号： udc ： 密级： 编号： 工学硕士学位论文 基于g t - p o w e r 软件的柴油机生物燃料性能比 较研究 博士研究生：d a y y a b ug a m b ok o f a r b a i 指导教师：郑群 主审人：周松 学位级别：工学硕士 学科、专业：轮机工程 所在单位：动力与能源工程学院 论文提交日期：2 0 1 0 年6 月 论文答辩日期：2 0 1 0 年6 月 学位授予单位：哈尔滨工程大学 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r si nm a r i n e 一 一 e n g l n ee n g l n e e r l n g c o m p a r a t i v e p e r f o r m a n c eo fb i o d i e s e li na d i e s e le n g u s i n gg t - p o w e rs o f t w a r e l 9 l e s e lp g n g l n eu o w e r c a n d i d a t e ：d a y y a b ug a m b ok o f a r b a i s u p e r v is o r ：p r o f o u nz h e n g r e v i e w e r ：p r o f s o n gz h o u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e rd e g r e ei nm a r i n ee n g i n ee n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m a r i n ee n g i n ee n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j u n e2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：j u n e2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结 作者 日期 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 日 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 捌导师( 签字) ：豸懈 日期：7 力护年一7 月1 1 日7 修，护年7 月j ) 日 f h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y m a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n 摘要 本文的主要目的是调查研究生物柴油和常规2 号柴油之间的比较，并且 给出实验数据。众所周之，生物柴油及其混合物长期以来作为常规柴油的替 代能源，大量的实验证明了其在效率和排放上的优势，但是在数值模拟方面 没有得到足够的重视。本课题同时对生物柴油和常规柴油进行模拟，液态和 蒸汽态的常规柴油道具被生物柴油取代，其结果表明生物柴油是一种非常有 前途的柴油燃料。 g t - p o w e r 软件作为分析工具用于分析生物柴油的诸多性质，例如，密度、 热导率、粘性、低热值，焓、温度、压力等等从实验以及期刊中得到的属性。 一个重要因素是发动机的部件建模的引擎用来测量g t - p o w e r 是提供一 个空间使得流体的属性能够输入。对于四冲程的单一汽缸直接注射柴油机是 以下列属性定义的，例如管道、入口和排量，这些都通过软件来实现。 计算结束后得到如下结论和建议， 结论： 1 建立了生物燃料的数据库； 2 比较分析了普通燃料和生物燃料： 3 生物燃料的利用使空气燃油比增加到1 2 ； 4 生物燃料的利用使单位燃油消耗降低了1 3 ； 建议： 1 应该做实验以证明数值模拟的正确性； i h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - m a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n 2 在接下来的研究中，应该考虑废气排放； 3 打破传统的燃油消耗，最主要的原因是由于发动机管道的尺寸。 关键词：柴油机；g t - p o w e r ；生物柴油和性能比较。 a b s t r a c t t h ep r i m a r ya i mo ft h i sr e s e a r c hw a st oi n v e s t i g a t ec r i t i c a l l yt h ef u n c t i o n so f t h e p e r f i o 肌a i l c eo fb i o d i e s e li nc o m p a r a t i v et oc o n v e n t i o n a ld i e s e lf u e ln o 2a n d t h e e n g i n eg i v e ne x p e r i m e n t a ld a t a i ti sw e l lk n o w nt h a tb i o d i e s e la n d i t sb l e n d sf o r l o n gh a sb e e n u s e da sa na l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a ld i e s e lf u e l ，m a n ye x p e r i m e n t s c o n d u c t e dp r o v ep o s i t i v ei nb o t he n g i n ep e r f o r m a n c e sa n de x h a u s t s ，b u tn o tm u c h a t t e n t i o ni sg i v e nt ot h eb i o d i e s e ls i m u l a t i o n ，i nt h et h e s i sb e l o wt w os i m u l a t i o no f d i e s e lf i l da i l db i o d i e s e lf u e lw e r ec a r r i e do u t ，l i q u i da n dv a p o u rp r o p e r t i e so f c o n v e n t i o n a ld i e s e lw e r es u b s t i t u t e dw i t ht h a to f b i o d i e s e la n dt h er e s u l t so b t a i n e d v e r i f i e dt h a tb i o d i e s e lc a nb eu s e da sa n a l t e r n a t i v et od i e s e lf u e l b i o d i e s e l ，h e r em e a n sa l k y le s t e r st h em a i nr e a s o ni st h a tv e g e t