甲醇柴油混合燃料缸内燃烧仿真分析与试验验证

张更云，陈　龙，李若亭

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 　100072)



甲醇柴油混合燃料缸内燃烧仿真分析与试验验证

张更云，陈龙，李若亭

(装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072)

摘要：为探索战时车辆代用燃料，通过建立柴油机的燃烧模型，计算分析不同比值甲醇柴油混合燃料的缸内燃烧压力、温度、放热规律，并通过单缸机试验，探索出甲醇柴油混合燃料对柴油机动力性、经济性、机械负荷、热负荷的作用规律及掺混比值。

关键词：甲醇柴油； 仿真分析； 燃烧模型

本文引用格式：张更云，陈龙，李若亭.甲醇柴油混合燃料缸内燃烧仿真分析与试验验证[J].兵器装备工程学报，2016(6):145-148.

Citationformat:ZHANGGeng-yun,CHENLong,LIRuo-ting.SimulationAnalysisandExperimentalVerificationAboutCombustionofMethanolandDieselFuelinCylinder[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):145-148.

往复活塞式柴油机仍是坦克装甲车辆的主要动力。其燃料的单一性，给战争环境的补给带来了潜在的不良影响，因此其代用燃料能否满足坦克装甲车辆动力需求是一项不容忽视的问题[1]。目前代用燃料如醇类柴油、生物柴油等自身含氧、易掺混，特别是醇类中的甲醇，由于易获得、易制取、价格低、来源广而日益突出。本文对甲醇柴油混合燃料缸内燃烧过程进行仿真建模与计算。通过建立发动机缸内燃烧模型、发动机传热模型、热力学基础模型以及化学反应动力学模型，分别对甲醇柴油混合燃料的燃烧规律、热负荷以及机械负荷进行分析，研究转速及循环供油量的变化对甲醇柴油燃料缸内燃烧的影响。为探索甲醇柴油对装甲车辆柴油机的可用性，在数值仿真计算的基础上，将混合燃料加入目前装甲车辆的150单缸柴油机进行台架试验，分析柴油添加甲醇后其动力性、经济性、机械负荷和热负荷的变化规律。

1　柴油机燃烧模型建立

甲醇柴油对柴油机性能的影响主要由其缸内的燃烧过程决定。燃烧过程是一个气相热化学反应，本文通过构建柴油机的基本模型、传热模型及反应机理分析计算放热率、燃烧速度、滞燃期等影响柴油机性能的参数。

1.1柴油机基本模型

选用ICEngine模块[2]进行燃烧模拟计算，由于此模块为均质压燃模型，因此作出几点假设：燃烧室看做绝热系统；在整个均质压燃系统中，所有气体均为理想气体；由于均质状态，所以同一时刻在气缸内每一点的压力、温度、各组分浓度处处相等。

由热力学第一定律和理想气体状态方程得：

1.2柴油机传热模型

ICEngine模块采用的是Woschni传热模型[3]，其传热系数为

1.3甲醇柴油混合燃料机理构建

甲醇的氧化反应历程与柴油有着明显不同，甲醇柴油混合燃料的燃烧特性不仅受各燃料的理化性质影响，也受各组分燃烧时氧化反应历程的影响[4]。通过甲醇氧化与正庚烷氧化机理的对比，得到混合燃料受甲醇影响分为：甲醇脱氢反应对混合燃料的影响；甲醇脱氢反应对柴油脱氢自由基的影响。

对甲醇柴油混合燃料机理的构建，关键在于准确描述甲醇与柴油脱氢反应对自由基的争夺。因此，本文基于现有的正庚烷[5]及甲醇机理构建[6]甲醇柴油混合燃料的反应机理，该机理包含33种物质及140个反应。

2　混合燃料燃烧计算分析

2.1甲醇柴油混合燃料燃烧计算分析

为了简便，将柴油与甲醇的混合比值5%、10%、20%、30%、35%用M5、M10、M20、M30、M35表示。

图1为1 400r/min，最大扭矩点情况下，柴油与不同比值甲醇柴油混合燃料缸内压力曲线图。可以看出，随着甲醇含量比值的增高M5、M10、M20、M30和M35的缸压曲线整体后移，其峰值分别比纯柴油降低2.0%、8.9%、17.3%、21.2%、24.6%。峰值出现时刻分别滞后0.3°CA、1.2°CA、2.2°CA、3.4°CA、4.6°CA。

图1　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料缸压曲线

图2所示为发动机在1 400r/min情况下最大扭矩点柴油掺烧不同比例甲醇的混合燃料最大压升率的变化曲线，可以看出，随着甲醇添加比值的增加，混合燃料的最大压升率分别比纯柴油低4.0%、5.8%、8.1%、11.3%、15.9%，M5、M10、M20、M30和M35压升率最大峰值出现时刻分别提前0.4°CA、0.8°CA、1.2°CA、2.2°CA、3.4°CA。

图2　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料压升率曲线

图3为发动机1 400r/min情况下最大扭矩点柴油掺烧不同比例甲醇的混合燃料温度随曲轴转角的变化曲线。可以看出，随着甲醇的添加，缸内温度曲线相比纯柴油有所降低。其中M5、M10、M20、M30以及M35的缸内温度曲线峰值相比纯柴油降低为1.6%、6.2%、17.5%、21.8%及23.6%。

如图4、图5为不同比值甲醇柴油混合燃料的瞬时放热率和累计放热率曲线。由图可知，随着甲醇比值的增加M5、M10、M20、M30和M35的瞬时放热率峰值相比于柴油下降了0.3%、6.4%、10.1%、12.0%、13.3%、对应的曲轴转角分别滞后0.5°CA、1.8°CA、2.5°CA、3.8°CA、4.8°CA。

