甲醇替代率对柴油机能量流影响分析.pdf

研究与探讨D0I:10.16056/j.2096-7705.2023.03.013能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)85.甲醇替代率对柴油机能量流影响分析任鹏(武警士官学校机械系，杭州31140 0)摘要：为深人理解预混甲醇柴油双燃料发动机能量流分布，基于Converge软件构建了甲醇柴油双燃料全气道发动机三维仿真模型，进行了不同甲醇替代率下柴油机的能量流平衡分析。结果表明：随着甲醇替代率增大，缸压峰值和放热率峰值增大，燃烧重心提前，燃烧持续期缩短。添加甲醇后，NOx、CO 和Soot呈现下降趋势，但在喷油时刻附近会增加局部HC生成量。相比纯柴油机，添加甲醇后指示功、进排气以及传热部分的能量减少，杂项的占比不断升高。关键词：甲醇柴油双燃料；甲醇替代率；能量平衡；热效率中图分类号：TK427Analysis of the Effect of Methanol Substitution Ratio on文献标志码：Athe Energy Flow of Diesel Engines文章编号：2 0 96 7 7 0 5（2 0 2 3）0 30 0 8 50 6REN Peng(Mechanical Department,Peoples Armed Police Force Academy,Hangzhou 311400,China)Abstract:To deeply understand the energy flow distribution of the premixed methanol/diesel dual-fuel engine,a three-dimen-sional simulation model of the methanol/diesel dual-fuel all-airway engine was constructed based on Converge software,andthe energy flow balance analysis of the diesel engine was carried out under different methanol substitution ratios.The resultsshowed that with the increase of methanol substitution ratio,the peak cylinder pressure and the peak heat release rateincreased,the center of gravity of combustion was advanced,and the combustion duration period was shortened.Aftermethanol addition,NOx,CO and Soot show a decreasing trend,but local HC generation increases near the injection moment.Compared to the pure diesel engine,the indicated work,intake and exhaust,and heat transfer portions of the energy arereduced with the addition of methanol,and the percentage of miscellaneous items is increasing.Keywords:methanol-diesel dual fuel;methanol substitution rate;energy balance;thermal efficiency现“零碳”排放。通过甲醇柴油双燃料燃烧技引言术，可有效解决甲醇着火温度高、难压燃的问题 6 ,可再生、清洁替代燃料的高效利用一直吸引学对于提高甲醇利用效率具有重要意义。者们的关注 1-4。甲醇作为一种单碳分子的可再生含能量流分析可以针对发动机各部分的能量损失氧燃料，可以采用生物质、天然气以及新能源电化提供更加直观的对比，为后续发动机性能的优化设学转化CO,等方法制备，从而在整个循环过程中实计提供理论基础。天津大学的姚春德团队 7-9 针对甲收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 0第一作者：任鹏（1993一），男，助教，本科，主要研究方向为内燃机高效及清洁燃烧技术。