a b l eo i l sa n d a n i m a lf a t sh a v eak i n e m a t i c sv i s c o s i t ym u c hc l o s e rt ot h a to fp e t r o d i e s e l b o t h v e g e t a b l eo i l s ，a n i m a lf a t sa n dt h e i rd e r i v a t i v e ss u c ha sa l k y le s t e r sh a v es o m e s i m i l a r i t i e st op e t r o d i e s e lf u e lo rt os o m eo fi t sc o m p o n e n t st h a tm a k e i ts u i t a b l et o u s e 嬲d i e s e lf u e l a m o n gs u c hp r o p e r t i e si n c l u d ec e t e n en u m b e r , ( k i n e m a t i c ) v i s c o s i t y , o x i d a t i v es t a b i l i t y , h e a to fc o m b u s t i o n ，p o u rp o i n t ，c l o u dp o i n tl u b r i c i t y b i o d i e s e lc a nb ep r o d u c e di nq u a n t i t i e st h a tc a ns u p p l e m e n tb u tn o tr e p l a c e p e 缸o l e u md i e s e l t h e r e f o r e ，m o s tc ie n g i n e sw i l lc o n t i n u et ob ed e s i g n e dt ou s e p e 臼r o l e u 】【l ld i e s e la st h e i rp r i m a r yf u e l a ni m p o r t a n ta d v a n t a g eo f b i o d i e s e li st h a t i tc a nf u n c t i o ni nt h e s ee n g i n e sw i t h o u tm o d i f i c a t i o n s ，a n dd o e sn o tr e q u i r e e n g i n e se s p e c i a l l yd e s i g n e dt om r o nb i o d i e s e l g t - p o w e rs o f t w a r ew a su s e da sat o o lf o rs i m u l a t i o n ，b i o d i e s e lf u e ll i b r a r y p r o p e r t i e sl i k e ，d e n s i t y , t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , v i s c o s i t y , l o w e rh e a t i n g v a l u e ( l h v ) ，e n t h a l p yc o n s t a n t ，c r i t i c a lt e m p e r a t u r e ，c r i t i c a lp r e s s u r ew e r ed e t e r m i n e d f r o mv a r i o u se x p e r i m e n tc o n d u c t e da n dj o u r n a l sp u b l i c a t i o na n dw e r eu s e d a st h e a t t r i b u t e st ot h el i b r a r y o n ei m p o r t a n tf a c t o ri nm o d e l i n go fa ne n 舀n eu s i n gg t - p o w e ri st om e a s u r e t h ee n g i n ec o m p o n e n t st op r o v i d ear o o mf o ri n p u t t i n gf l u i dp r o p e r t i e s ，as i n g l e 1 1 1 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - m a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n c y l i n d e r , 4s t r o k ea i r - c o o l e d ，d i r e c ti n j e c f i o nd i e s e le n g i n ew a sm e a s u r e da n dt h e a t t r i b u t e ss u c ha sp i p e s ，i n t a k ea n de x h a u s tv a l v e s ，w e r ep r o v i d e df o rt h eu s ei n t h es o f t w a r e a f t e rt h es i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u ts o m ec o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s a r el i s t e db e l o w 1 b i o d i e s e lf u e ll i b r a r yw a sc r e a t e d 2 c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i e s e lw i t hb i o d i e s e lf u e lw a sc a r r i e do u t 3 b i o d i e s e lf u e li n c r e a s e sa i r - f u e lr a t i ob y12 4 i n d i c a t e ds p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o nw a sr e d u c e sb y13 5 a i r 一血e lr a t i ow a si n c r e a s e db y12 6 c y l i n d e rc o m p r e s s i o nt oa r o u n d7 7 m a s sf l o wr a t eo fb i o d i e s e li sa l m o s tt h es a m ew i t ht h a to fd i e s e lf u e l 8 p o w e ra t t a i n e dw a sr e a s o n a b l ya