生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃烧过程模拟与分析

蒋超宇　姚国仲　申立中　刘少华

摘 要： 为了研究生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃烧特性，使用AVL?FIRE软件对纯柴油和B30E10（含30%体积分数的生物柴油，10%体积分数的乙醇和60%体积分数柴油的生物柴油?乙醇?柴油混合燃料）的缸内燃烧和喷雾过程进行模拟分析，将燃烧室进行切片，比较了两种燃料的速度场、压力场和温度场变化及变化规律。研究结果表明：在燃烧初期，B30E10燃烧比柴油慢，随着燃烧的进行， 当燃油堆积于燃烧室凹槽后，B30E10在缸内的燃烧速度、压力和缸内温度均比柴油低。

关键词： 生物柴油?乙醇?柴油混合燃料； 燃烧过程分析； 喷雾过程模拟； 燃烧室

中图分类号： TN911?34； TK421 文献标识码： A 文章编号： 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

生物柴油作为可再生能源，是由动物脂肪或者植物油通过酯化反应制成的脂肪酸甲酯燃料，且理化特性接近柴油。生物柴油相对柴油有较高的十六烷值和闪点，硫含量低。乙醇具有较低的粘度和沸点，有利于改善燃油混合气的雾化效果。生物柴油和乙醇的“自携氧”特点，对于提高发动机的热效率和降低碳烟排放具有积极作用。近年来国内外研究人员对柴油机燃用生物柴油和乙醇进行了大量研究。研究发现，完全燃烧乙醇，技术难点是乙醇在缸内着火非常困难。生物柴油的粘度大，雾化性能差，喷油器易结、堵塞，蒸发性差造成冷启动困难。考虑生物柴油和乙醇的理化特性及其在发动机上的应用情况，将生物柴油、乙醇和柴油混合，能够很好地运用燃料各自的优势， 在保证柴油机的动力性、燃油经济性变化不大的同时，有效降低碳烟的排放[1]。试验研究作为探索柴油机燃烧过程的主要手段，得到了广泛的应用。但是基于试验条件、测试技术水平等方面的考虑，试验研究手段又存在着一定的局限性。随着计算机飞速发展及其计算流体力学、计算传热学等基础理论研究的深入，柴油机燃烧和喷雾的数值模拟逐渐形成了一个独立的发展分支。它以实验和基本理论的研究成果为基础，通过计算机把实验研究、理论分析和科学计算有机地融为一体。它具有调整参数方便、运行速度快、成本低的优点，可以在众多的影响因素中找出关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品的研制周期及费用[2?5]。

鉴于模拟仿真的可靠性及方便性，在互溶范围内，将生物柴油、乙醇、柴油分别按照体积比为30%，10%，60%配置成B30E10混合燃料，采用AVL?FIRE软件对B30E10在缸内的燃烧和喷雾过程进行模拟计算，分析其变化发展规律及其与柴油的差异。

1 计算模型建立及验证

1.1 试验燃料和发动机

由于B30E10的热值相对于纯柴油较低，导致缸内燃烧时放热量较小，在燃油开始燃烧前，两种燃油对应的缸内温度相差不大，当燃油和空气形成可燃气体开始剧烈燃烧时， B30E10的燃烧温度整体上小于纯柴油。

3 结 语

对纯柴油和B30E10两种燃油在2 200 r/min，200 N·m工况下的燃烧过程进行模拟计算分析如下：

（1） 在缸内的燃油喷射阶段，油束中心区域压力较大，油束边缘区域速度较高；燃烧后期由于燃油堆积于凹槽处，使缸内的凹槽成为缸内温度和压力局部分布较大区域。

（2） 在燃烧初期，B30E10燃烧比柴油慢，随着燃烧的进行，当燃油堆积于凹槽后，B30E10在缸内的燃烧速度、压力和温度均低于燃用柴油的对应值。

参考文献

[1] 黄锦成，刘海峰，张全长.柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃料的试验研究[J].广西大学学报，2006，31（3）：185?189.

[2] 徐国强，张红梅，高献坤.柴油机燃用生物质燃油：柴油 混合燃料燃烧特性的研究[J].河南农业大学报，2004，38（2）：211?214.

[3] 马勇，陆蓉蓉，陈怀望.柴油机燃烧室改进的模拟仿真研究[J].内燃机，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] 张梦云.DLH1105柴油机工作过程数值模拟与燃烧室改进研究[D].镇江：江苏大学，2010.

[6] 姚照辉，吴宝元，梁俊龙.冲压发动机燃烧引起激波运动过程一维分析[J].火箭推进，2013（2）：52?58.

[7] 任正达，聂万胜，陈新华.甲烷喷射温度对燃烧稳定性影响规律研究[J].火箭推进，2013（4）：36?40.