E-mail：r e n p 9312 16 3.c o m引用格式：任鹏.甲醇替代率对柴油机能量流影响分析 J.能源研究与管理,2 0 2 3,15(3):8 5-90.86醇柴油双燃料燃烧能量分布展开详细的分析，探讨进气道喷射甲醇并由柴油引燃发动机在不同发动机负荷、进气温度、甲醇温度及高压EGR等工况下燃烧能量流分布。结果显示，随着甲醇加入，冷却损失和排气损失明显降低，但不完全燃烧损失比例逐渐增加。当引人高压废气后，有助于降低排气损失和不完全燃烧损失，从而大幅提升发动机热效率。RANGASAMY等 10 在1台装置有进气道甲醇喷射系统的三缸发动机对甲醇/柴油和甲醇/生物柴油燃烧过程中的能量流分布展开分析。结果发现，由于燃料分层、全局反应性和缸内温度较低，在低负荷时不完全燃烧损失的大幅增加。同时，相比于传统柴油机，适量的废气再循环在甲醇柴油双燃料燃烧过程中的排气损失和传热损失较少，制动热效率提高。而且，相比甲醇柴油，在甲醇/生物柴油燃烧过程中，由于生物柴油的物理特性和缸内温度导致燃料分层增加，不完全燃烧损失减少。甲醇/柴油双燃料燃烧方式包括直接掺混 1-12 、进气道喷射 13-14及缸内双直喷 15-1 等。燃烧方式的差异性也将影响缸内的能量分布。此外，甲醇自其在压燃机中的广泛应用。随着我国双碳目标的提出，动力燃料将向转向低碳及零碳化发展。通过乳化法(缸径x冲程)/气缸数/排量/压缩比mm个1121456排气道缸盖缸体活塞一图1发动机三维模型Fig.1 Engine 3D modeling75%负荷工况下发动机缸压和放热率实验数据与模拟结果进行对比，结果如图2 所示。由图可知，数值计算的缸压和放热率曲线可以很好的复现实验结果。实验和数值计算的缸压数据差异性低于5%，这也表明模型参数设置及计算方法的合理性。因此，能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)将甲醇直接掺混柴油的利用方式对特种车辆的改动较少，且能够实现更高的甲醇替代率和降低污染物排放，对于后续甲醇的广泛应用具有重要的现实意义。本文利用Converge三维仿真软件，基于对1台六缸四冲程的甲醇/柴油双燃料发动机建立三维全气道仿真模型。详细分析不同甲醇掺混比例下，缸内压力、放热率、污染物生成以及各部分能量分布，为甲醇-柴油双燃料发动机的优化设计提供参考。1计算方法1.1仿真模型构建与验证本文以1台增压中冷高压共轨柴油机为研究对象，基于Converge软件建立三维仿真模型。表1给出详细的发动机参数。针对发动机整个循环过程中的能量流进行计算，构建了详细的全气道发动机模型如图1所示。模型主要包含进排气道、缸盖、缸套、活塞及喷油器。为排除网格尺寸的影响，综合考虑计算时间和计算精度的要求，选取基础网格尺寸为6 mm，并结合2 级自适应网格加密，最小网格尺寸为2.5mm，计算模型在之前研究中进行了大量的应用与验证 17-18 。计算模型参数设置如表2 所示。为验证计算结果准确性，选取转速16 50 r/min，表1发动机参数Table 1 Engine parameters最大爆发标定功率标定转速最大扭矩最大转速压力/MPakW8.617进气道研究与探讨气门数/(rmin-)Nm16275后续的分析均以16 50 r/min，7 5%负荷工况作为基准工况点，对掺混不同甲醇比例的柴油机能量流分布进行计算。其中，甲醇替代率定义为单个循环缸内喷入甲醇燃料的热值与缸内燃料的总热值之比 12 ，计算公式如下：(r min-)21001512表2 计算模型设置Table 2 Computational model settings模型流模型破碎模型雾滴碰撞和聚合模型液膜模型蒸发模型燃烧模型NO.模型Soot模型传热模型个13004参数RNGk-8KH-RTNTCWall filmFrosslingSAGEExtended Zeldovich NOxHiroyasu SootCHT研究与探讨15.012.5一数值模拟10.0l口实验值/7.55.02.50.0-2.5一5.0 l=100-75-50-25 0 图2 数值计算与实验结果对比Fig.2Comparison of numerical calculations andexperimental resultsm 乙醇LHV 乙醇=m乙醇LHV乙醇+m柴油LHV柴油式中：m乙醇为甲醇质量流量；柴油为柴油质量流量；LHV乙醇为甲醇低热值；LHV柴油为柴油低热值。