【掺烧生物燃油对柴油机性能影响仿真分析案例4400字（论文）】

掺烧生物燃油对柴油机性能影响仿真分析案例根据前一章确定的生物柴油-柴油仿真模型基础上，本章节对柴油机掺烧生物燃油进行仿真试验研究。在仿真模型的基础上，探究在推进特性下不同掺混比例生物柴油对柴油机燃烧及排放的影响，同时适当改变喷油提前角来改善发动机的整体性能，相关数据如表3-1所示。表3-1计算模型相关参数值参数名称数值柴油机转速设定1500r/min循环喷油量151mg生物柴油体积掺混比B0、B10、B20、B30喷油提前角23°CABTDC、25°CABTDC、27°CABTDC、29°CABTDC表中生物柴油掺混比B0、B10、B20、B30，释义为混合燃料中生物柴油的体积占比分别为为0%、10%、20%、30%。1.1模拟方案本文研究内容是在推进特性下进行的，为充分研究掺烧生物燃油对船用柴油机性能的影响，同时结合相关参考文献，选取25%，50%，75%，100%四个研究工况条件，生物柴油体积掺混比变化范围为0—30%，喷油提前角保持参数不变，以原机标准状态下25°CABTDC为基准。表3-2为推进特性下各工况负荷下转速、扭矩值及燃油掺混比参数。表3-2推进特性下各负荷转速、扭矩值及燃油掺混比负荷（%）255075100转速（r/min）945119113321500扭矩（N·m）4707469341184掺混比0-30%0-30%0-30%0-30%1.2生物柴油掺混比对柴油机性能的影响1.2.1生物柴油掺混比对柴油机燃烧性能的影响如图3-1所示为标准喷油提前角下（25°CABTDC）不同生物柴油掺混比例对柴油机缸内最高燃烧压力和放热率的影响曲线图。从缸压曲线可以看出，在25%负荷工况时，生物柴油掺混比30%（B30）相较于生物柴油掺混比为0%（B0）所对应的缸内最高压力下降11.4%；在50%负荷工况时，B30相较于B0下降12.1%；在75%负荷工况时，B30相较于B0下降11.6%；在100%负荷工况时，B30相较于B0下降11.8%；在不同负荷下，B30相较于B0缸内最高压力下降比例大致相同。这是因为：生物柴油的热值低于柴油，当燃烧相同体积燃油时，混合燃料燃烧释放的总能量总小于纯柴油燃烧释放的总能量，所以柴油机缸内压力会随着生物柴油掺混比增大而降低。从放热率的变化曲线来看，随着生物柴油掺混比例增大，放热率峰值降幅明显，主要由于生物柴油运动粘度大，混合燃油雾化不佳，油气混合不充分，导致滞燃期延长，放热率峰值下降。（a）25%负荷缸压曲线（b）50%负荷缸压曲线（c）75%负荷缸压曲线（d）100%负荷缸压曲线图3-1不同生物柴油掺混比例对发动机燃烧的影响1.2.2生物柴油掺混比对柴油机经济性的影响由于掺烧生物柴油分析指示燃油消耗率与柴油可比性不强，故本次研究采用折合油耗率来分析柴油机经济性。计算公式如下：（3-1）（3-2）公式中表示混合燃料热值；表示柴油热值；表示生物柴油热值；表示柴油密度；表示生物柴油密度；EBSFC和BSFC分别表示折合油耗率和混合油耗率。（=42MJ/kg，=38.5MJ/kg，=0.835g/cm3，=0.8g/cm3）如图3-2所示原机标准喷油提前角（25°CABTDC），柴油机在不同生物柴油掺混比例及不同工况负荷下折合油耗率变化曲线图。由图可知，在25%负荷工况时，生物柴油掺混比30%（B30）相较于生物柴油掺混比为0%（B0）所对应的柴油机折合燃油消耗率增大4.9%；50%负荷工况时，B30相较于B0增大1.5%；75%负荷工况时，B30相较于B0增大1.2%；100%负荷工况时，B30相较于B0增大2.5%；折合油耗率在同一负荷工况下随着掺混比例的增大而增大。这是因为：相较于柴油，生物柴油粘度更高，掺混生物柴油后的混合燃油粘度增加；低负荷相较于高负荷温度较低，故低负荷时的粘度大于高负荷，雾化效果更差，油气混合更不充分燃烧效果更差，故而随着掺混比例的增加，折合油耗率更高。