b o v et h a to fd i e s e lf u e l 9 e x p e r i m e n ti sn e e d e dt ov e r i f yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 10 e x h a u s t se m i s s i o nn e e dt ob ec o n s i d e ri nt h ef u r t h e rr e s e a r c hs t u d i e s ii b r e a ks p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o nw a sa b o v et h ee x p e c t e dr a n g e ，o n eo ft h e m a i nr e a s o nw a sa t t r i b u t e dt ot h ep i p e sm e a s u r e m e n to ft h ee n g i n e w i t h i nt h es t i p u l a t e dt i m eo fs t u d yiw a sa b l et oa c c o m p l i s ht h et a s ko b j e c t i v eo f t h er e s e a r c h , b i o d i e s e lf u e lp r o p e r t i e sw e r eb r o u g h ti nl i n ew i t ha m e r i c a ns o c i e t y f o rt e s t i n go f m a t e r i a l s ( a s t m ) r e g u l a t i o n s ，t h ec o m p a r a t i v er e s u l t ss h o w st h a t b i o d i e s e lf u e li si n d e e da p r o m i s i n gf u e l a n de c o n o m i c a l l ys o u n dt h a n c o n v e n t i o n a ld i e s e ln o 2f u e l 1 v h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y m a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n h o w e v e r , 1w o u l da l s ol i k et or e f l e c tb a c kt os o m eo ft h em o s tl i k e l yp r o b l e m s e n c o u n t e r e dt h r o u g hw h e nc a r r y i n go u tt h et a s k a m o n gw h i c hi n c l u d ev a l v el i f t c a l c u l a t i o no ft h e t aa r r a y , t h o u g hm a t h e m a t i c a lf o r m u l aw a sp r o v i d e db u ti sh a r d l y e f f e c t i v e ，r e a le n g i n ee x p e r i m e n ti sn e e d e dt oo b t a i nt h e t aa r r a y ( d e g r e e ) a n d c o r r e s p o n d e n tl i f ta r r a y ( 舳) d a t ae s s e n t i a l f o rt h es i m u l a t i o nv a l v e i n p u t ， c a l c u l a t i o n so fv a l v el i f tw i t hr e s p e c tt od e g r e eo fc r a n ka n g l e ，s i m i l a r l y , w h e n r u n n i n gb i o d i e s e lf u e ls i m u l a t i o n ，m a s sf l o wr a t e ( n a g ) h a st oa d j u s ti nu n i t s e q u e n c eu n t i lc o n v e r g e n c e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，g t - p o w e r , b i o d i e s e la n dc o m p a r a t i v ep e r f o r m a n c e v a c k n o w l e d g e m e n t s f i r s to fa l l ，1w o u l dl i k et oe x p r e s sm ys m c e r eg r a t i t u d et om yb e l o v e dc o u n t r y n i g e r i aw h ob r o u g h ta n ds p o n s o r e dm ys t u d y , e q u a l l yi m p o r t a n tm yg r a t i t u d e g o e st ot h eg o v e r n m e n to ft h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n af o rt h ef u l f i l l m e n tr o l eo f b i l a t e r a le d u c a t i o na g r e e m e n t ( b e a ) ，h a s s a nu s m a nk a t s i n ap o l y t e c h n i c ，a l l t o g e t h e rc o n t r i b u t e di m m e n s e l yt om a k em ys t u d ya n dl e a v i n gp o s s i b l ei nc h i n a m ya p p r e c i a t i o na l s oe x t e n d st om ya c a d e m i ca d v i s o r s ，p r o f e s s o rz h e n gq u n e n g i n e e ra b d u l l a h ia a ( b a y e r ou n i v e r s i t y , k a n o ) ，p r o f e s s o rz h o us o n g , p r o f e s s o rc h u n l i n gx i e ，p r o f e s s o ry a n g i i a l i n g , p r o f e s s o rz h u r o n g k a i ，d rw a n g h e