十六烷值改进剂对柴油／甲醇混合燃料燃烧特性的影响

第39卷 第11期 西 安 交 通 大 学 学 报 v。1．39 N_o11 2005年1 1月 J OURNAL OF XI AN J IAOTONG UNIVERSITY Nov．2005 十六烷值改进剂对柴油／甲醇混合 燃料燃烧特性的影响 魏 奇，胡 毅，蒋德明，黄佐华 (西安交通 大学 动力工 程多相流国家 重点 实验 室，710049，西安 ) 摘要：采用常规商业柴油、分析级无水甲醇和助溶剂配制了均匀混合的柴油／甲醇燃料，在 TY1100单缸、水 冷、直喷柴油机上对添加了十六烷值改进剂后的柴油／甲醇混合燃料的燃烧特性进行了试验研究．试验表明： 与柴油相比，柴油／甲醇混合燃料燃烧的滞燃期延长，缸内最大气体压力增加；加入十六烷值改进剂后，柴油／ 甲醇混合燃料的滞燃期明显缩短 ，大负荷时的缸 内最大气体压力减小． 关键词：柴油／甲醇混合燃料；十六烷值改进剂；燃烧特性 中图分类号：TK411 文献标识码：A 文章编号：0253—987X(2005)11—1203—04 Effect of Cetane Number Improver on Combustion Characteristics 0f Diesel-M ethanol Blend Wei Qi，Hu Yi，Jiang Deming，Huang Zuohua (State Key Laboratory of Muhiphase Flow in Power Engineering，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China) Abstract：The effect of cetane number(C )improver on combustion characteristics of a diesel engine op— erating with diesel—methanol blend was investigated．The experimental results show that the ignition delay of diesel—methanol is prolonged and the maximum cylinder gas pressure of the blend is increased compared to that of pure diesel fue1．However，with the addition of CN improver，the ignition delay could be short— ened and the maximum cylinder gas pressure could be decreased． Keywords：diesel-methanol blend；cetane number improver；combustion characteristics 柴油机使用含氧燃料可 以有效改 善其燃烧特 性．甲醇作为一种含氧燃料 ，价格低廉 ，含氧量高 ，在 柴油中添加 甲醇可以有效减少污染物排放 ，因此 甲 醇被公认为有发展前途的柴油机代用燃料一 ．但是， 甲醇的十六烷值较低，在柴油中添加甲醇后，使柴油 ／甲醇混合燃料的滞燃期延长，压力升高率和最大缸 内压力增大-2]．因此，如何缩 短柴油／甲醇混合燃料 的滞燃期就成为当前研究的新课题．本文 的工作就 是研究十六烷值改进剂对柴油／甲醇混合燃料燃烧 特性的改善作用． 1 燃料性质与试验装置 试验使用常规商业柴油 、分析级无水甲醇和助 溶剂配制燃料 ，十六烷值改进剂选用硝酸酯类物质． 试验使用 3种不同燃料：纯柴油、柴油／甲醇混合燃 料(1。油)、加入十六烷值改进剂 的柴 油／甲醇混合 燃料(2。油)．1 油 的甲醇体积分数为 15 ，2 油在 1。油 中直接添加体积分数为 0．25 的十六烷值改 进剂．用超声波发生器进行乳化配制 ，得到均匀稳定 的 混合燃料．