1.2能量流计算在进行能量流计算之前，需要对发动机建立一个热力学系统。基于热力学第一定律和第二定律，将柴油机看作一个开闭口周期性变化的控制体，该系统与外部进行质量、热量及输出功交换。其中，流人气缸系统的能量主要包含进气能和燃料燃烧(数值计算过程主要为柴油代用组分内正庚烷和掺混的甲醇）释放的化学能。输出的能量包括传热项、排气项和输出功项。此外，为便于柴油机能量流的研究，需要4点假设：1）控制容积内的工质为理想气体；2）控制容积内工质在封闭过程中无泄漏；3工质在流人或流出控制容积的过程为准稳态流动过程，忽略流入及流出时的动能及势能；4）进气及生成物质仅考虑N2、O 2、C O 2 及H,O，忽略其他物质及生成物。能量分析方法从系统总能量角度对增压柴油机的工作过程做热力学分析，对于1个完整循环，能量平衡关系见式(2)：dQ=dQw+dQE+dQo+dQL+dQodtdt单位时间内柴油放热量及有效功率分别按式(3)、式(4)计算:dQE=LHVmrdtdQw=_T.ndt9550式中：Q为柴油放热量；Qw为有效功；Qe为排气能量；Q为传热量；Qi为不完全燃烧损失能量；能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)500Qo为杂项损失能量；LHV为燃料的低热值；m为柴油流量；T为瞬时扭矩；n为转速；t为时间；9550400(-().1)/李洋X3002001000255075100时间 t/mindtdtdt87.为常数项。为准确反映该柴油机的能量分布情况，根据试验数据对排气能量及传热量进行计算，相关参数的计算方法见式(5)式(8):dO=me(Ce T:-C,T)dtkC-Z CXi=1X,=m;/meycdQo-=f.C.(Taa,.-Tael)dt式中：m。为排气质量流量，即进气流量与燃油流量(1)之和；Te为排气温度；T为进气温度；Ce为排气的定压比热；Cr为进气的定压比热；C,为混合气平均定压比热，只与温度及气体组成有关；Ci、X、m;为排气中第i种气体的定压比热、质量分数以及质量；f为冷却液质量流量；C为冷却液比热容；Tale.o为柴油机出口冷却液温度；Tale,1为柴油机人口冷却液温度。燃料的不完全燃烧损失量计算如式(9)：dQL=LHVqdt式中：q为单位时间内不完全燃烧燃料量。各部分能量占比的计算如式(10)所示：QemsQpercentageQ式中：Qerertle为各部分能量占比；Qam为各部分能量。2结果与讨论2.1甲醇替代率对燃烧过程的影响图3为不同甲醇掺混比例下柴油机缸内压力和放热率曲线。由图可知，随着甲醇掺混比例升高，当喷油结束后缸内压力不断降低后快速升高。这主要由于甲醇的高气化潜热的吸热作用，促使局部温(2)度降低，压力下降。同时，由于甲醇氧化的OH自dt由基消耗作用使得整体着火滞燃期增长。相比纯柴油，甲醇的火焰传播速度较快。因此随着甲醇比例的增加，放热率出现快速升高，缸压峰值增加。(3)当甲醇替代率从0 增加到2 0%时，放热率峰值从213.4J/()升高到313J/()，增幅约47%。当甲醇掺(4)混比例 10%时，第1阶段放热率开始超过第2 阶段，即放热率峰值对于的角度从16 提前到5图4为详细的燃烧相位变化趋势。由图可知，(5)(6)(7)(8)(9)(10)88141210864203020-10 010 20 30 40 50 60曲轴转角/()图3缸压及放热率Fig.3 Cylinder pressure and heat release rate随着甲醇替代率增加，整体的燃烧中心提前且燃烧持续期缩短。这主要由于甲醇的掺入，着火延迟期增加使得缸内混合物预混比例增加，扩散燃烧比例缩短，结合甲醇更快的燃烧速度从而降低整体的燃烧持续时间。随着甲醇替代率从0 增加到2 0%时，CA50从18.0 2 提前至15.0 2，燃烧持续期从37.0 9缩短至2 2.159，降幅约40%。6050F(0)/4030F201000图4燃烧相位及燃烧持续期变化Fig.4Variation of combustion phase and combustion duration缸内温度的变化对传热损失以及污染物的形成具有较大的影响。图5为不同甲醇掺混比例下缸内温度变化分布。由图可知，随着甲醇含量升高，缸内温度逐渐降低。当当甲醇替代率从0 增加到2 0%时，缸内温度峰值从17 54.6 K降至16 96.2 K，降幅约3.3%。温度的减低在一定程度上可以减少冷却损失比例。