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可燃冰混合燃料发动机性能与排放的仿真

关 键 词:
可燃 混合 燃料 发动机 性能 排放 仿真
资源描述:
6741汽 车 安 全 与 节 能 学 报 , 2011 年 , 第 2 卷 第 3 期J 2011, 2 3可燃冰混合燃料发动机性能与排放的仿真郭  超,  李  军*,  王文宾,  陈  伟 ( 重 庆 交 通 大 学 , 重 庆 4 00074) 摘  要:  根据中国获得可燃冰样品所测定的原始数据,运用 真软件,建立发动机模型,进行了可燃冰和汽油混合燃料的性能与排放的特性研究。仿真实验中在同一台发动机模型上使用了所设定的 6 种不同掺混比例的可燃冰和汽油混合燃料,对比分析了使用不同掺混比例混合燃料下发动机的动力性、经济性和排放特性。模拟结果表明: 随着混合燃料中可燃冰燃料掺混比例的增加,发动机功率和转矩下降,有效燃油消耗率降低,有效热效率增加。放降低,放无明显变化。关 键 词 :  发动机;可燃冰;性能;排放;o w 件中图分类号 : U of of an 00074, An to on of GH on on of GH in O O   2011  重 庆 市 教 委 自 然 科 学 项 目 ( ; 重 庆 市交 通 运 输 重 点 实 验 室 项 目 (2008;重 庆 市 教 委 项 目 (0 903070)第一作者 /  郭 超 (1 985— ) ,男 ( 汉 族 ) ,山 东 ,硕 士 研 究 生 。E 通讯作者 /  李 军 ,教 授 。E 人 类 社 会 的 不 断 发 展 和 工 业 水 平 的 不 断 提高, 人 类 对 有 限 的 石 油 能 源 的 需 求 越 来 越 多, 再 有50~ 60 年, 全世界的石油资源将消耗殆尽[1]。因此世界 各 国 对 代 用 燃 料 的 研 究 越 来 越 广 泛 和 深 入。 研 究 测试 表 明, 可 燃 冰 遇 火 即 可 燃 烧, 具 有 使 用 方 便、 燃 烧值 高、 清 洁 无 污 染 等 特 点, 被 誉 为 21 世 纪 最 有 希 望的战略资源[2]。可 燃 冰 又 称 固 体 天 然 气( 10/13246 — 249247郭 超 ,等 : 可 燃 冰 混 合 燃 料 发 动 机 性 能 与 排 放 的 仿 真, 主要成分为甲烷 ( 其含量高达 90% 以上 ,其 次 还 含 有 少 量 的 乙 烷、 丙 烷、 丁 烷、 二 氧 化 碳 等[3 不 同 掺 混 比 例 的 可 燃 冰 混 合 燃 料 对 发 动 机 的 燃 烧和 排 放 特 性 产 生 了 一 定 的 影 响。 因 此, 本 文 通 过 真 软 件 对 单 缸 点 火 式 汽 油 机 模 型 燃 用 不 同混 合 比 例 可 燃 冰 混 合 燃 料 的 发 动 机 动 力 性、 经 济 性 及排 放 性 进 行 仿 真 分 析, 进 而 为 提 高 发 动 机 的 性 能 和 排放特性提供一定的理论依据。1  发动机仿真平台的建立 件简介 件 是 美 国 司开 发 的 一 款 包 括 发 动 机 设 计 概 念 在 内 的 发 动 机 仿 真分 析 软 件。 模 拟 点 火 式 发 动 机、 柴 油 机、二 冲 程 或 四 冲 程 机、 增 压 机 等 多 种 活 塞 式 发 动 机。 该软 件 是 基 于 管 内 或 有 限 容 积 的 一 维 流 动 理 论, 由 许 多有 特 殊 用 途 的 零 部 件 单 元 组 成, 包 括 传 热、 燃 烧、 喷油 等 热 力 学、 流 体 力 学、 化 学 动 力 学 模 型。 应 用 有 限差分原理、 质量守恒原理和能 量守恒原理解决非稳态、可压缩、非线性的一维流动[5]。