柴油十六烷值測定過程中的燃燒模擬研究

張會成，付 偉，郭亞平，凌鳳香，高 波，程仲芊

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；2.中國石油化工股份有限公司科技部)

柴油十六烷值測定過程中的燃燒模擬研究

張會成1，付 偉2，郭亞平1，凌鳳香1，高 波1，程仲芊1

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；2.中國石油化工股份有限公司科技部)

以計算流體力學、計算傳熱學、化學動力學等理論研究為基礎，建立FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機氣缸內燃料霧化、傳質數學模型，對氣缸內燃燒過程中的溫度流場、壓力流場、速度流場分布進行模擬仿真分析。結果表明：在恒定風量條件下，隨著氣缸內空氣的壓縮，缸內溫度、壓力升高，在上止點(360°轉角)的壓縮溫度可滿足燃料壓燃條件；在風量表讀數從200增加到800時，壓縮終止溫度從426 ℃上升到503 ℃，可滿足燃料著火性質的要求；在燃燒階段，溫度流場、壓力流場和速度流場的變化受氣缸內局部區域燃料燃燒特性的影響，局部區域燃料的劇烈燃燒導致溫度、壓力和空氣速度急劇增加并傳遞到其它區域，促進其它區域燃料的燃燒，使溫度流場、壓力流場和速度流場處于瞬時變化中。

風量調節 十六烷值 柴油 燃燒

柴油是壓燃式發動機燃料，十六烷值是柴油質量的關鍵指標之一，可用于表征柴油的燃燒性能。測定柴油十六烷值的最直接方法是發動機燃燒法。柴油在十六烷值機氣缸內的燃燒過程受多種因素的影響[1-3]，包括進入氣缸的空氣量、柴油噴入量、氣缸壓縮比等，既有霧化、傳熱、蒸發、擴散、多相流傳質的物理現象，也有燃燒過程中滯燃、急燃、緩燃、后燃期的氧化鏈反應的化學過程，最終化學反應的放熱導致氣缸內溫度、壓力持續升高。風量調節法測定柴油十六烷值的過程不同于傳統方式[4]，是在固定氣缸壓縮比、柴油噴入量、燃燒滯后期的條件下，根據不同十六烷值的柴油燃料來調節進入氣缸內的空氣量(等容可變壓縮力調節參數)，調節氣缸上止點壓縮溫度，滿足柴油壓燃的要求，達到測定十六烷值的目的。本課題以計算流體力學、計算傳熱學、化學動力學等理論研究為基礎，建立FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機氣缸內燃料霧化、傳質數學模型，對氣缸內燃燒過程中的溫度流場、壓力流場、速度流場分布進行模擬仿真分析，為風量調節法測定柴油十六烷值的科學性提供依據。

1 模擬燃燒過程及相關參數

發動機活塞從上止點下移，采用自然吸氣，氣量的控制由等容可變壓縮力調節(風量調節)，到達下止點完成吸氣，活塞向上止點運動壓縮空氣，溫度、壓力逐漸升高，到上止點前20°提前角噴射柴油，此時還不足以達到柴油壓燃點，繼續壓縮，氣缸內溫度、壓力持續升高，理想狀況下，在上止點正好達到柴油自燃點時，噴油提前角與發火延遲角均為20°，由參數計算得到十六烷值。在噴油提前角為20°時，如果發火延遲角小于20°，則活塞還沒有到上止點時氣缸內溫度就達到了柴油壓燃點，說明氣缸內空氣量過大，需減少進入氣缸的空氣量；反之，如果到上止點時氣缸內柴油沒有發生燃燒現象，則說明氣缸內溫度較低，沒有達到柴油壓燃溫度，需要增加進入氣缸的空氣量。總之，整個過程是通過控制風量來調節氣缸上止點壓縮溫度，滿足柴油壓燃的要求。

1.2 模擬參數

FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機的發動機型式為單缸四沖程，缸徑×行程為90 mm×90 mm，轉速(1 000±10)rmin，壓縮比21，進油量10 mL(90 s±1.5 s)，噴油提前角20°，發火延遲角20°，噴油壓力(12.75±0.5)MPa，等容可變壓縮力調節范圍0～200 kPa，風量表讀數范圍0～1 000。

1.3模擬燃料

正十六烷：純度≥99.0%，十六烷值為100。

七甲基壬烷：純度≥98.0%，十六烷值為15。

模擬燃料油：按不同體積比混合正十六烷和七甲基壬烷，配制3種十六烷值燃料油樣品，其十六烷值理論計算值分別為57.2、42.3和36.5，相應的風量表讀數分別控制在200、400和800。