表1、表2为各种燃料及十六烷值改进 收稿 日期 ：2005—03—07． 作者简介 ：魏 奇(1981～)，男 ，硕 士生 ；蒋 德 明(联 系人)，男 ，教授 ，博士 生导师． 基金 项 目： 优秀 国家 重点 实 验 室 研究 项 目(50323001)；国 家 自然 科 学基 金 资 助 项 目(50136040)；国家 重 点 基础 研 究 规 划 资 助项 目 (2001CB209206)． 维普资讯 http://www.cqvip.com 1204 西 安 交 通 大 学 学 报 第 39卷 表 2 十六烷值改进剂的主要性质 剂的主要性质． 试验在 TY1100单 缸、水 冷、直 喷柴油 机上进 行，其基本参数如表 3所示．试验用角标器和压力传 感器采用 Kistler公司产品．使用河南科技大学制造 的针阀升程仪测量针阀升程． 表 3 发动机基本参数 缸径 ，行程／mm 连杆长度／mm 排量／cr 压缩 比 标定功率／kw 转速／／r·min 燃烧室形式 喷孔直径／rain 2 试验结果与分析 放热率由单 区燃烧模型法计算一。，即 一 + 嚣+ⅢT等+等㈩ d R d ’ R d ⋯ d ’ d ⋯ 式中： 为燃烧放热率； 为燃烧过程的热传导 率 ，可用下式求出 _ __ dQw ： h cA (丁一 T ) (2) Q 式 中h 采用 Woschni公式计算． 试验得到针阀升程与曲轴转角之间的关 系曲线 (见图 1)，设 定针阀开始升起 时对应的曲轴转角为 滞燃期始点 ，以放热曲线 中从负值 突然 回升到 0时 对 应的曲轴转角为滞燃期终点，可以得到以曲轴转 175 — 140 l^ 105 ■ § 70 ‘ ∞ 口 -口 35 0 一 ^ ． f f ／放热率曲线 · N', il ＼． 八< 一 ： ＼、 ： ＼ ． ． } _『＼ 针阀升程曲线＼ 图 1 滞燃期与 预混燃烧期示 意图 角表示的滞燃期 ‰．已知滞燃期对应的曲轴转角， 通过针阀升程曲线和循环喷油量可计算出滞燃期内 的喷油量，进 而计算 出滞燃 期 内喷 人 的燃 料热 量 Q ．以滞燃期终点作为预混燃烧始点，而关 于预混 燃烧的终点，当前存在 2种不同的观点 ：一种认为放 热率曲线上的第一峰值是预混燃烧的终点 ，另一种 认为第一峰值的谷底是终点．为此，定义放热曲线中 预混燃烧峰值到第一峰值谷底的距离 为 ：．经反复 计算 ，本文取预混燃烧峰值后 0．5 处 为预混燃烧 期终点．利用放热率曲线计算预混燃烧期 ( )的放 热量 Qp ，在大负荷时 Q 小于Qp ，说明滞燃期内喷 人的燃料已经被完全燃烧，但在中低负荷时，Q 一 般大于 Q。 ，说明滞燃期内喷人缸内的燃料并没有完 全燃烧．上述结果可以较好解释在 中高负荷 时燃料 的滞燃期比低负荷 时短 ，预混放热量反而更多的现 象． 图 2为 3种燃料在不同转速下的放热率 曲线． 图中： 为喷油提前角；p 为平均有效压力．可以看 出，1 油的预混燃烧放热峰值在小负荷时比柴油略 有增加 ，大负荷 时远高于柴油．2 油的预混燃烧放 n O 2 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 11期 魏 奇，等：十六烷值改进剂对柴油／甲醇混合燃料燃烧特性的影响 (a)7l--1 500 r·min ，P 一0．141 MPa l 一 一 1 一 o 热峰值在各种工况下都接近于柴油 ，而 2 油的放热 始点始终早于 1 油．这是因为十六烷值改进剂是强 氧化剂 ，含氧量大，有利于改善 预混期的燃 烧．在大 负荷时，2 油 的放热始点甚至 比柴油更早 ，因为大 负荷时缸 内温度压力较高，十六烷值改进剂的强氧 化作用得到加强，燃烧得到改善的程度更大． 图 3为 3种燃料滞燃期 的对 比．由图中可以看 出，在相同的转速和负荷下，柴油的滞燃期最短 ，1 油的滞燃期最长，而 2 油的滞燃期介于两者之间， 并且随着负荷 的增加 ，2。