图6 为不同甲醇替代率下柴油机的指示热效率分布。由图可知，纯柴油16 50 r/min，7 5%负荷工况下发动机的指示热效率为46.3%，随着甲醇替代率升高指示热效率不断降低。当甲醇替代率为2 0%时，指示热效率为38.7%，降幅约16.4%。这主要由于掺混甲醇后，缸内燃烧温度降低抑制了整体燃能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)5002.0100%柴油95%柴油+5%甲醇90%柴油+10%甲醇-80%柴油+2 0%甲醇CA10CA5035CA9030()/252015100510甲醛代替率/%研究与探讨100%柴油1.895%柴油+5%甲醇40090%柴油+10%甲醇1.6(-()/率洋X?-80%柴油+2 0%甲醇1.43001.21.0F2000.81000.60.40.2300-200-1000曲轴转角/()图5缸内温度分布Fig.5Temperature distribution in cylinder50181640F1412%率刻30F1020F8610F400Fig.6 Indicates thermal efficiency changes料与空气混合物的反应活性，导致燃烧热效率下降。2.2甲醇替代率对排放的影响图7 为不同甲醇替代率下对污染物排放的影20响。由图可知，当甲醇替代率升高，NOx的生成质量不断降低。这主要由于甲醇的冷却效应，使得缸内平均温度的降低如前文描述的，从而抑制了热力学NOx的形成。当然，甲醇较高的气化潜热引起的高吸热量诱导喷油过程局部温度降低。同时，燃料反应活性降低不能完全氧化，导致HC的生成质量在喷油时刻附近随着甲醇掺混比例的增加而明显增加。随着反应的进行，由于前期预混比例的增加，使得缸内的HC、C O 和 Soot 的生成质量不断减少。这主要由于着火延迟的增加降低了燃料局部过浓的形成，且燃料中的氧也有助于芳烃组分的氧化分解，从而减少课题物的排放。2.3能量流分析图8 为不同甲醇替代率下进人系统和离开系统时各项能量结果分布。由图可知，随着甲醇比例升高，杂项部分的能量单调递增，而指示功、进排气、传热部分的能量均有不同程度的降低。当甲醇替代100 200300205甲醛代替率/%图6 指示热效率变化1020研究与探讨4.54.0(y0)/鲁*ON3.53.02.5F2.01.51.00.50.0(a)不同甲醇替代率下NO变化14100%柴油-95%柴油+5%甲醇12-90%柴油+10%甲醇(8);-01)/鲁里 0 0-80%柴油+2 0%甲醇1086420(c)不同甲醇替代率下CO变化图7甲醇替代率NOx、H C、C O 及Soot生成的影响Fig.7 Effect of methanol substitution ratio on NO,HC,CO and Soot generation3.0进排气传热围100F10.02.512.280F(r:01)/鲁碧2.01.51.00.5F0.0(a)不同甲醇替代率下各部分能量分布Fig.8 Effect of methanol substitution ratio on energy and percentage of each component率从0 增加到2 0%，杂项部分的能量从2 56 2.7 J增加到2 2 13.3J，占比从10%增加到2 3.5%。杂项部分的能量比例升高主要由于甲醇掺混后，燃料的蒸发吸热能量以及不完全燃烧项增多导致。而由于缸内温度的降低，传热项以及进排气的能量比例出现不同幅度降低。当甲醇替代率从0 增加到2 0%，进能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)100%柴油95%柴油+5%甲醇90%柴油+10%甲醇80%柴油+2 0%甲醇50100150200250300350曲轴转角/()204060 80100120曲轴转角/()一指示功进排气传热-其他05甲醛代替率/%图8 甲醇替代率对各部分能量及占比的影响893.0100%柴油95%柴油+5%甲醇2.5?90%柴油+10%甲醇(3)-01)/鲁里 OH?-80%柴油+2 0%甲醇2.01.51.00.50.00(b)不同甲醇替代率下HC变化3.0100%柴油-95%柴油+5%甲醇2.590%柴油+10%甲醇-(3y,-01)/鲁里 10 0 S-80%柴油+2 0%甲醇2.01.51.00.50.04080120 160 200 240 280 320 360曲轴转角/()(d)不同甲醇替代率下Soot变化指示功其他14.418.412.029.960F40F47.920F01020100甲醛代替率/%(b)不同甲醇替代率下各部分能量占比排气项占比从2 9.9%降至2 4.2%，减少量为5.7%，仅次于指示功的减少量6.6%。