图3-2不同生物柴油掺混比例对柴油机燃油消耗率的影响1.2.3生物柴油掺混比对柴油机排放性的影响如图3-3所示为不同生物柴油掺混比对柴油机缸内温度的影响曲线。由图可知：在25%负荷工况时，生物柴油掺混比例30%（B30）相较于生物柴油掺混比例为0%（B0）所对应的温度峰值下降175K；在50%负荷工况时，B30相较于B0下降119K；在75%负荷工况时，B30相较于B0下降190K；在100%负荷工况时，B30相较于B0下降210K。在100%负荷工况下，温度峰值下降最多这是由于混合燃油热值低于柴油，等量柴油燃烧所释放的热量要高于混合燃油，且生物柴油运动粘度大，导致混合燃油雾化效果不佳，油气混合不完全，因此随着生物柴油掺混比例增大燃烧所释放热量降低，导致放热率降低，缸内温度峰值逐渐下降。（a）25%负荷温度曲线（b）50%负荷温度曲线（c）75%负荷温度曲线（d）100%负荷温度曲线图3-3不同生物柴油掺混比例对柴油机缸内温度的影响船用柴油机NOx排放中，NO与NO2比例为9：1，因此本文以NO的质量分来表示整个NOx的生成情况。由图3-4所示NO排放变化曲线图可知，在标准喷油提前角（25°CABTDC）不变的前提下，在25%负荷工况，生物柴油掺混比30%（B30）相较于生物柴油掺混比为0%（B0）所对应的NO上升36.3%；在50%负荷工况，B30相较于B0上升37.7%；在75%负荷工况下，B30相较于B0上升39.1%；在100%负荷工况，B30相较于B0上升40%；在同一工况负荷下，随着生物柴油掺混比例的增大，NO生成质量分数上升明显，且在B30上升比例最大。这是因为：生物柴油十六烷值指数远大于柴油，含氧量高，生物柴油掺混比例增大，气缸内氧含量增大，有助于燃料更加充分燃烧，同时为NO的生成提供富氧环境。因此在掺混生物柴油后，燃烧室内温度虽然会降低但是富氧环境仍然会促进NO的生成。（a）25%负荷NO曲线（b）50%负荷NO曲线（c）75%负荷NO曲线（d）100%负荷NO曲线图3-4不同生物柴油掺混比例对NO的影响图3-5所示为不同生物柴油掺混比对碳烟排放影响曲线。由图可知，在25%负荷工况时，生物柴油掺混比30%（B30）相较于生物柴油掺混比为0%（B0）所对应的碳烟排放下降47%；在50%负荷工况时，B30相较于B0下降47.5%；在75%负荷工况时，B30相较于B0下降48%；在100%负荷工况时，B30相较于B0下降49.2%。这是因为：碳烟是燃油燃烧不完全的产物，缸内氧含量过低或者油气混合不充分都会造成燃油燃烧的恶化，从而导致碳烟的生成。由于生物柴油的富氧性，掺烧生物柴油使得燃烧室氧含量升高有助于燃油充分燃烧，使燃烧愈加充分，因此soot会随着生物柴油掺混比例的增大而减小。（a）25%负荷SOOT曲线（b）50%负荷SOOT曲线（C）75%负荷SOOT曲线（d）100%负荷SOOT曲线图3-5不同生物柴油掺混比例对SOOT的影响在生物柴油组成成分中，硫含量成分极低，几乎可以忽略不计，故在燃烧混合燃料时，可以有效降低船用柴油机排放尾气中的SOx，故在本文中不再做过多介绍。1.3喷油提前角对柴油机性能的影响由前文分析可知，燃烧生物柴油能够有效降低柴油机的碳烟和SOx的排放，但随着掺混比例的提高，会使滞燃期延长，导致放热率降低、缸压最高压力下降，NO升高，不利于柴油机稳定运行。本节通过改变喷油提前角，研究喷油提前角变化对混合燃料燃烧性能、经济性能以及排放性能的影响。喷油提前角是指曲轴上止点时刻与燃油开始喷入气缸时刻的差值，是调节柴油机平稳运行的重要参数。增大喷油提前角对柴油机的燃烧性能和经济性具有一定促进作用：喷油提前角增大，油气混合提前，使得油气有更多的时间混合，但NO排放也随之上升。因后文有SCR系统对柴油机尾气中NOx的处理，所以在本章节中不以NOx为主要评判标准。根据前文分析，船用柴油机折合油耗率随着生物柴油掺混比例增加而升高。