摘 要： 为了研究生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃烧特性，使用AVL?FIRE软件对纯柴油和B30E10（含30%体积分数的生物柴油，10%体积分数的乙醇和60%体积分数柴油的生物柴油?乙醇?柴油混合燃料）的缸内燃烧和喷雾过程进行模拟分析，将燃烧室进行切片，比较了两种燃料的速度场、压力场和温度场变化及变化规律。研究结果表明：在燃烧初期，B30E10燃烧比柴油慢，随着燃烧的进行， 当燃油堆积于燃烧室凹槽后，B30E10在缸内的燃烧速度、压力和缸内温度均比柴油低。

关键词： 生物柴油?乙醇?柴油混合燃料； 燃烧过程分析； 喷雾过程模拟； 燃烧室

中图分类号： TN911?34； TK421 文献标识码： A 文章编号： 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

生物柴油作为可再生能源，是由动物脂肪或者植物油通过酯化反应制成的脂肪酸甲酯燃料，且理化特性接近柴油。生物柴油相对柴油有较高的十六烷值和闪点，硫含量低。乙醇具有较低的粘度和沸点，有利于改善燃油混合气的雾化效果。生物柴油和乙醇的“自携氧”特点，对于提高发动机的热效率和降低碳烟排放具有积极作用。近年来国内外研究人员对柴油机燃用生物柴油和乙醇进行了大量研究。研究发现，完全燃烧乙醇，技术难点是乙醇在缸内着火非常困难。生物柴油的粘度大，雾化性能差，喷油器易结、堵塞，蒸发性差造成冷启动困难。考虑生物柴油和乙醇的理化特性及其在发动机上的应用情况，将生物柴油、乙醇和柴油混合，能够很好地运用燃料各自的优势， 在保证柴油机的动力性、燃油经济性变化不大的同时，有效降低碳烟的排放[1]。试验研究作为探索柴油机燃烧过程的主要手段，得到了广泛的应用。但是基于试验条件、测试技术水平等方面的考虑，试验研究手段又存在着一定的局限性。随着计算机飞速发展及其计算流体力学、计算传热学等基础理论研究的深入，柴油机燃烧和喷雾的数值模拟逐渐形成了一个独立的发展分支。它以实验和基本理论的研究成果为基础，通过计算机把实验研究、理论分析和科学计算有机地融为一体。它具有调整参数方便、运行速度快、成本低的优点，可以在众多的影响因素中找出关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品的研制周期及费用[2?5]。

鉴于模拟仿真的可靠性及方便性，在互溶范围内，将生物柴油、乙醇、柴油分别按照体积比为30%，10%，60%配置成B30E10混合燃料，采用AVL?FIRE软件对B30E10在缸内的燃烧和喷雾过程进行模拟计算，分析其变化发展规律及其与柴油的差异。

1 计算模型建立及验证

1.1 试验燃料和发动机

由于B30E10的热值相对于纯柴油较低，导致缸内燃烧时放热量较小，在燃油开始燃烧前，两种燃油对应的缸内温度相差不大，当燃油和空气形成可燃气体开始剧烈燃烧时， B30E10的燃烧温度整体上小于纯柴油。

3 结 语

对纯柴油和B30E10两种燃油在2 200 r/min，200 N·m工况下的燃烧过程进行模拟计算分析如下：

（1） 在缸内的燃油喷射阶段，油束中心区域压力较大，油束边缘区域速度较高；燃烧后期由于燃油堆积于凹槽处，使缸内的凹槽成为缸内温度和压力局部分布较大区域。

（2） 在燃烧初期，B30E10燃烧比柴油慢，随着燃烧的进行，当燃油堆积于凹槽后，B30E10在缸内的燃烧速度、压力和温度均低于燃用柴油的对应值。

参考文献

[1] 黄锦成，刘海峰，张全长.柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃料的试验研究[J].广西大学学报，2006，31（3）：185?189.

[2] 徐国强，张红梅，高献坤.柴油机燃用生物质燃油：柴油 混合燃料燃烧特性的研究[J].河南农业大学报，2004，38（2）：211?214.

[3] 马勇，陆蓉蓉，陈怀望.柴油机燃烧室改进的模拟仿真研究[J].内燃机，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] 张梦云.DLH1105柴油机工作过程数值模拟与燃烧室改进研究[D].镇江：江苏大学，2010.

[6] 姚照辉，吴宝元，梁俊龙.冲压发动机燃烧引起激波运动过程一维分析[J].火箭推进，2013（2）：52?58.

[7] 任正达，聂万胜，陈新华.甲烷喷射温度对燃烧稳定性影响规律研究[J].火箭推进，2013（4）：36?40.

