高原环境下喷孔直径对不同掺混比生物柴油燃烧与排放的影响

发布时间：2020-02-14 19:23

【摘要】：以高原高压共轨柴油机为研究机型,根据台架试验和发动机结构参数,运用AVL Fire构建其三维计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)计算模型并进行模型验证。在海拔1 890m高原大气环境下,对B0、B10和B100三种燃料发动机采用0.10mm、0.15mm和0.20mm孔径直径喷油器时的燃烧过程与排放特性进行仿真模拟对比研究。计算结果表明:对于三种燃料,随着喷孔直径减小,燃烧始点提前,燃油消耗速率与累计放热率升高,缸内燃烧温度和OH活性基浓度增大,燃空当量比降低,NO排放增加,碳烟和CO排放则减小;随着喷孔直径增大,B100的燃烧消耗速率低于B0;采用相同喷孔直径时,NO随着生物柴油掺混比增大总体升高,B100的碳烟和CO排放明显低于B0,而B10的碳烟随着喷孔直径增大稍高于B0。
【图文】：

喷孔,放热率,直径

２０１６年第４期内燃机工程一情况，使Ｂ１００的燃烧消耗速度高于Ｂ０。在０．２０ｍｍ喷孔直径时，Ｂ１００的自含氧量不足以弥补由于雾化质量差所导致的燃烧速率降低，因此Ｂ１００的燃烧消耗速率低于Ｂ０。图３不同喷孔直径对缸内燃油质量分数的影响图４为不同喷孔直径影响下，Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００的累计放热率曲线对比。从图４可以看出，由于生物柴油的低热值低于纯柴油，导致在相同喷孔直径下的累计放热率随着生物柴油掺混比的增加而减小；但是，随着喷孔直径的增加，生物柴油与纯柴油的累计放热率差距逐渐缩校这是因为喷孔直径增加使不同燃油与空气的混合质量变差，一部分燃料不完全燃烧导致了累计放热率的降低，从而缩小了不同燃料之间的累计放热率差距。对于三种不同燃料，随着喷孔直径的减小，燃烧始点提前，累计放热率增加。这是因为喷孔直径的减小提高了燃油喷雾的雾化效果及其与空气的混合速率，着火更易，燃烧更为充分致使累计放热率升高，如：当喷孔直径从０．２０ｍｍ减小到０．１０ｍｍ，Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００的累计放热率分别增加了２０．７７％、２１．１８％和１８．３６％。此外，三种燃料的喷孔直径每增加０．５ｍｍ，燃烧持续期延长约７°～１１°，而燃烧重心推后４°～５°。这是因为随着喷孔直径的增加，，燃料与空气的混合速率降低，燃烧过程变缓所致。图４不同喷孔直径对累计放热率的影响３．２不同喷孔直径对不同燃料排放特性的影响随着发动机排放法规日益严格，大幅降低氮氧化物（ＮＯｘ）和碳烟排放已成为必然趋势。对于柴油机，ＮＯｘ和碳烟排放较高且二者之间存在此消彼长

喷孔,直径,缸内

２０１６年第４期内燃机工程图７不同喷孔直径对ＣＯ排放的影响图８不同喷孔直径对缸内温度场的影响凹坑靠近燃油碰壁的一侧和挤流区域中。在喷孔直径一定时，随着生物柴油机掺混比增加，发动机缸内燃烧温度降低，原因是生物柴油的热值低于石化柴油。然而，由于柴油４２．５ＭＪ／ｋｇ和生物柴油３８．０５ＭＪ／ｋｇ的热值相差不是很大，缸内的温度差异在相同喷孔直径下变化不大。图９为不同喷孔直径对ＯＨ自由基在缸内分布的影响。ＯＨ自由基的浓度主要在高温反应阶段迅速生成，其浓度极大影响碳烟的氧化反应［１４］。由图８和图９可见，ＯＨ主要分布于温度１５００Ｋ以上的区域。同一曲轴转角下，０．１０ｍｍ喷孔直径的ＯＨ大量生成，其主要分布在凹坑之内；而０．２０ｍｍ喷孔直径的ＯＨ生成量显著减少。此外，采用相同喷孔直径时，Ｂ１００的缸内ＯＨ自由基生成量高于Ｂ０。图９不同喷孔直径对羟基（ＯＨ）分布的影响图１０为Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１００采用０．１０ｍｍ和０．２０ｍｍ喷孔直径时的燃空当量比缸内分布。由图１０可见，在０．１０ｍｍ喷孔直径时的气态燃料分布较为均匀，且液态燃油较少；而在０．２０ｍｍ喷孔直径时，Ｂ１０的燃油分布较集中，液态燃油的液滴比较多，并且液滴直径也较大。在相同喷孔直径时，Ｂ１０由于掺混生物柴油，其喷雾雾化效果变差，导致缸内燃空当量比最高。Ｂ１００因含有１０％左右的原子氧，弥补了由于燃油黏度高、雾化差所引起的缸内燃空当量比增大的情况，从而缸内燃空当量比最校图１１为Ｂ０、Ｂ１０和Ｂ１０

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