c h u n , d ry o u h o n ，f o rt h e i ri n v a l u a b l es u p p o r ta n dt e c h n i c a li n s i g h to ft h i s o u t s t a n d i n gl e a r n i n ge x p e r i e n c e 1w o u l da l s ol i k et ot h a n km yf r i e n d sa th e u l i e u t e n a n ta d i lm a l i k ( p a k i s t a n ) ， s w a i bk y a n d a ( u g a n d a ) ，m i n gy u z h o u ，d rs u n l a n x i n , d rd e n gq i n gf e n g , w a n q i a ns o n ga n dz h a n g a b o v ea l lm yc o u n t r yf e l l o ws c h o l a r s ，t h e yh e l pt u r nt r y i n g t i m e si nt oe n j o y a b l eo n e s t h i st h e s i si sd e d i c a t e dt om ye n t i r ef a m i l ym e m b e r st h e i rc o n f i d e n c ea n ds u p p o r t m a d et h i sa l lp o s s i b l e t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t i i i a c k n o w l e d g e m e n t s v i t a b l eo fc o n t e n t s v i i n o m e n c l a t u r e x c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 1h i s t o r i c a l b a c k g r o u n d o f b i o d i s e l 1 1 1 2t h eo r j g i no ft h et e r m “b i o d i e s e l ”18 1 3b i o d i e s e l i n y e l l o w s t o n e n a t i o n a l p a r k 1 0 1 4s t a t u sq u o 2 0 1 5s o y b e a nb i o d i e s e l 2 1 1 6s o y b e a no i lc o m p o s i t i o n 2 3 1 7o b j e c t i v e so f t h es t u d y 2 5 1 8o u t l i n eo ft h et h e s i s 2 6 c h a p t e r2l i t e r a t u r er e v i e w 2 7 2 1t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e 2 7 2 2o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s 2 8 2 3b i o d i e s e lp r o d u c t i o n 3 2 2 4i n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fb i o d i e s e l 3 4 2 5w h ya r ev e g e t a b l eo i l sa n da n i m a lf a t st r a n s e s t e r i f i e dt o a l k y l e s t e r s 3 5 2 6w h yb i o f u e li su s e da sd i e s e lf u e l 3 6 2 7e n g i n ec o m p a t i b i l i t y 3 6 2 8b i o d i e s e l ( b 1 0 0 ) e m i s s i o n s 3 8 2 9d i e s e l a n db i o d i e s e lc o m b u s t i o n 4 0 l 2 1 0e n e r g yc o n t e n to fd i e s e lf u e l 4 0 2 1 le n e r g yc o n t e n to fb i o d i e s e lf u e l 4 1 2 1 2i g n i t i o nd e l a y z i ：1 2 1 3f u e lm a s sb u r n i n gr a t e 4 3 2 1 4c o m b u s t i o nr e a c t i o n 4 5 c h a p t e r3m o d e l i n go fd ie n g i n ei ng l t - p o w e r 4 6 3 1o v e r v i e wo fg t - p o w e r 4 6 ：；2m o d e l i n gf l u i df l o wi np i p e s 4 8 3 3i n c y l i n d e rh e a tt r a n s f e rm o d e l 5 0 3 4i n j e c t i o ns u bm o d e l 5 6 3 5f u e ls p r a yd y n a m i c s 5 8 3 6i g n l l r i o n a n dc o m b u s t i o nm o d e l 6 1 ：；7m o d e l i n go ff l u i dp r o p e r t i e s 1 j ；：2 1 3 8m o d e l i n go fv a p o u rp r o p e r t i e s 6 4 3 9m o d e l i n gm e t h o d o l o g y 6 6 e n g i n ee x p e r l m e n l ：a ld a t a 7 1 c h a p t e r4g t p o s ta n da n a l y s i so ft h er e s u i j s 7 4 4 1g i t - p o s tp r e v i e w 7 4 4 2g t - p o s tf i l e s 7 4 4 3g t - p o s tm o d e s 7 5 4 4p l o t s t a b l e sm o d e 7 6 4 5r l t v i e w e rm o d e 8 0 4 6f u e lc o n s u 印t 1 0 n 8 1 4 7a m - f u e lr a t i o 8 ：2 4 8m a s sf l o wr a t e f ；3 4 9v o l u m e t r i ce f f i c i e n c y 8 4 4 1 0b r a k et o r q u e 8 5 4 1 1e n g i n ec y l i n d e rp r e s s u r e 8 6 4 1 2e n g i n ec y l i n d e r t e m p e r a t u r e 8 7 啊 i h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y m a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n 4 1 3p o w e r 8 9 c h a i 吓e r5c o n c l u s i o na n dr e c o m m e n d a t i o n 9 1 r e f e r e n c e s 9 2 a p p e n d i x a 9 5 a p p e n d i xb 9 5 t a b l e 3 v l s c o s i t i e sa n dt h e r m a lc o n d u c t i t i e so fd i e s e l v a p o u r 。