甲醇替代率对柴油机能量流影响分析.pdf
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1、研究与探讨D0I:10.16056/j.2096-7705.2023.03.013能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)85.甲醇替代率对柴油机能量流影响分析任鹏(武警士官学校机械系,杭州31140 0)摘要:为深人理解预混甲醇柴油双燃料发动机能量流分布,基于Converge软件构建了甲醇柴油双燃料全气道发动机三维仿真模型,进行了不同甲醇替代率下柴油机的能量流平衡分析。结果表明:随着甲醇替代率增大,缸压峰值和放热率峰值增大,燃烧重心提前,燃烧持续期缩短。添加甲醇后,NOx、CO 和Soot呈现下降趋势,但在喷油时刻附近会增加局部HC生成量。相比纯柴油机,添加甲醇后指示功、进排气以及传热部分
2、的能量减少,杂项的占比不断升高。关键词:甲醇柴油双燃料;甲醇替代率;能量平衡;热效率中图分类号:TK427Analysis of the Effect of Methanol Substitution Ratio on文献标志码:Athe Energy Flow of Diesel Engines文章编号:2 0 96 7 7 0 5(2 0 2 3)0 30 0 8 50 6REN Peng(Mechanical Department,Peoples Armed Police Force Academy,Hangzhou 311400,China)Abstract:To deeply und
3、erstand the energy flow distribution of the premixed methanol/diesel dual-fuel engine,a three-dimen-sional simulation model of the methanol/diesel dual-fuel all-airway engine was constructed based on Converge software,andthe energy flow balance analysis of the diesel engine was carried out under dif
4、ferent methanol substitution ratios.The resultsshowed that with the increase of methanol substitution ratio,the peak cylinder pressure and the peak heat release rateincreased,the center of gravity of combustion was advanced,and the combustion duration period was shortened.Aftermethanol addition,NOx,
5、CO and Soot show a decreasing trend,but local HC generation increases near the injection moment.Compared to the pure diesel engine,the indicated work,intake and exhaust,and heat transfer portions of the energy arereduced with the addition of methanol,and the percentage of miscellaneous items is incr
6、easing.Keywords:methanol-diesel dual fuel;methanol substitution rate;energy balance;thermal efficiency现“零碳”排放。通过甲醇柴油双燃料燃烧技引言术,可有效解决甲醇着火温度高、难压燃的问题 6 ,可再生、清洁替代燃料的高效利用一直吸引学对于提高甲醇利用效率具有重要意义。者们的关注 1-4。甲醇作为一种单碳分子的可再生含能量流分析可以针对发动机各部分的能量损失氧燃料,可以采用生物质、天然气以及新能源电化提供更加直观的对比,为后续发动机性能的优化设学转化CO,等方法制备,从而在整个循环过程中实计提
7、供理论基础。天津大学的姚春德团队 7-9 针对甲收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 0第一作者:任鹏(1993一),男,助教,本科,主要研究方向为内燃机高效及清洁燃烧技术。E-mail:r e n p 9312 16 3.c o m引用格式:任鹏.甲醇替代率对柴油机能量流影响分析 J.能源研究与管理,2 0 2 3,15(3):8 5-90.86醇柴油双燃料燃烧能量分布展开详细的分析,探讨进气道喷射甲醇并由柴油引燃发动机在不同发动机负荷、进气温度、甲醇温度及高压EGR等工况下燃烧能量流分布。结果显示,随着甲醇加入,冷却损失和排气损失明显降低,但不完全燃烧损失比例逐渐增加。当引人高压废气后,有