2 模型的建立

2.1 氣、液相混合基本假設

目前許多銀行在信息化建設過程中，其多是將資金投放在硬件設備上面，在軟件設備跟服務上面的資金投入相對比較少，這也就導致了計算機信息管理技術在銀行中存在有整體運用效率不高的問題，也就制約了銀行信息化管理的進一步發展。此外銀行作為一個傳統行業，其受到以往制度影響比較大，許多人還都習慣沿用傳統的制度來進行銀行管理工作，也就導致了計算機技術在銀行管理應用過程中受到比較大的制約，也就無法獲得良好的銀行管理效果。

根據現場實際觀測和歸納總結，本研究采用如下的模型假設：① 多相流動系統為氣-液兩相流，其中氣相為連續相，液相為分散相，且在流動過程中氣、液兩相的壓力相同；② 該傳遞過程為非穩態過程；③ 對液滴流動采用顆粒形式的相際曳力模型[5]；④ 對連續相和分數相均采用標準k-ε湍流模型，氣泡內的湍流未考慮；⑤ 氣、液混合物流出井口形成單向(外流)條件，出口采用充分發展的出流條件。

2.2 氣-液兩相流動控制模型

氣-液兩相流動連續性方程為：

(1)

(2)

αf+αp=1

(3)

式中：u為黏度；ρ為密度；α為空泡份額；下標p表示壓力；下標f表示燃料。

湍流流動方程為：

(4)

式中：φ為流場體積源；Sφ為源項；μeff為流場特性流出率；σφ為Stefan-Boltzmann 常數。

對低Mach數流動[6]，流體流動作用在浸沒物體上的曳力分為兩種：①由黏性表面剪切應力造成的表皮阻力；②由物體周圍壓力分布所造成的形體阻力。通常，把總的曳力以無因次曳力系數(CD)的形式來表示：

(5)式中：DF為總曳力；A為旋渦耗散模型參數；Uα為氣流體速率；Uβ為液體速率；ρα為氣流體密度。

基于相際作用情況，CD采用如下模型關聯：

(1) 在氣泡雷諾數(Re)很低的黏性區，氣泡運動與固體顆粒相同，采用Schiller Naumann關聯式計算曳力系數：

(6)

3 模擬結果

在發動機參數固定的條件下，以正十六烷和七甲基壬烷配制的模擬油為原料，對FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機氣缸內燃燒過程的溫度流場、壓力流場、速度流場分布進行模擬分析。

3.1 溫度流場分布

風量表讀數為200時氣缸內燃燒過程的溫度流場變化如圖1所示，由藍色過渡到紅色，表示相對溫度由低到高。由圖1可以看出，氣缸活塞從上止點運動吸氣到下止點，氣缸內溫度變化較小，壓縮開始后，氣缸內溫度升高，在340°轉角(上止點前20°噴油提前角)噴油，氣缸內形成油氣混合霧，壓縮到上止點360°，此時達到壓縮最高溫度，部分區域點開始燃燒，導致氣缸內溫度急劇升高，燃料進入急燃期，相應的壓力升高，推動活塞進入做功階段，超過下止點540°轉角，開始排氣，完成720°轉角并重復下一過程。氣缸內的溫度流場分布不均勻，總是存在個別區域溫度較高的情況，這是由該區域的燃料組成特點決定的。

風量對溫度的調節表現在氣缸壓縮終止時(360°轉角)壓縮溫度的變化。圖2為壓縮過程中風量與壓縮溫度的關系。風量表讀數大，表示進入氣缸的空氣量多。由圖2可知，隨著風量表讀數增大，壓縮溫度升高，在風量表讀數從200提高到800時，壓縮溫度從426 ℃提高到503 ℃，可滿足上止點燃料油的壓燃溫度要求。

3.2 壓力流場分布

風量表讀數為200時氣缸內燃燒過程的壓力流場變化如圖3所示，由藍色過渡到紅色，表示相對壓力由低到高。由圖3可以看出，發動機采用自然吸氣，吸氣過程中氣缸內壓力較小，但在整個吸氣階段，壓力流場分布不均勻，靠近活塞面附近壓力略高于進氣口附近，經過下止點(超過180°轉角)進入壓縮過程，氣缸內壓力逐漸增加，到上止點(360°轉角)時壓縮壓力最高，進入燃燒階段，燃燒溫度增加導致壓力更加急劇升高并促進做功，經過540°轉角排氣時，壓力又降低，隨后重復下一過程。壓力流場分布與溫度流場分布相似，局部區域燃燒溫度較高，引起壓力升高并傳遞到其它區域。

