生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃燒過程模擬與分析

蔣超宇　姚國仲　申立中　劉少華

摘 要： 為了研究生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃燒特性，使用AVL?FIRE軟件對純柴油和B30E10（含30%體積分數的生物柴油，10%體積分數的乙醇和60%體積分數柴油的生物柴油?乙醇?柴油混合燃料）的缸內燃燒和噴霧過程進行模擬分析，將燃燒室進行切片，比較了兩種燃料的速度場、壓力場和溫度場變化及變化規律。研究結果表明：在燃燒初期，B30E10燃燒比柴油慢，隨著燃燒的進行， 當燃油堆積于燃燒室凹槽后，B30E10在缸內的燃燒速度、壓力和缸內溫度均比柴油低。

關鍵詞： 生物柴油?乙醇?柴油混合燃料； 燃燒過程分析； 噴霧過程模擬； 燃燒室

中圖分類號： TN911?34； TK421 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0005?03

Abstract： In order to study combustion characteristics of biodiesel?ethanol?diesel blended fuel， the in?cylinder combustion and spray processes of pure diesel and B30E10 fuel （containing 30% volume fraction of biodiesel， 10% volume fraction of ethanol and 60% volume fraction of diesel） were simulated and analyzed by using the AVL?FIRE software. By slicing the combustor， the velocity field， pressure field and temperature field， and their change law were compared. The simulation results show that the burn speed of B30E10 is slower than diesel in early combustion stage， but with the development of combustion process and when the fuel is accumulated in the groove of the combustion chamber， the in?cylinder combustion speed， pressure and temperature of B30E10 fuel are lower than diesel.

Keyword： biodiesel?ethanol?diesel blended fuel； combustion process analysis； spray process simulation； combustor

0 引 言

生物柴油作為可再生能源，是由動物脂肪或者植物油通過酯化反應制成的脂肪酸甲酯燃料，且理化特性接近柴油。生物柴油相對柴油有較高的十六烷值和閃點，硫含量低。乙醇具有較低的粘度和沸點，有利于改善燃油混合氣的霧化效果。生物柴油和乙醇的“自攜氧”特點，對于提高發動機的熱效率和降低碳煙排放具有積極作用。近年來國內外研究人員對柴油機燃用生物柴油和乙醇進行了大量研究。研究發現，完全燃燒乙醇，技術難點是乙醇在缸內著火非常困難。生物柴油的粘度大，霧化性能差，噴油器易結、堵塞，蒸發性差造成冷啟動困難。考慮生物柴油和乙醇的理化特性及其在發動機上的應用情況，將生物柴油、乙醇和柴油混合，能夠很好地運用燃料各自的優勢， 在保證柴油機的動力性、燃油經濟性變化不大的同時，有效降低碳煙的排放[1]。試驗研究作為探索柴油機燃燒過程的主要手段，得到了廣泛的應用。但是基于試驗條件、測試技術水平等方面的考慮，試驗研究手段又存在著一定的局限性。隨著計算機飛速發展及其計算流體力學、計算傳熱學等基礎理論研究的深入，柴油機燃燒和噴霧的數值模擬逐漸形成了一個獨立的發展分支。它以實驗和基本理論的研究成果為基礎，通過計算機把實驗研究、理論分析和科學計算有機地融為一體。它具有調整參數方便、運行速度快、成本低的優點，可以在眾多的影響因素中找出關鍵的控制變量，優化實驗與設計方案，降低產品的研制周期及費用[2?5]。

鑒于模擬仿真的可靠性及方便性，在互溶范圍內，將生物柴油、乙醇、柴油分別按照體積比為30%，10%，60%配置成B30E10混合燃料，采用AVL?FIRE軟件對B30E10在缸內的燃燒和噴霧過程進行模擬計算，分析其變化發展規律及其與柴油的差異。

1 計算模型建立及驗證

1.1 試驗燃料和發動機

由于B30E10的熱值相對于純柴油較低，導致缸內燃燒時放熱量較小，在燃油開始燃燒前，兩種燃油對應的缸內溫度相差不大，當燃油和空氣形成可燃氣體開始劇烈燃燒時， B30E10的燃燒溫度整體上小于純柴油。

3 結 語

對純柴油和B30E10兩種燃油在2 200 r/min，200 N·m工況下的燃燒過程進行模擬計算分析如下：

（1） 在缸內的燃油噴射階段，油束中心區域壓力較大，油束邊緣區域速度較高；燃燒后期由于燃油堆積于凹槽處，使缸內的凹槽成為缸內溫度和壓力局部分布較大區域。

（2） 在燃燒初期，B30E10燃燒比柴油慢，隨著燃燒的進行，當燃油堆積于凹槽后，B30E10在缸內的燃燒速度、壓力和溫度均低于燃用柴油的對應值。

參考文獻

[1] 黃錦成，劉海峰，張全長.柴油機燃用生物柴油和柴油混合燃料的試驗研究[J].廣西大學學報，2006，31（3）：185?189.