8、助于降低排气损失和不完全燃烧损失,从而大幅提升发动机热效率。RANGASAMY等 10 在1台装置有进气道甲醇喷射系统的三缸发动机对甲醇/柴油和甲醇/生物柴油燃烧过程中的能量流分布展开分析。结果发现,由于燃料分层、全局反应性和缸内温度较低,在低负荷时不完全燃烧损失的大幅增加。同时,相比于传统柴油机,适量的废气再循环在甲醇柴油双燃料燃烧过程中的排气损失和传热损失较少,制动热效率提高。而且,相比甲醇柴油,在甲醇/生物柴油燃烧过程中,由于生物柴油的物理特性和缸内温度导致燃料分层增加,不完全燃烧损失减少。甲醇/柴油双燃料燃烧方式包括直接掺混 1-12 、进气道喷射 13-14及缸内双直喷 15-1 等
9、。燃烧方式的差异性也将影响缸内的能量分布。此外,甲醇自其在压燃机中的广泛应用。随着我国双碳目标的提出,动力燃料将向转向低碳及零碳化发展。通过乳化法(缸径x冲程)/气缸数/排量/压缩比mm个1121456排气道缸盖缸体活塞一图1发动机三维模型Fig.1 Engine 3D modeling75%负荷工况下发动机缸压和放热率实验数据与模拟结果进行对比,结果如图2 所示。由图可知,数值计算的缸压和放热率曲线可以很好的复现实验结果。实验和数值计算的缸压数据差异性低于5%,这也表明模型参数设置及计算方法的合理性。因此,能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)将甲醇直接掺混柴油的利用方式对特种车辆的改动
10、较少,且能够实现更高的甲醇替代率和降低污染物排放,对于后续甲醇的广泛应用具有重要的现实意义。本文利用Converge三维仿真软件,基于对1台六缸四冲程的甲醇/柴油双燃料发动机建立三维全气道仿真模型。详细分析不同甲醇掺混比例下,缸内压力、放热率、污染物生成以及各部分能量分布,为甲醇-柴油双燃料发动机的优化设计提供参考。1计算方法1.1仿真模型构建与验证本文以1台增压中冷高压共轨柴油机为研究对象,基于Converge软件建立三维仿真模型。表1给出详细的发动机参数。针对发动机整个循环过程中的能量流进行计算,构建了详细的全气道发动机模型如图1所示。模型主要包含进排气道、缸盖、缸套、活塞及喷油器。为排除
11、网格尺寸的影响,综合考虑计算时间和计算精度的要求,选取基础网格尺寸为6 mm,并结合2 级自适应网格加密,最小网格尺寸为2.5mm,计算模型在之前研究中进行了大量的应用与验证 17-18 。计算模型参数设置如表2 所示。为验证计算结果准确性,选取转速16 50 r/min,表1发动机参数Table 1 Engine parameters最大爆发标定功率标定转速最大扭矩最大转速压力/MPakW8.617进气道研究与探讨气门数/(rmin-)Nm16275后续的分析均以16 50 r/min,7 5%负荷工况作为基准工况点,对掺混不同甲醇比例的柴油机能量流分布进行计算。其中,甲醇替代率定义为单个循
12、环缸内喷入甲醇燃料的热值与缸内燃料的总热值之比 12 ,计算公式如下:(r min-)21001512表2 计算模型设置Table 2 Computational model settings模型流模型破碎模型雾滴碰撞和聚合模型液膜模型蒸发模型燃烧模型NO.模型Soot模型传热模型个13004参数RNGk-8KH-RTNTCWall filmFrosslingSAGEExtended Zeldovich NOxHiroyasu SootCHT研究与探讨15.012.5一数值模拟10.0l口实验值/7.55.02.50.0-2.5一5.0 l=100-75-50-25 0 图2 数值计算与实验结
13、果对比Fig.2Comparison of numerical calculations andexperimental resultsm 乙醇LHV 乙醇=m乙醇LHV乙醇+m柴油LHV柴油式中:m乙醇为甲醇质量流量;柴油为柴油质量流量;LHV乙醇为甲醇低热值;LHV柴油为柴油低热值。1.2能量流计算在进行能量流计算之前,需要对发动机建立一个热力学系统。基于热力学第一定律和第二定律,将柴油机看作一个开闭口周期性变化的控制体,该系统与外部进行质量、热量及输出功交换。其中,流人气缸系统的能量主要包含进气能和燃料燃烧(数值计算过程主要为柴油代用组分内正庚烷和掺混的甲醇)释放的化学能。输出的能量包括
14、传热项、排气项和输出功项。此外,为便于柴油机能量流的研究,需要4点假设:1)控制容积内的工质为理想气体;2)控制容积内工质在封闭过程中无泄漏;3工质在流人或流出控制容积的过程为准稳态流动过程,忽略流入及流出时的动能及势能;4)进气及生成物质仅考虑N2、O 2、C O 2 及H,O,忽略其他物质及生成物。能量分析方法从系统总能量角度对增压柴油机的工作过程做热力学分析,对于1个完整循环,能量平衡关系见式(2):dQ=dQw+dQE+dQo+dQL+dQodtdt单位时间内柴油放热量及有效功率分别按式(3)、式(4)计算:dQE=LHVmrdtdQw=_T.ndt9550式中:Q为柴油放热量;Qw为
15、有效功;Qe为排气能量;Q为传热量;Qi为不完全燃烧损失能量;能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)500Qo为杂项损失能量;LHV为燃料的低热值;m为柴油流量;T为瞬时扭矩;n为转速;t为时间;9550400(-().1)/李洋X3002001000255075100时间 t/mindtdtdt87.为常数项。为准确反映该柴油机的能量分布情况,根据试验数据对排气能量及传热量进行计算,相关参数的计算方法见式(5)式(8):dO=me(Ce T:-C,T)dtkC-Z CXi=1X,=m;/meycdQo-=f.C.(Taa,.-Tael)dt式中:m。为排气质量流量,即进气流量与燃油流量(
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