仿真模型的建立发动机的燃烧模型采用 数燃烧模型:式 中: X 为 燃 料 的 燃 烧 质 量 百 分 比; Y 为 量 纲 为 一 的 时间, Y =( Ф - Ф / △ Ф; Ф、 Ф△ Ф 为燃烧持续角; n 为燃烧品质指数, 常 数 在 Y = 1, X = 假 设 下 由 公式反推得到的[6]。传热子模型换热系数采用 式计算:%式中: αp、 T 为气缸内工质压强、 温度;D 为 缸 径; 塞 平 均 速 度; 流 速 度 系 数; 烧 室 现 状 系 数; 为 压 缩 始 点 气缸 内 工 质 温 度、 气 缸 容 积 和 压 强; 动 机 倒 托 时的气缸压强[7发动机技术参数与燃料组分仿 真 实 验 采 用 四 冲 程、 单 缸、 强 制 水 冷 火 花 塞 式发动机,图 1 为气缸模型,技术参数见表 1。表 1   汽油机主要技术参数缸 径 × 行 程 100 100 长 度 220 785 比 11最 大 扭 矩 62 功 率 25.2 2007 年 6 月 中 国 地 质 调 查 局 在 南 海 钻 获 高纯 度 可 燃 冰 样 品 测 定 的 实 验 数 据 可 知, 可 燃 冰 中 甲 烷的 含 量 高 达 乙 烷 含 量 为 9 仿 真 实 验设 定 了 不 同 掺 混 比 例 的 6 种 燃 料: 纯 汽 油 p、 混 合 燃料 汽 油 95% + 可 燃 冰 5%) 、 混 合 燃 料 汽油 90% + 可 燃 冰 10%) 、 混 合 燃 料 汽 油 85% + 可 燃 冰 15%) 、 混 合 燃 料 汽 油 80%+ 可 燃 冰20%) 、混合燃料 汽油 75% + 可燃冰 25%) 。燃料组分的主要参数见表 2。表 2    燃料组分的主要参数燃 料 组 分 理 论 空 燃 比标 况 的 密 度 值 50 44 19 0 4乙 烷 17 7 32  燃用不同燃料发动机经济性能对比图 2、 图 3 分 别 给 出 了 不 同 掺 混 比 例 混 合 燃 料 的燃油消耗率( 和有效热效率的变化曲线。由 图 2 可 以 看 出: 随 着 混 合 燃 料 中 可 燃 冰 燃 料 掺混 比 例 的 增 加, 燃 油 消 耗 率 逐 渐 下 降, 当 发 动 机 转 速为 1 800 r/, 燃 油 消 耗 率 最 低 且 相 对 于缸径偏距行程汽缸壁连杆长度气缸盖图1  气缸模型汽 车 安 全 与 节 能 学 报248 2011 年 第 2 卷 第 3 期发 动 机 燃 用 纯 汽 油 时 最 低 燃 油 消 耗 率 降 低 了 4%, 随着转速的增加燃油消耗率差异具有减小的趋势。由 图 3 可 以 看 出: 发 动 机 在 中 低 速 时 燃 用 可 燃 冰混 合 燃 料 的 有 效 热 效 率 比 纯 汽 油 高, 而 在 高 转 速 时 汽油 和 可 燃 冰 混 合 燃 料 的 有 效 热 效 率 无 明 显 变 化。 主 要是 因 为 汽 油 机 燃 用 汽 油 时, 在 中 低 转 速 时 可 燃 混 合 气较 浓, 空 气 过 量 系 数 不 高, 致 燃 烧 不 充 分, 使 热 效 率降 低; 而 随 着 可 燃 冰 燃 料 掺 混 比 例 的 增 加, 使 得 空 气过量系数提高, 可改善燃烧不充分状态, 热效率提高。在 高 转 速 时, 过 量 空 气 系 数 比 较 大, 改 善 了 发 动 机 的燃烧特性,使得有效热效率趋于相等。要 比 汽 油 机 提 前 , 而 汽 油 发 动 机 在 燃 用 可 燃 冰 燃 料 时未 达 到 最 佳 点 火 提 前 角 , 影 响 了 发 动 机 功 率 和 扭 矩的 输 出 。 所 以 可 燃 冰 混 合 燃 料 的 动 力 性 能 不 如 汽 油 ,且 随 着 可 燃 冰 燃 料 掺 混 比 例 的 增 加 汽 油 机 的 动 力 性能 下 降 。