摘 要： 为了研究生物柴油?乙醇?柴油混合燃料的燃烧特性，使用AVL?FIRE软件对纯柴油和B30E10（含30%体积分数的生物柴油，10%体积分数的乙醇和60%体积分数柴油的生物柴油?乙醇?柴油混合燃料）的缸内燃烧和喷雾过程进行模拟分析，将燃烧室进行切片，比较了两种燃料的速度场、压力场和温度场变化及变化规律。研究结果表明：在燃烧初期，B30E10燃烧比柴油慢，随着燃烧的进行， 当燃油堆积于燃烧室凹槽后，B30E10在缸内的燃烧速度、压力和缸内温度均比柴油低。

关键词： 生物柴油?乙醇?柴油混合燃料； 燃烧过程分析； 喷雾过程模拟； 燃烧室

中图分类号： TN911?34； TK421 文献标识码： A 文章编号： 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

生物柴油作为可再生能源，是由动物脂肪或者植物油通过酯化反应制成的脂肪酸甲酯燃料，且理化特性接近柴油。生物柴油相对柴油有较高的十六烷值和闪点，硫含量低。乙醇具有较低的粘度和沸点，有利于改善燃油混合气的雾化效果。生物柴油和乙醇的“自携氧”特点，对于提高发动机的热效率和降低碳烟排放具有积极作用。近年来国内外研究人员对柴油机燃用生物柴油和乙醇进行了大量研究。研究发现，完全燃烧乙醇，技术难点是乙醇在缸内着火非常困难。生物柴油的粘度大，雾化性能差，喷油器易结、堵塞，蒸发性差造成冷启动困难。考虑生物柴油和乙醇的理化特性及其在发动机上的应用情况，将生物柴油、乙醇和柴油混合，能够很好地运用燃料各自的优势， 在保证柴油机的动力性、燃油经济性变化不大的同时，有效降低碳烟的排放[1]。试验研究作为探索柴油机燃烧过程的主要手段，得到了广泛的应用。但是基于试验条件、测试技术水平等方面的考虑，试验研究手段又存在着一定的局限性。随着计算机飞速发展及其计算流体力学、计算传热学等基础理论研究的深入，柴油机燃烧和喷雾的数值模拟逐渐形成了一个独立的发展分支。它以实验和基本理论的研究成果为基础，通过计算机把实验研究、理论分析和科学计算有机地融为一体。它具有调整参数方便、运行速度快、成本低的优点，可以在众多的影响因素中找出关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品的研制周期及费用[2?5]。

鉴于模拟仿真的可靠性及方便性，在互溶范围内，将生物柴油、乙醇、柴油分别按照体积比为30%，10%，60%配置成B30E10混合燃料，采用AVL?FIRE软件对B30E10在缸内的燃烧和喷雾过程进行模拟计算，分析其变化发展规律及其与柴油的差异。

1 计算模型建立及验证

1.1 试验燃料和发动机

由于B30E10的热值相对于纯柴油较低，导致缸内燃烧时放热量较小，在燃油开始燃烧前，两种燃油对应的缸内温度相差不大，当燃油和空气形成可燃气体开始剧烈燃烧时， B30E10的燃烧温度整体上小于纯柴油。

3 结 语

对纯柴油和B30E10两种燃油在2 200 r/min，200 N·m工况下的燃烧过程进行模拟计算分析如下：

（1） 在缸内的燃油喷射阶段，油束中心区域压力较大，油束边缘区域速度较高；燃烧后期由于燃油堆积于凹槽处，使缸内的凹槽成为缸内温度和压力局部分布较大区域。

（2） 在燃烧初期，B30E10燃烧比柴油慢，随着燃烧的进行，当燃油堆积于凹槽后，B30E10在缸内的燃烧速度、压力和温度均低于燃用柴油的对应值。

参考文献

[1] 黄锦成，刘海峰，张全长.柴油机燃用生物柴油和柴油混合燃料的试验研究[J].广西大学学报，2006，31（3）：185?189.

[2] 徐国强，张红梅，高献坤.柴油机燃用生物质燃油：柴油 混合燃料燃烧特性的研究[J].河南农业大学报，2004，38（2）：211?214.

[3] 马勇，陆蓉蓉，陈怀望.柴油机燃烧室改进的模拟仿真研究[J].内燃机，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] 张梦云.DLH1105柴油机工作过程数值模拟与燃烧室改进研究[D].镇江：江苏大学，2010.

[6] 姚照辉，吴宝元，梁俊龙.冲压发动机燃烧引起激波运动过程一维分析[J].火箭推进，2013（2）：52?58.

[7] 任正达，聂万胜，陈新华.甲烷喷射温度对燃烧稳定性影响规律研究[J].火箭推进，2013（4）：36?40.