在B10-B20掺混比例间折合油耗率上升幅度较大，而B20-B30掺混比例间折合油耗率上升幅度较小，但B30相较于其他掺混比，对碳烟排放影响最大，下降幅度最多，故下文以B30为仿真试验组，以原机喷油提前角25°CABTDC为基准，增加23°CABTDC、27°CABTDC、29°CABTDC三个喷油提前角变量，研究喷油提前角对生物柴油-柴油柴油机燃烧性能、经济性和排放性的影响。1.1.1喷油提前角对生物柴油-柴油发动机燃烧性能影响图3-6所示为B30在不同喷油提前角下的缸内最高压力与燃烧放热率曲线。由缸压曲线可知，在25%负荷工况时，喷油提前角29°CABTDC相较于23°CABTDC缸压峰值升高15.6%；在50%、75%、100%负荷工况时，分别升高16.9%、21.2%、21.9%。这是因为：随着喷油提前角的增大，燃油喷入燃烧室时刻提前，油气预混时间增加，故而油气得到充分混合，焰前反应增强，燃烧剧烈，放热率明显增加，缸内压力曲线也随之变陡，缸内压力峰值提前。由放热率的变化曲线可知，随着喷油提前角的增加，发动机着火时刻提前，大量油气在滞燃期混合，燃料在活塞上止点附近放出大量热，推动活塞快速运转，放热率急剧增加，柴油机燃烧性能获得明显提高。（a）25%负荷缸压曲线（b）50%负荷缸压曲线（c）75%负荷缸压曲线（d）100%负荷缸压曲线图3-6喷油提前角在B30时对柴油机燃烧的影响1.1.2喷油提前角对生物柴油-柴油发动机经济性的影响如图3-7为喷油提前角对折合油耗率影响曲线图，在25%负荷工况时，喷油提前角23°CABTDC比29°CABTDC下降0.92%，在50%，75%，100%负荷工况时，折合油耗率分别降低0.9%、1.3%、1.5%，在低负荷时，折合油耗率平均下降约为0.9%；在高负荷时，折合油耗率平均下降约为1.4%。这是因为增大喷油提前角，使得预混燃烧时间占比增大，尾燃阶段时间占比减小，使得燃油与空气混合更为充分，燃烧效果更佳，柴油机做功能力增强，燃烧效率提高，故折合油耗率随喷油提前角的增大而逐渐下降，经济性得到明显改善。（a）25%负荷折合油耗率（b）50%负荷折合油率（c）75%负荷折合油耗率（d）100%负荷折合油耗率图3-7喷油提前角对B30时柴油机折合油耗率的影响1.1.3喷油提前角对生物柴油-柴油发动机排放性的影响如图3-8所示，为不同的喷油提前角对NO生成质量分数的影响曲线图，从图中可知，在低负荷工况时，喷油提前角23°CABTDC比29°CABTDC升高1.1%；在高负荷工况时上升7.4%。这是因为喷油提前角增大，燃油提前进入气缸，与空气混合更为均匀充分，在局部形成了高温富氧区域，同时富氧环境持续时间更长，放热率升高，且在急燃期燃烧反应迅速进行，缸内瞬间释放大量热量，使缸内温度升高，形成高温环境，在高温富氧环境下，更加有利于NO生成。同时，较早的喷油会导致着火时间提前，高温持续时间延长，这也有利于NO大量生成，所以随着喷油提前角的增大，NO质量分数逐渐升高，且生成时刻提前。综上可知，喷油定时对发动机的动力性和经济性有着重要影响，在一定范围内，喷油提前角增加有助于提升发动机的燃烧性能和经济性，与之相反，NO排放明显升高。（a）25%负荷NO曲线（b）50%负荷NO曲线（c）75%负荷NO曲线（d）100%负荷NO曲线图3-8喷油提前角对B30时对NO的影响如图3-9所示，为不同的喷油提前角对温度的影响曲线图，从图中可知，在25%负荷工况时，29oCA比23oCA所对应的温度最高值升高106K，在50%负荷工况时，29oCA比23oCA升高135K；在75%负荷工况时，29oCA比23oCA升高110K；在100%负荷工况时，29oCA比23oCA升高112K，随着喷油提前角的增大，柴油机缸内最高温度均呈逐渐上升的趋势。这是因为：随着喷油时刻提前，燃油喷入燃烧室时刻提前，油气预混时间增加，燃烧更剧烈，累计放热率增加，缸内温度升高。（a）25%负荷缸内温度曲线（b）50%负荷缸内温度曲线（c）75%负荷缸内温度曲线（d）100%负荷缸内温度曲线图3-9喷油提前角对B30时对温度的影响1.4仿真试验