300 3 4 5n / (103r · [g · (1]图 2  燃油消耗率对比图 3  有效热效率对比3432302826241 2 3 4 5rq$<$%n / (103r · 4  外特性功率对比图 5  外特性转矩对比30201001 2 3 4 5P/ (103r · 560555040451 2 3 4 5T/ (103r · 燃用不同燃料发动机排放特性对比图 6 是 汽 油 机 分 别 燃 用 汽 油 与 可 燃 冰 混 合 燃 料 的 放 对 比 图 ( 图 中, 示 下 止 点,示 第 一 次 所 到 达 的 上 止 点, 示 上 止 点 ), 由 图可 以 看 出: 燃 用 汽 油 时 放 较 燃 用 可 燃 冰 混 合 燃料 有 不 同 程 度 的 增 加, 且 随 着 掺 混 比 例 的 增 加 排 放 逐 渐 降 低。 图 7 是 汽 油 机 燃 用 不 同 掺 混 比 例 可 燃冰 混 合 燃 料 时 变 化 曲 线 图, 从 图 中 可 以 看 出:随 着 混 合 燃 料 中 可 燃 冰 燃 料 掺 混 比 例 的 增 加,排放值略有升高,但变化不明显。3  结论1) 在相同的发动机转速下, 燃用不同燃料发动机动力性能对比图 4 和 图 5 分 别 是 燃 用 不 同 掺 混 比 例 可 燃 冰 混 合燃 料 的 外 特 性 功 率 和 转 矩 的 对 比 图。 由 图 可 看 出: 汽油 机 燃 用 可 燃 冰 混 合 燃 料 较 燃 用 纯 汽 油 的 最大 功 率 和 最 大 转 矩 分 别 下 降 5% 和 6%。 这 主 要 是 由于 汽 油 比 可 燃 冰 燃 料 辛 烷 值 较 高 且 燃 烧 速 度 快, 要 求在 相 同 工 况 下 燃 用 可 燃 冰 燃 料 时 发 动 机 的 点 火 提 前 角249郭 超 ,等 : 可 燃 冰 混 合 燃 料 发 动 机 性 能 与 排 放 的 仿 真图 6  放对比1612840 (°)w(10  放对比 (°)w(10 料 掺 混 比 例 的 增 加, 发 动 机 燃 油 消 耗 率 降 低, 有效热效率增加,提高了发动机的燃烧特性。2) 在 相 同 的 发 动 机 转 速 下, 发 动 机 的 外 特 性 功率 和 扭 矩 随 着 混 合 燃 料 掺 混 比 例 的 增 加 有 所 下 降。 但 排 放 量 有 大 幅 度 的 降 低, 排 放 量 无 明 显变化。参考文献   (1] 黄慧玲 . 人类未来能源——可燃冰 [J]. 厦门科技 , 2007, 34(6): of J]. 2007, 34(6): 953(2] 高虹 , 张爱黎 . 新型能源技术与应用 [M]. 北京 : 国防工业出版社 , M]. 2007. (3] 苏稻香 . 可燃冰纳入我国能源规划 : 中国新能源 [L]. ( 2010 [L]. ( 2010 (4] 陈雪骅 . 发现青海“ 可燃冰”[J]. 国土资源导刊 , 2009,5(10): of J]. 2009, 5(10): 37(5] 于佳. D]. 湖北: 武汉理工大学,D]. 2009. (6] 李彬轩,徐航,何文华 . 柴油机实时仿真中燃烧模型的建立 [J]. 内燃机学报,2001, 19(2): of J]. 2001, 19(2): 148(7] 李礼夫 , 陈海兰 . 基于 气组分对发动机排放影响的研究 [J]. 小型内燃机与摩托车,2010, 39(1): on PG on J]. 2010, 39(1): 25(8] 王福军 . 计算流体动力学分析 [M]. 北京: 清华大学出版社,2004: 7 M]. 2004: 7([9] 张洪涛 . 地质专家 : 中国南海可燃冰 [ (2007 [L]. (2007(10] of J]. J 2006(6): 997(栓狮 , 汪集旸 . 中国气 体水合物研究进展 [J]. 过程工程学报 , 2006(6): 997
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