[2] 徐國強，張紅梅，高獻坤.柴油機燃用生物質燃油：柴油 混合燃料燃燒特性的研究[J].河南農業大學報，2004，38（2）：211?214.

[3] 馬勇，陸蓉蓉，陳懷望.柴油機燃燒室改進的模擬仿真研究[J].內燃機，2012（1）：23?24.

[4] HOON K N， SUYIN G， JO?HAN N. Simulation of biodiesel combustion in a light?duty diesel engine using integrated compact biodiesel?diesel reaction mechanism [J]. Applied Energy， 2013， 102： 1275?1287.

[5] 張夢云.DLH1105柴油機工作過程數值模擬與燃燒室改進研究[D].鎮江：江蘇大學，2010.

[6] 姚照輝，吳寶元，梁俊龍.沖壓發動機燃燒引起激波運動過程一維分析[J].火箭推進，2013（2）：52?58.

[7] 任正達，聶萬勝，陳新華.甲烷噴射溫度對燃燒穩定性影響規律研究[J].火箭推進，2013（4）：36?40.

摘 要： 為了研究生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃燒特性，使用AVL?FIRE軟件對純柴油和B30E10（含30%體積分數的生物柴油，10%體積分數的乙醇和60%體積分數柴油的生物柴油?乙醇?柴油混合燃料）的缸內燃燒和噴霧過程進行模擬分析，將燃燒室進行切片，比較了兩種燃料的速度場、壓力場和溫度場變化及變化規律。研究結果表明：在燃燒初期，B30E10燃燒比柴油慢，隨著燃燒的進行， 當燃油堆積于燃燒室凹槽后，B30E10在缸內的燃燒速度、壓力和缸內溫度均比柴油低。

關鍵詞： 生物柴油?乙醇?柴油混合燃料； 燃燒過程分析； 噴霧過程模擬； 燃燒室

中圖分類號： TN911?34； TK421 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0005?03

Abstract： In order to study combustion characteristics of biodiesel?ethanol?diesel blended fuel， the in?cylinder combustion and spray processes of pure diesel and B30E10 fuel （containing 30% volume fraction of biodiesel， 10% volume fraction of ethanol and 60% volume fraction of diesel） were simulated and analyzed by using the AVL?FIRE software. By slicing the combustor， the velocity field， pressure field and temperature field， and their change law were compared. The simulation results show that the burn speed of B30E10 is slower than diesel in early combustion stage， but with the development of combustion process and when the fuel is accumulated in the groove of the combustion chamber， the in?cylinder combustion speed， pressure and temperature of B30E10 fuel are lower than diesel.

Keyword： biodiesel?ethanol?diesel blended fuel； combustion process analysis； spray process simulation； combustor

0 引 言

生物柴油作為可再生能源，是由動物脂肪或者植物油通過酯化反應制成的脂肪酸甲酯燃料，且理化特性接近柴油。生物柴油相對柴油有較高的十六烷值和閃點，硫含量低。乙醇具有較低的粘度和沸點，有利于改善燃油混合氣的霧化效果。生物柴油和乙醇的“自攜氧”特點，對于提高發動機的熱效率和降低碳煙排放具有積極作用。近年來國內外研究人員對柴油機燃用生物柴油和乙醇進行了大量研究。研究發現，完全燃燒乙醇，技術難點是乙醇在缸內著火非常困難。生物柴油的粘度大，霧化性能差，噴油器易結、堵塞，蒸發性差造成冷啟動困難。考慮生物柴油和乙醇的理化特性及其在發動機上的應用情況，將生物柴油、乙醇和柴油混合，能夠很好地運用燃料各自的優勢， 在保證柴油機的動力性、燃油經濟性變化不大的同時，有效降低碳煙的排放[1]。試驗研究作為探索柴油機燃燒過程的主要手段，得到了廣泛的應用。但是基于試驗條件、測試技術水平等方面的考慮，試驗研究手段又存在著一定的局限性。隨著計算機飛速發展及其計算流體力學、計算傳熱學等基礎理論研究的深入，柴油機燃燒和噴霧的數值模擬逐漸形成了一個獨立的發展分支。它以實驗和基本理論的研究成果為基礎，通過計算機把實驗研究、理論分析和科學計算有機地融為一體。它具有調整參數方便、運行速度快、成本低的優點，可以在眾多的影響因素中找出關鍵的控制變量，優化實驗與設計方案，降低產品的研制周期及費用[2?5]。