圖1 風量表讀數為200時的溫度流場分布

圖2 風量與壓縮溫度的關系

風量對壓力的調節表現在氣缸壓縮終止時(360°轉角)的壓縮壓力變化。圖4為風量與壓縮壓力的關系。由圖4可知，隨著風量表讀數增大，壓縮壓力升高，在風量表讀數從200提高到800時，壓縮壓力從425.46 kPa提高到800.27 kPa。

圖3 風量表讀數為200時的壓力流場分布

3.3 速度流場分布

速度流場分布是指氣缸內空氣流動速度的變化。風量表讀數為200時氣缸內燃燒過程的速度流場分布見圖5，由藍色過渡到紅色，表示相對空氣流動速度由低到高。由圖5可以看出：發動機自然吸氣時，進氣口空氣流動最快；在壓縮階段，活塞界面空氣速度變化梯度最大；在做功階段(超過360°轉角)，速度流場的分布不均勻，但與局部區域劇烈燃燒導致的溫度流場變化相對應；經過540°轉角排氣時，排氣口的空氣速度最大，并逐漸降低。

圖4 風量與壓縮壓力的關系

圖6為風量表讀數分別為200、400和800的情況下典型轉角的速度流場變化對比。由圖6可以看出，不同風量表讀數下典型轉角的速度流場變化趨勢接近。

圖5 風量表讀數為200時的速度流場分布

圖6 不同風量下典型轉角的速度流場對比

4結論

(1) 使用計算模擬仿真技術，直觀地模擬十六烷值機氣缸內部的流動、傳熱及燃燒過程，是實驗手段的良好補充，證實風量調節測定十六烷值的方法具有科學性。

(2) 在壓縮階段，氣缸內溫度和壓力均逐漸升高，并且隨風量(等容可變壓縮力)增加而升高，當風量表讀數從200增加到800時，壓縮終止溫度從426 ℃升高到503 ℃，壓縮壓力從425.46 kPa提高到800.27 kPa，可滿足上止點燃料油的壓燃溫度要求。

(3) 在燃燒階段，溫度流場、壓力流場、速度流場的變化受氣缸內局部區域燃料燃燒特性的影響，局部區域燃料的劇烈燃燒導致溫度、壓力和空氣速度的急劇增加并傳遞到其它區域，促進其它區域燃料的燃燒，使溫度流場、壓力流場和速度流場處于瞬時變化中。

[1] Singal S K，Singh I P.Fuel quality requirements for reduction of diesel emissions[C].SAE Technical Paper，Detroit M I，USA，1999，1999-01-3592

[2] Shimazaki N.Parametric study and clarification of determination factors of diesel exhaust emission using a single cylinder engine and model fuels[C].SAE Technical Paper，Detroit M I，USA，2002，2002-01-2824

[3] Kidoguchi Y，Yang Changlin，Miwa K.Effects of fuel properties on combustion and emission characteristics of a direct-injection diesel engine[C].SAE Technical Paper，Detroit，M I，USA，2000，2000-01-1851

[4] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.柴油十六烷值測定法：GBT 386[S].北京：中國標準出版社，2011

[5] 張慶.球形顆粒曳力系數計算[J].化學工程，1990，18(1)：76-79

[6] 郭本瑜，曹衛明.低Mach數流動譜解法[J].科學通報，1986，5(16)：648-653

SIMULATIONSTUDYOFDIESELCOMBUSTIONDURINGDETERMINATIONOFCETANEINDIESELENGINE

Zhang Huicheng1， Fu Wei2， Guo Yaping1， Ling Fengxiang1， Gao Bo1， Cheng Zhongqian1

(1.SINOPECFushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，Fushun，Liaoning113001；2.SINOPECMinistryofScienceandTechnology)

By the computational fluid dynamics，computational heat transfer and chemical kinetics，a model for pulverization and mass transfer of diesel fuel in FCD-II cetane number machine was established to simulate the changes of combustion parameters of temperature，pressure and speed of airflow in the engine.The results indicate that the temperature and pressure of air due to being compressed is high enough to ignite the fuel at the top dead center(360° angle position) in the case of invariable air volume.When the reading value of the air flow meter is increased from 200 to 800，the compression terminal temperature rises from 426 ℃ to 503 ℃，high enough to ignite the fuel.During fuel combustion，the parameters are increased sharply by rapid combustion in local region in the cylinder and transferred to other regions，resulting in instantaneous variations of temperature，pressure and air speed in cylinder.

airflow control； cetane number； diesel； combustion

2017-01-10；修改稿收到日期： 2017-03-27。

張會成，博士，教授級高工，研究方向為石油產品檢測技術及分子結構表征，公開發表論文50余篇，申請專利20余項，獲得中國石化科技進步二等獎1次、三等獎1次。

張會成，E-mail：zhanghuicheng.fshy@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(713027)。