通过上文甲醇柴油混合燃料的缸压、压力升高率、缸内温度、放热率以及放热百分比进行分析，发现，随着混合燃料中甲醇比值的增加，柴油机缸内压力降低，缸内温度降低，压力升高率降低，燃料滞燃期增加。

图3　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料温度曲线

图4　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料放热率曲线

图5　1 400 r/min不同比值甲醇柴油混合燃料累积放热百分比曲线

3　单缸机台架试验与结果分析

根据仿真模型对于甲醇柴油混合燃料的影响，通过单缸机台架试验，验证甲醇柴油混合燃料中甲醇比值的增加，对柴油机的缸内燃烧特性以及性能的影响。本次试验所使用的单缸机为150系列单缸机。参数如表1所示。

本次试验基准油为-10#柴油，在转速1 400r/min下，进行负荷特性试验。在多组试验过程中保持柴油机结构不作任何调整，参数保持每组试验一致。冷却水温度控制在75±5℃；机油温度控制在60±5℃。待热机后，先在中、高负荷运行十五分钟，然后按试验设计测试相关参数。

表1　150单缸柴油机主要参数

图6和图7为最大扭矩工况时燃烧柴油与M5、M10、M20、M30和M35六种燃料缸内压力、压力升高率变化曲线。从图中可以看出：燃用M5、M10、M20、M30和M35时，缸内峰值压力比燃用纯柴油降低2.7%、3.4%、4.2%、4.9%、6.4%，且最高燃烧压力点比燃用纯柴油分别滞后0.3°CA、0.6°CA、1.5°CA、2.3°CA、4.1°CA；混合燃料的压力升高率分别比纯柴油低5.7%、9.2%、10.4%、12.2%、16.8%，出现时刻M5、M10、M20、M30和M35分别滞后0.7°CA、1.2°CA、2.6°CA、3.2 °CA、4.4°CA。M5、M10、M20、M30和M35的着火时刻比纯柴油延迟0.6°CA、0.8°CA、1.2°CA、2.3°CA、3.1°CA。

图6　不同比值甲醇柴油缸内压力随曲轴转角变化曲线

图7　不同比值甲醇柴油压力升高率随曲轴转角变化曲线

图8和图9为最大扭矩工况时燃烧柴油与M5、M10、M20、M30和M35放热率、累计放热率变化曲线。由图可知，燃用纯柴油与燃用甲醇柴油混合燃料相比，瞬时放热率峰值降低5.1%、13.7%、25.1%、34.1%、39.3%，所对应的曲轴转角滞后2.5°CA、3.8°CA、4.1°CA、4.3°CA、6.8°CA，开始放热时刻滞后4.6°CA、5.3°CA、5.7°CA、6.2°CA、7.6°CA。累积放热率曲线的上升速率比燃用纯柴油时缓慢，燃烧持续期缩短1.6°CA、2.3°CA、3.7°CA、6.4°CA、8.6°CA。

图8　不同比值甲醇柴油瞬时放热率随曲轴转角变化曲线

图9　不同比值甲醇柴油累计放热率随曲轴转角变化曲线

图10为最大扭矩工况时燃烧混合燃料与纯柴油时的扭矩对比图。试验表明：在最大扭矩工况时，燃用混合燃料时扭矩分别下降1.7%、6.9%、10.7%、13.1%、14.7%、17.4%。

图10　最大扭矩工况时甲醇柴油混合燃料与纯柴油扭矩对比

4　结论

通过对仿真模型计算分析确定甲醇柴油混合燃料的大致比值，利用单缸机台架进行了纯柴油和混合燃料的负荷特性试验，分析在实际台架中甲醇柴油混合燃料对发动机性能参数的影响规律，得到高配比的甲醇柴油混合燃料缸内压力最多下降6.4%，着火时刻比纯柴油延迟3.1°CA，最大扭矩下降17.4%。随着甲醇比值的增加，燃料的动力性明显下降，经济性下降。根据混合燃料最大扭矩下降情况，当混合比值为35%时，动力性下降17.4%超过了代用燃料不得降低15%的要求，因此为了保证柴油机的正常运行，最终认为30%比值为甲醇与柴油混合的最大比值。

参考文献：

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[4]郭鹏.柴油机燃用甲醇柴油混合燃料的仿真分析[D].太原：太原理工大学,2011.

[5]赵蒙生.甲醇柴油燃料的实验研究[D].西安：长安大学,2010.

[6]张全逾,王俊杰,柯凤琴.内燃机燃烧测试分析及实际应用[J].公路与汽运,2008(3):28-30.

(责任编辑杨继森)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.034

收稿日期：2016-01-04；修回日期：2016-01-31

作者简介：张更云(1966—)，男，博士，教授，主要从事动力机械及工程研究。

中图分类号：TJ81；TE665

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)06-0145-04

SimulationAnalysisandExperimentalVerificationAboutCombustionofMethanolandDieselFuelinCylinder

ZHANGGeng-yun,CHENLong,LIRuo-ting

(DepartmentofMechanicEngineering,AcademyofArmoredForceEngineeringInstitute,Beijing100072,China)

Abstract:To explore alternative fuel in wartime, we calculated and analyzed the cylinder pressure, temperature, heat release rule of methanols-diesel fuel with different ratio via establishing the combustion model of diesel engine. Besides the single-cylinder engine performance, fuel economy, mechanical load, thermal load of methanols-diesel fuel and mixing ratio were explored by single-cylinder engine test.

Key words:methanol diesel; simulation analysis; combustion model