鑒于模擬仿真的可靠性及方便性，在互溶范圍內，將生物柴油、乙醇、柴油分別按照體積比為30%，10%，60%配置成B30E10混合燃料，采用AVL?FIRE軟件對B30E10在缸內的燃燒和噴霧過程進行模擬計算，分析其變化發展規律及其與柴油的差異。

1 計算模型建立及驗證

1.1 試驗燃料和發動機

由于B30E10的熱值相對于純柴油較低，導致缸內燃燒時放熱量較小，在燃油開始燃燒前，兩種燃油對應的缸內溫度相差不大，當燃油和空氣形成可燃氣體開始劇烈燃燒時， B30E10的燃燒溫度整體上小于純柴油。

3 結 語

對純柴油和B30E10兩種燃油在2 200 r/min，200 N·m工況下的燃燒過程進行模擬計算分析如下：

（1） 在缸內的燃油噴射階段，油束中心區域壓力較大，油束邊緣區域速度較高；燃燒后期由于燃油堆積于凹槽處，使缸內的凹槽成為缸內溫度和壓力局部分布較大區域。

（2） 在燃燒初期，B30E10燃燒比柴油慢，隨著燃燒的進行，當燃油堆積于凹槽后，B30E10在缸內的燃燒速度、壓力和溫度均低于燃用柴油的對應值。

參考文獻

[1] 黃錦成，劉海峰，張全長.柴油機燃用生物柴油和柴油混合燃料的試驗研究[J].廣西大學學報，2006，31（3）：185?189.

[2] 徐國強，張紅梅，高獻坤.柴油機燃用生物質燃油：柴油 混合燃料燃燒特性的研究[J].河南農業大學報，2004，38（2）：211?214.

[3] 馬勇，陸蓉蓉，陳懷望.柴油機燃燒室改進的模擬仿真研究[J].內燃機，2012（1）：23?24.

[4] HOON K N， SUYIN G， JO?HAN N. Simulation of biodiesel combustion in a light?duty diesel engine using integrated compact biodiesel?diesel reaction mechanism [J]. Applied Energy， 2013， 102： 1275?1287.

[5] 張夢云.DLH1105柴油機工作過程數值模擬與燃燒室改進研究[D].鎮江：江蘇大學，2010.

[6] 姚照輝，吳寶元，梁俊龍.沖壓發動機燃燒引起激波運動過程一維分析[J].火箭推進，2013（2）：52?58.

[7] 任正達，聶萬勝，陳新華.甲烷噴射溫度對燃燒穩定性影響規律研究[J].火箭推進，2013（4）：36?40.

摘 要： 為了研究生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃燒特性，使用AVL?FIRE軟件對純柴油和B30E10（含30%體積分數的生物柴油，10%體積分數的乙醇和60%體積分數柴油的生物柴油?乙醇?柴油混合燃料）的缸內燃燒和噴霧過程進行模擬分析，將燃燒室進行切片，比較了兩種燃料的速度場、壓力場和溫度場變化及變化規律。研究結果表明：在燃燒初期，B30E10燃燒比柴油慢，隨著燃燒的進行， 當燃油堆積于燃燒室凹槽后，B30E10在缸內的燃燒速度、壓力和缸內溫度均比柴油低。

關鍵詞： 生物柴油?乙醇?柴油混合燃料； 燃燒過程分析； 噴霧過程模擬； 燃燒室

中圖分類號： TN911?34； TK421 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0005?03

Abstract： In order to study combustion characteristics of biodiesel?ethanol?diesel blended fuel， the in?cylinder combustion and spray processes of pure diesel and B30E10 fuel （containing 30% volume fraction of biodiesel， 10% volume fraction of ethanol and 60% volume fraction of diesel） were simulated and analyzed by using the AVL?FIRE software. By slicing the combustor， the velocity field， pressure field and temperature field， and their change law were compared. The simulation results show that the burn speed of B30E10 is slower than diesel in early combustion stage， but with the development of combustion process and when the fuel is accumulated in the groove of the combustion chamber， the in?cylinder combustion speed， pressure and temperature of B30E10 fuel are lower than diesel.