9 5 t a b l e4 v i s c o s l t i e sa n dt h e r m a lc o n d u c t i t i e so f b i o d i e s e lv a p o u r 9 6 t a b l e5 s c o s i t i e sa n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so fl i q u i d d i e s e l 9 6 t a b l e6 v i s c o s i t i e sa n dt h e r m a lc o n d u c t i t i e so f l i q u i db i o d i e s e l 9 7 a p p e n d i xc 9 7 t a b l e1 9 7 t a b l e2 。9 8 t a b l e3 9 8 彳：加，e a 。f p i s t m 2 ) n o m e n c l a t u r e b m e p 2m e a ne f f e c t i v ep r e s s u r e ( k p a c y c l e ) p = i n d i c a t e dp o w e r ( k 聊 印= b r a k e p o w e r ( k 忉 b s f c = b r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ( k g k w h ) i s f c = i n d i c a t e ds p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ( k g k w h ) d = d = e f f e c t i v eb r a k ed i a m e t e r ( n 1 ) 砌印2i n d i c a t e dm e a ne f f e c t i v ep r e s s u r e = a i r f u e lr a t i o l = l e n g t ho ft h es t r o k e ( n 1 ) ，= m a s sf l o wr a t e ( k g s ) n s p e e di nr e v o l u t i o np e rm i n u t e ( r p m ) 刀= n u m b e ro fp o w e rs t r o k e sp e rm i n u t e n 2 ( f o raf o u rs t r o k ee n g i n e ) t = t o r q u e ( n m ) 巧= d i 8p l a c e m e n tv o l u m e ( m 3 ) c n = c 6 t a n en u m b e r ， 1 d = i g n i t i o nd e l a y b d c = b o t t o md e a dc e n t e r t d c = t o p d e a dc e n t e r 仇= v o l u m e t r i ce f f i c i e n c y ( ) o = h e a tt r a n s f e r ( k j ) h = e n t h a l p y ( k j k g ) ， 吃= h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t u = v e l o c i t y m s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1h i s t o r i c a lb a c k g r o u n do fb i o d i s e l i ti sv e r yc o m m o nf o ra r t i c l e so nb i o d i e s e lt os t a r tb yc l a i m i n gt h a tr u d o l p h d i e s e lf u e l e do n eo fh i se a r l ye n g i n e sw i t hp e a n u to i la tt h ep a d se x h i b i t i o ni n 19 0 0 f o ra ne x c e l l e n td i s c u s s i o no ft h eh i s t o r ya si ti n v o l v e dr u d o l p hd i e s e l ，t h e a u t h o r ss u g g e s tk n o t h e ( 2 0 0 5 b ) ，w h oh a sp r e p a r e dac o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h e l i t e r a t u r ea v a i l a b l ef r o mt h ed i e s e le r a k n o t h e ( 2 0 0 5 b ) s t a t e st h a td i e s e ld i dn o t a c t u a l l yu s ep e a n u to i lh i m s e l fb u tw a sd e s c r i b i n gat e s tc o n d u c t e db ya n o t h e r c o m p a n y i na n yc a s e , t h ev e g e t a b l eo i lt e s t i n gw a sc o n s i d e r e dt ob ea s u c c e s sa n d o f f e r e dt h ep o t e n t i a lf o rr e m o t ec o l o n i e st ob es e l f - s u f f i c i e n ti nf u e l k n o t h e ( 2 0 0 5 b ) ，q u i c k ( 19 8 0 a ) ，a n do t h e r sr e p o r tt h a ti na19 12s p e e