油的滞燃期逐渐趋近于柴 (b) 一1 800 r·min 图 3 不同燃料的滞燃 期 14 1O 6 2 (b)7l-- 1 500 r·min ，P 一0．698 MPa 2O 3O 0．698 M Pa 油．这是 因为 甲醇的十六烷值很小 ，造成 1 油的滞 燃期较长．在加入十六烷值 改进 剂后，2 油 的十六 烷值得以提高，滞燃期缩短．由于加入的十六烷值改 进剂是强氧化剂，在负荷较大、缸 内温度较高时更容 易燃烧，所以 2 油 的滞燃 期变短的趋势更 明显 ，趋 近于柴油．在高转速大负荷时，甲醇和十六烷值改进 剂在高温高压条件下进行燃 烧前的预反应过程 ，能 有效促进柴油 的着火燃烧一 ，因此此时 的滞燃期与 燃烧柴油时十分接近．由以上分析可知：加入十六烷 值改进剂可以改善 1 油 的十六烷值 ，从而缩短滞燃 期． 图 4所示为 3种燃料 的燃烧持续期 ，定义从滞 燃期终 点 到 放 热 曲线上 放 热量 占循 环燃 料 能量 9O 处为燃烧持续期．可以看出，1 油、2 油的燃烧 pme／M Pa (a)"一 1 500 r·min (b) 一 1 800 r·min 图 4 不同燃料 的燃烧持续期 一一。)．f，I．一暑一． 口 ．．一 f_，I_一暑 )．日口口 1 O m 0 ∞ 8 铷 ㈤ 放 的 时 烧 0 燃 料 燃 0 M ： 图 O = ， H 啪 维普资讯 http://www.cqvip.com 西 安 交 通 大 学 学 报 第 39卷 持续期都 比柴油的小．这是因为 1 油、2 油 中的氧 含量增加了，对燃料 自身的扩散燃烧产生很大的促 进作用 ，从而缩短 了整个燃烧过程．由于 2 油的滞 燃期比 1 油的短 ，预混燃料少，扩散燃烧期 的燃 料 增加，因此造成整个燃烧持续期略有增加． 由图 5可知 ，在小负荷时，1 油 、2 油缸 内最大 气体压力 比柴油的低 ，而大负荷时比柴油的高．在小 负荷时，1 油、2 油的放热率峰值与柴油相差不大， 而始燃点 比柴油落后 ，所 以大部分燃料并不在上止 点附近燃烧．同时，小负荷时缸 内温度较低 ，而甲醇 较高的汽化潜热又进一步降低缸 内温度 ，使混合燃 料的雾化效果变差 ，燃烧不理想，造成最大气体压力 较低．在大负荷时，混合燃料燃烧开始较早 ，最大放 热率较大 ，从而使大部分燃料在上止点附近燃烧 ，此 时缸内温度较高，甲醇较高的汽化潜热对混合燃 料 影响较小 ，因此最大气体压力较 柴油 的高．由于 2 油的滞燃期短，预混燃料量 比 1 油的少 ，所以燃烧 2 油时的最大气体压力小于燃烧 1 油时的最大气 体压力． (a)”一 1 500 r·m in (b)”一1 800 r·min一 图 5 不同燃料的缸内最大气体压力 图 6表明，1 油 、2 油 的缸 内最高燃烧 温度与 柴油相比并没有较大变化．一方面，混合燃料氧含量 增加 ，改善了燃烧质量，使缸内气体温度提高 ；另一 方面，甲醇较高 的汽化潜热使燃料汽化时吸收较多 的热量，降低了缸内气体 的温度．两者的相互作用使 缸内最高燃烧温度变化不大，因此加入 甲醇和十六 烷值改进剂的影响可忽略． (a)”_-1 500 r·min (b) 一 1 800 r·min 图 6 不同燃料的缸内最高气体温度 3 结 论 (1)与柴油相 比，柴油／甲醇混合燃 料的滞燃期 增加 ，加入十六烷值改进剂可使混合燃料的滞燃期 缩短，在中高负荷下，滞燃期接近于柴油的滞燃期． (2)加入十六烷值改进剂使柴油／甲醇混合燃料 的放热始点提前 ，在大负荷时放热始点甚至可早于 柴油． (3)柴油／甲醇混合燃料的燃烧持续期比柴油的 短 ，加入十六烷值改进剂后 ，燃烧持续期略有增加， 但始终 比柴油 的短．加入十六烷值改进 剂减小 了混 合燃料大负荷燃烧时 的最大燃烧压力 ，但对最高燃 烧温度影响不大． 参考文献： [1] 崔心存．内燃机的代用燃料[M]．北京：机械工业出版 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