柴油十六烷值测定过程中的燃烧模拟研究

张会成，付 伟，郭亚平，凌凤香，高 波，程仲芊

(1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001；2.中国石油化工股份有限公司科技部)

柴油十六烷值测定过程中的燃烧模拟研究

张会成1，付 伟2，郭亚平1，凌凤香1，高 波1，程仲芊1

(1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001；2.中国石油化工股份有限公司科技部)

以计算流体力学、计算传热学、化学动力学等理论研究为基础，建立FCD-Ⅱ型柴油十六烷值机气缸内燃料雾化、传质数学模型，对气缸内燃烧过程中的温度流场、压力流场、速度流场分布进行模拟仿真分析。结果表明：在恒定风量条件下，随着气缸内空气的压缩，缸内温度、压力升高，在上止点(360°转角)的压缩温度可满足燃料压燃条件；在风量表读数从200增加到800时，压缩终止温度从426 ℃上升到503 ℃，可满足燃料着火性质的要求；在燃烧阶段，温度流场、压力流场和速度流场的变化受气缸内局部区域燃料燃烧特性的影响，局部区域燃料的剧烈燃烧导致温度、压力和空气速度急剧增加并传递到其它区域，促进其它区域燃料的燃烧，使温度流场、压力流场和速度流场处于瞬时变化中。

风量调节 十六烷值 柴油 燃烧

柴油是压燃式发动机燃料，十六烷值是柴油质量的关键指标之一，可用于表征柴油的燃烧性能。测定柴油十六烷值的最直接方法是发动机燃烧法。柴油在十六烷值机气缸内的燃烧过程受多种因素的影响[1-3]，包括进入气缸的空气量、柴油喷入量、气缸压缩比等，既有雾化、传热、蒸发、扩散、多相流传质的物理现象，也有燃烧过程中滞燃、急燃、缓燃、后燃期的氧化链反应的化学过程，最终化学反应的放热导致气缸内温度、压力持续升高。风量调节法测定柴油十六烷值的过程不同于传统方式[4]，是在固定气缸压缩比、柴油喷入量、燃烧滞后期的条件下，根据不同十六烷值的柴油燃料来调节进入气缸内的空气量(等容可变压缩力调节参数)，调节气缸上止点压缩温度，满足柴油压燃的要求，达到测定十六烷值的目的。本课题以计算流体力学、计算传热学、化学动力学等理论研究为基础，建立FCD-Ⅱ型柴油十六烷值机气缸内燃料雾化、传质数学模型，对气缸内燃烧过程中的温度流场、压力流场、速度流场分布进行模拟仿真分析，为风量调节法测定柴油十六烷值的科学性提供依据。

1 模拟燃烧过程及相关参数

发动机活塞从上止点下移，采用自然吸气，气量的控制由等容可变压缩力调节(风量调节)，到达下止点完成吸气，活塞向上止点运动压缩空气，温度、压力逐渐升高，到上止点前20°提前角喷射柴油，此时还不足以达到柴油压燃点，继续压缩，气缸内温度、压力持续升高，理想状况下，在上止点正好达到柴油自燃点时，喷油提前角与发火延迟角均为20°，由参数计算得到十六烷值。在喷油提前角为20°时，如果发火延迟角小于20°，则活塞还没有到上止点时气缸内温度就达到了柴油压燃点，说明气缸内空气量过大，需减少进入气缸的空气量；反之，如果到上止点时气缸内柴油没有发生燃烧现象，则说明气缸内温度较低，没有达到柴油压燃温度，需要增加进入气缸的空气量。总之，整个过程是通过控制风量来调节气缸上止点压缩温度，满足柴油压燃的要求。

1.2 模拟参数

FCD-Ⅱ型柴油十六烷值机的发动机型式为单缸四冲程，缸径×行程为90 mm×90 mm，转速(1 000±10)rmin，压缩比21，进油量10 mL(90 s±1.5 s)，喷油提前角20°，发火延迟角20°，喷油压力(12.75±0.5)MPa，等容可变压缩力调节范围0～200 kPa，风量表读数范围0～1 000。

1.3模拟燃料

正十六烷：纯度≥99.0%，十六烷值为100。

七甲基壬烷：纯度≥98.0%，十六烷值为15。

模拟燃料油：按不同体积比混合正十六烷和七甲基壬烷，配制3种十六烷值燃料油样品，其十六烷值理论计算值分别为57.2、42.3和36.5，相应的风量表读数分别控制在200、400和800。

2 模型的建立

2.1 气、液相混合基本假设

目前许多银行在信息化建设过程中，其多是将资金投放在硬件设备上面，在软件设备跟服务上面的资金投入相对比较少，这也就导致了计算机信息管理技术在银行中存在有整体运用效率不高的问题，也就制约了银行信息化管理的进一步发展。此外银行作为一个传统行业，其受到以往制度影响比较大，许多人还都习惯沿用传统的制度来进行银行管理工作，也就导致了计算机技术在银行管理应用过程中受到比较大的制约，也就无法获得良好的银行管理效果。

根据现场实际观测和归纳总结，本研究采用如下的模型假设：① 多相流动系统为气-液两相流，其中气相为连续相，液相为分散相，且在流动过程中气、液两相的压力相同；② 该传递过程为非稳态过程；③ 对液滴流动采用颗粒形式的相际曳力模型[5]；④ 对连续相和分数相均采用标准k-ε湍流模型，气泡内的湍流未考虑；⑤ 气、液混合物流出井口形成单向(外流)条件，出口采用充分发展的出流条件。

2.2 气-液两相流动控制模型

气-液两相流动连续性方程为：

(1)

(2)

αf+αp=1

(3)

式中：u为黏度；ρ为密度；α为空泡份额；下标p表示压力；下标f表示燃料。

湍流流动方程为：

(4)