3结论1）随着甲醇替代率升高，缸压和放热率峰值增加，燃烧重心提前，燃烧持续期缩短。随着甲醇掺20曲轴转角/()26.324.247.245.6510304023.524.241.3205090混比例增加至2 0%，指示热效率从原机的46.3%降至为38.7%，降幅约16.4%。2）甲醇的掺混，可有效降低缸内的平均温度，对NOx、So o t 和CO均有较好的抑制作用，但在喷油时刻附近会增加局部的HC生成量。3）甲醇掺混比例增加，导致指示功、进排气及传热部分的能量减少，而杂项的占比不断升高。参考文献1纪常伟,辛固,汪硕峰,等.零碳及碳中和燃料内燃机应用进展.北京工业大学学报,2 0 2 2,48(3):2 7 3-2 91.2任鹏.基于神经网络和遗传算法的乙醇/柴油发动机热效率优化分析J.能源研究与管理,2 0 2 3,15(2):153-159.3籍伟,汤元君,李国能,等.千瓦级船舶排烟余热温差发电系统生命周期CO,排放评估J.能源研究与管理,2 0 2 2(1):10 8-114.4伍赛特.LNG/柴油双燃料动力船舶技术应用研究J.能源研究与管理,2 0 19(3):6 6-6 8.5王贵勇,詹益嘉,申立中,等.高海拔下预喷策略对甲醇/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性的影响.昆明理工大学学报(自然科学版),2 0 2 3,48(2):7 3-8 6.6米一铭,朱建军,李鹏,等.引燃柴油预喷策略对甲醇/柴油缸内双直喷性能及排放的影响研究.重庆理工大学学报(自然科学),2 0 2 1,35(4):8 5-92.7马宝东,姚安仁,姚春德,等.基于国VI排放的柴油甲醇双燃料燃烧能量平衡研究J.工程热物理学报,2 0 2 2,43(11):3117-3121.8韩国鹏,姚安仁,姚春德,等.柴油/甲醇双燃料发动机能量平衡分析J.内燃机学报,2 0 16,34(2):18 3-191.能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)9 韩国鹏.柴油/甲醇双燃料燃烧热力平衡分析D.天津:天津大学,2 0 17.10 RANGASAMY M,DURAISAMY G,GOVINDAN N.A com-prehensive parametric,energy and exergy analysis for oxyge-nated biofuels based dual-fuel combustion in an automotivelight duty diesel engineJ.Fuel,2020,277:118-167.11 苏志伟,朱建军,安俏俏,等.甲醇预混合气F-T柴油引燃模式下发动机燃烧特性研究J.内燃机工程,2 0 17,38(2):36-41.12刘帅,姚晓航,孙勇,等.甲醇/F-T柴油预混燃烧的数值模拟.江苏大学学报(自然科学版),2 0 2 2,43(2):139-146.13艾有楷,任家潮,姚安仁,等.柴油预喷参数对进气预喷甲醇柴油机燃烧和排放的影响J.环境科学学报,2 0 2 1,41(6):2320-2328.14黄粉莲,杨群,王正江,等.甲醇替代率对柴油/甲醇反应活性控制压燃发动机性能的影响.内燃机工程,2 0 2 2,43(1):48-57.15尹晓军,任宪丰,栾建伟,等.甲醇替代率对甲醇/柴油双直喷发动机性能的影响J/OL.(2023-05-11).http:/ NING L,DUAN Q,KOU H,et al.Parametric study on effectsof methanol injection timing and methanol substitution per-centage on combustion and emissions of methanol/diesel dual-fuel direct injection engine at full loadJ.Fuel,2020,279:118-424.17唐建星.燃烧边界条件对柴油机能量流特性影响的仿真研究D.长春：吉林大学,2 0 2 3.18刘长铖.车用增压柴油机能量流与流分析及能效优化D.长春：吉林大学,2 0 2 0.研究与探讨