Keyword： biodiesel?ethanol?diesel blended fuel； combustion process analysis； spray process simulation； combustor

0 引 言

生物柴油作為可再生能源，是由動物脂肪或者植物油通過酯化反應制成的脂肪酸甲酯燃料，且理化特性接近柴油。生物柴油相對柴油有較高的十六烷值和閃點，硫含量低。乙醇具有較低的粘度和沸點，有利于改善燃油混合氣的霧化效果。生物柴油和乙醇的“自攜氧”特點，對于提高發動機的熱效率和降低碳煙排放具有積極作用。近年來國內外研究人員對柴油機燃用生物柴油和乙醇進行了大量研究。研究發現，完全燃燒乙醇，技術難點是乙醇在缸內著火非常困難。生物柴油的粘度大，霧化性能差，噴油器易結、堵塞，蒸發性差造成冷啟動困難。考慮生物柴油和乙醇的理化特性及其在發動機上的應用情況，將生物柴油、乙醇和柴油混合，能夠很好地運用燃料各自的優勢， 在保證柴油機的動力性、燃油經濟性變化不大的同時，有效降低碳煙的排放[1]。試驗研究作為探索柴油機燃燒過程的主要手段，得到了廣泛的應用。但是基于試驗條件、測試技術水平等方面的考慮，試驗研究手段又存在著一定的局限性。隨著計算機飛速發展及其計算流體力學、計算傳熱學等基礎理論研究的深入，柴油機燃燒和噴霧的數值模擬逐漸形成了一個獨立的發展分支。它以實驗和基本理論的研究成果為基礎，通過計算機把實驗研究、理論分析和科學計算有機地融為一體。它具有調整參數方便、運行速度快、成本低的優點，可以在眾多的影響因素中找出關鍵的控制變量，優化實驗與設計方案，降低產品的研制周期及費用[2?5]。

鑒于模擬仿真的可靠性及方便性，在互溶范圍內，將生物柴油、乙醇、柴油分別按照體積比為30%，10%，60%配置成B30E10混合燃料，采用AVL?FIRE軟件對B30E10在缸內的燃燒和噴霧過程進行模擬計算，分析其變化發展規律及其與柴油的差異。

1 計算模型建立及驗證

1.1 試驗燃料和發動機

由于B30E10的熱值相對于純柴油較低，導致缸內燃燒時放熱量較小，在燃油開始燃燒前，兩種燃油對應的缸內溫度相差不大，當燃油和空氣形成可燃氣體開始劇烈燃燒時， B30E10的燃燒溫度整體上小于純柴油。

3 結 語

對純柴油和B30E10兩種燃油在2 200 r/min，200 N·m工況下的燃燒過程進行模擬計算分析如下：

（1） 在缸內的燃油噴射階段，油束中心區域壓力較大，油束邊緣區域速度較高；燃燒后期由于燃油堆積于凹槽處，使缸內的凹槽成為缸內溫度和壓力局部分布較大區域。

（2） 在燃燒初期，B30E10燃燒比柴油慢，隨著燃燒的進行，當燃油堆積于凹槽后，B30E10在缸內的燃燒速度、壓力和溫度均低于燃用柴油的對應值。

參考文獻

[1] 黃錦成，劉海峰，張全長.柴油機燃用生物柴油和柴油混合燃料的試驗研究[J].廣西大學學報，2006，31（3）：185?189.

[2] 徐國強，張紅梅，高獻坤.柴油機燃用生物質燃油：柴油 混合燃料燃燒特性的研究[J].河南農業大學報，2004，38（2）：211?214.

[3] 馬勇，陸蓉蓉，陳懷望.柴油機燃燒室改進的模擬仿真研究[J].內燃機，2012（1）：23?24.

[4] HOON K N， SUYIN G， JO?HAN N. Simulation of biodiesel combustion in a light?duty diesel engine using integrated compact biodiesel?diesel reaction mechanism [J]. Applied Energy， 2013， 102： 1275?1287.

[5] 張夢云.DLH1105柴油機工作過程數值模擬與燃燒室改進研究[D].鎮江：江蘇大學，2010.

[6] 姚照輝，吳寶元，梁俊龍.沖壓發動機燃燒引起激波運動過程一維分析[J].火箭推進，2013（2）：52?58.

[7] 任正達，聶萬勝，陳新華.甲烷噴射溫度對燃燒穩定性影響規律研究[J].火箭推進，2013（4）：36?40.