不同海拔下柴油机燃用含氧混合燃料性能仿真研究

发布时间：2020-09-22 07:13

　　随着石化燃料不可再生引发的能源危机问题日益严重,柴油的替代燃料开发研究逐渐受到重视。生物柴油、乙醇作为含氧、可再生燃料,二者与柴油混合后可以做到理化性质互补,能够满足柴油机燃烧的要求,因此生物柴油-乙醇-柴油(简称BED)混合燃料在柴油机上的应用被广泛研究。本文首先检验所配制的BED混合燃料的互溶性,并计算出理化性质,验证了其作为柴油替代燃料的可行性。利用仿真模型分析了不同掺混比例BED混合燃料对柴油机性能的影响,进一步选择B15E5D混合燃料作为研究对象,研究海拔变化对柴油机外特性,以及1800r/min部分负荷和瞬态工况的影响。最后通过富氧进气对柴油机在高海拔工作时的动力性进行恢复,并进一步研究其对柴油机性能的影响。研究表明:(1)所研究的BED混合燃料在20℃时能完全互溶,各项理化性质能满足柴油机工作要求。(2)与燃用0#柴油相比,随着BED混合燃料掺混比的增加,外特性扭矩下降,有效燃油消耗率升高,NO_x排放上升,Soot排放降低。在1000r/min工况点,燃用B15E5D混合燃料,相比于海拔0km,海拔为4km时扭矩降低了34.97%,油耗升高了9.95%。(3)当海拔高度升高时,柴油机外特性上缸内最大压力下降,缸内最高温度上升,NO_x排放降低,Soot排放升高,扭矩下降,有效燃油消耗率升高,并且转速越低,影响越大。(4)对1800r/min部分负荷(25%、50%、75%)进行模拟,研究发现,随着海拔升高,缸内最高温度上升,最大缸压降低,Soot排放升高,燃烧持续期增加。对于有效燃油消耗率,在25%负荷,表现为先降低再升高,其他负荷均随之升高,而NO_x排放则有升有降。(5)恒转速增转矩瞬态工况下,海拔升高对柴油机瞬态过程和稳态过程影响相似,但在瞬态过程存在涡轮迟滞现象。并且随着海拔升高,喷油量变化引起的柴油机性能参数波动越大。(6)研究发现,随着进气氧浓度升高,柴油机扭矩提升,有效燃油消耗率下降,燃烧改善,Soot排放急剧降低,而NO_x排放升高。在海拔3km,进气氧浓度为26%时,与0km海拔扭矩相比,1200r/min时恢复到92.14%、1800r/min恢复到97.78%。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK421.2
【部分图文】：

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西南交通大学硕士研究生学位论文第11页用数学描述，需要对实际工作过程进行简化。数值模拟时，将气缸简化为如图2-1所示的热力系统，并作如下假设：（1）柴油机工作时缸内工质状态均匀，同一时刻缸内各处压力、温度和浓度相同；（2）混合气是理想气体；（3）进排气过程中气体是准稳态流动；（4）进气系统的波动忽略不计；（5）气缸密闭性良好；通过上述假设，缸内混合气状态可由压力p、质量m、温度T等物理量描述，通过能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体状态方程表示柴油机运行状态。图2-1柴油机气缸内工作示意图①理想气体状态方程pVmRT（2-12）②质量守恒方程据图2-1所示，结合质量守恒定律，该热力系统与外界通过边界交换的工质总质量jjdm与系统内工质变化dm相等，可表示为jjdmdm（2-13）假设气缸密闭性完好，则有以下三部分过程造成气缸内工质质量发生变化：通过气缸换气新进入缸内的新鲜空气质量sm和燃烧后排出缸内的排气质量em，以及已经参与反应的燃料质量Bm。定义柴油机每循环喷油量为fg（kg/cyc）,缸内燃料燃烧百分数为x，则可进一步表示为：ddxgddmddmddmfes（2-14）③能量守恒方程应用热力学第一定律，则此系统可表示为：

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西南交通大学硕士研究生学位论文第15页dxxFFF1（2-29）2.2.2中冷器计算在增压柴油机上，中冷器起着非常重要的作用。其主要是对压气机之后的进气进行冷却，以此提高进入气缸新鲜空气的密度，从而改善柴油机燃烧，提升柴油机效率。中冷器模型计算的意义是为了得到新鲜空气在中冷器出口处的温度sT和压力sp，根据其工作原理，其模型简图和对应参数如图2-2所示。图中kT代表压气机流入物质温度，标志s表示空气、w代表冷却水、i代表中冷器流入物质状态，o代表中冷器流出物质状态。图2-2中冷器模型计算简图中冷器计算是换热器热传递计算，由热力学和传热学可得：增压空气释放的热量：)(skpsSSTTcdtdmdtdQ（2-30）冷却水吸收的热量：)(wiwopwwwTTcdtdmdtdQ（2-31）增压空气与中冷器冷却水传递的热量：)swkswTAKdtdQ（2-32）式中，K为换热系数，kA为换热面积，两者一般取常数。由能量守恒原理可得：dtdQdtdQdtdQdtdQswws（2-33）将以上各式联立求解，可得到中冷器冷却水在出口处的温度sT计算公式：

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，缸内工质与气缸周壁的传热量直接平均分配到各子区域。因此计算量远远多于零维模型[57]。②EngCylCombPulse模型该模型认为柴油机运行时，处于缸内火焰前锋面两侧的工质状态不同，因此可以分为环境区和喷雾区，假设各区域均为均质的，见图2-4所示。环境区内主要组成成分是空气，喷雾区内由喷油孔喷出的燃油和卷吸的空气组成，两个区域的压力相等，气缸内油气混合、燃烧等都只在喷雾区进行。模型将缸内燃烧过程划分为卷吸、滞燃期、预混燃烧和扩散燃烧4个阶段，模型中需要对以上4个系数进行设定。图2-3EngCylCombDIJet模型图2-4EngCylCombPulse模型两个模型都能对有害排放物进行预测，满足本文需要，因EngCylCombPulse模型相对于EngCylCombDIJet模型具有更快的运算速度，因此本文选择EngCylCombPulse模型作为燃烧模型。

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