式中：φ为流场体积源；Sφ为源项；μeff为流场特性流出率；σφ为Stefan-Boltzmann 常数。

对低Mach数流动[6]，流体流动作用在浸没物体上的曳力分为两种：①由黏性表面剪切应力造成的表皮阻力；②由物体周围压力分布所造成的形体阻力。通常，把总的曳力以无因次曳力系数(CD)的形式来表示：

(5)式中：DF为总曳力；A为旋涡耗散模型参数；Uα为气流体速率；Uβ为液体速率；ρα为气流体密度。

基于相际作用情况，CD采用如下模型关联：

(1) 在气泡雷诺数(Re)很低的黏性区，气泡运动与固体颗粒相同，采用Schiller Naumann关联式计算曳力系数：

(6)

3 模拟结果

在发动机参数固定的条件下，以正十六烷和七甲基壬烷配制的模拟油为原料，对FCD-Ⅱ型柴油十六烷值机气缸内燃烧过程的温度流场、压力流场、速度流场分布进行模拟分析。

3.1 温度流场分布

风量表读数为200时气缸内燃烧过程的温度流场变化如图1所示，由蓝色过渡到红色，表示相对温度由低到高。由图1可以看出，气缸活塞从上止点运动吸气到下止点，气缸内温度变化较小，压缩开始后，气缸内温度升高，在340°转角(上止点前20°喷油提前角)喷油，气缸内形成油气混合雾，压缩到上止点360°，此时达到压缩最高温度，部分区域点开始燃烧，导致气缸内温度急剧升高，燃料进入急燃期，相应的压力升高，推动活塞进入做功阶段，超过下止点540°转角，开始排气，完成720°转角并重复下一过程。气缸内的温度流场分布不均匀，总是存在个别区域温度较高的情况，这是由该区域的燃料组成特点决定的。

风量对温度的调节表现在气缸压缩终止时(360°转角)压缩温度的变化。图2为压缩过程中风量与压缩温度的关系。风量表读数大，表示进入气缸的空气量多。由图2可知，随着风量表读数增大，压缩温度升高，在风量表读数从200提高到800时，压缩温度从426 ℃提高到503 ℃，可满足上止点燃料油的压燃温度要求。

3.2 压力流场分布

风量表读数为200时气缸内燃烧过程的压力流场变化如图3所示，由蓝色过渡到红色，表示相对压力由低到高。由图3可以看出，发动机采用自然吸气，吸气过程中气缸内压力较小，但在整个吸气阶段，压力流场分布不均匀，靠近活塞面附近压力略高于进气口附近，经过下止点(超过180°转角)进入压缩过程，气缸内压力逐渐增加，到上止点(360°转角)时压缩压力最高，进入燃烧阶段，燃烧温度增加导致压力更加急剧升高并促进做功，经过540°转角排气时，压力又降低，随后重复下一过程。压力流场分布与温度流场分布相似，局部区域燃烧温度较高，引起压力升高并传递到其它区域。

图1 风量表读数为200时的温度流场分布

图2 风量与压缩温度的关系

风量对压力的调节表现在气缸压缩终止时(360°转角)的压缩压力变化。图4为风量与压缩压力的关系。由图4可知，随着风量表读数增大，压缩压力升高，在风量表读数从200提高到800时，压缩压力从425.46 kPa提高到800.27 kPa。

图3 风量表读数为200时的压力流场分布

3.3 速度流场分布

速度流场分布是指气缸内空气流动速度的变化。风量表读数为200时气缸内燃烧过程的速度流场分布见图5，由蓝色过渡到红色，表示相对空气流动速度由低到高。由图5可以看出：发动机自然吸气时，进气口空气流动最快；在压缩阶段，活塞界面空气速度变化梯度最大；在做功阶段(超过360°转角)，速度流场的分布不均匀，但与局部区域剧烈燃烧导致的温度流场变化相对应；经过540°转角排气时，排气口的空气速度最大，并逐渐降低。

图4 风量与压缩压力的关系

图6为风量表读数分别为200、400和800的情况下典型转角的速度流场变化对比。由图6可以看出，不同风量表读数下典型转角的速度流场变化趋势接近。

图5 风量表读数为200时的速度流场分布

图6 不同风量下典型转角的速度流场对比

4结论

(1) 使用计算模拟仿真技术，直观地模拟十六烷值机气缸内部的流动、传热及燃烧过程，是实验手段的良好补充，证实风量调节测定十六烷值的方法具有科学性。

(2) 在压缩阶段，气缸内温度和压力均逐渐升高，并且随风量(等容可变压缩力)增加而升高，当风量表读数从200增加到800时，压缩终止温度从426 ℃升高到503 ℃，压缩压力从425.46 kPa提高到800.27 kPa，可满足上止点燃料油的压燃温度要求。

(3) 在燃烧阶段，温度流场、压力流场、速度流场的变化受气缸内局部区域燃料燃烧特性的影响，局部区域燃料的剧烈燃烧导致温度、压力和空气速度的急剧增加并传递到其它区域，促进其它区域燃料的燃烧，使温度流场、压力流场和速度流场处于瞬时变化中。

[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] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.柴油十六烷值测定法：GBT 386[S].北京：中国标准出版社，2011

[5] 张庆.球形颗粒曳力系数计算[J].化学工程，1990，18(1)：76-79

[6] 郭本瑜，曹卫明.低Mach数流动谱解法[J].科学通报，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。

张会成，博士，教授级高工，研究方向为石油产品检测技术及分子结构表征，公开发表论文50余篇，申请专利20余项，获得中国石化科技进步二等奖1次、三等奖1次。

张会成，E-mail：zhanghuicheng.fshy@sinopec.com。

中国石油化工股份有限公司合同项目(713027)。